基坑土釘支護(hù)技術(shù)淺析工學(xué)論文
摘 要：土釘支護(hù)技術(shù)是一種新型基坑支護(hù)形式，近年來己在我國基坑工程中廣泛應(yīng)用，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。本文對(duì)土釘支護(hù)技術(shù)的特點(diǎn)做了簡要分析，并探討了土釘支護(hù)的構(gòu)造與施工。
關(guān)鍵詞：土釘支護(hù)；構(gòu)造；施工
1土釘支護(hù)技術(shù)的概念及特點(diǎn)
土釘墻又稱為土釘支護(hù)技術(shù)，它是在原位土中敷設(shè)較為密集的土釘，并在土邊坡表面構(gòu)筑鋼絲網(wǎng)噴射混凝土面層，通過土釘、面層和原位土體三者的共同作用而支護(hù)邊坡或邊壁。土釘墻體同時(shí)也構(gòu)成了一個(gè)就地加固的類似重力式擋土結(jié)構(gòu)。與已有的各種支護(hù)方法相比，它具有施工容易、設(shè)備簡單、需要場地小，開挖與支護(hù)作業(yè)可以并行、總體進(jìn)度快、成本低，以及無污染、噪聲小、穩(wěn)定可靠、社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益好等許多優(yōu)點(diǎn)，因而在國內(nèi)外的邊坡加固與基坑支護(hù)中得到了廣泛迅速的應(yīng)用。
土釘墻的施工技術(shù)是一種由上而下分步修建的過程，可按下列順序進(jìn)行:按設(shè)計(jì)要求開挖工作面，修整邊坡，埋設(shè)噴射混凝土厚度控制標(biāo)志;噴射第一層混凝土;鉆孔安設(shè)土釘、注漿、安設(shè)連接件;綁扎鋼筋網(wǎng)，噴射第二層混凝土;設(shè)置坡頂、坡面和坡腳的排水系統(tǒng)。
土釘支護(hù)法:以盡可能保持、顯著提高、最大限度地利用基坑邊壁土體固有力學(xué)強(qiáng)度，變土體荷載為支護(hù)結(jié)構(gòu)體系一部分。噴射混凝土在高壓氣流的作用下高速噴向土層表面，在噴層與土層間產(chǎn)生“嵌固效應(yīng)”，并隨開挖逐步形成全封閉支護(hù)系統(tǒng)，噴層與嵌固層同具有保護(hù)和加固表層土，使之避免風(fēng)化和雨水沖刷、淺層坍塌、局部剝落，以及隔水防滲作用。土釘?shù)奶厥饪貕鹤{可使被加固介質(zhì)物理力學(xué)性能大為改善并使之成為一種新地質(zhì)體，其內(nèi)固段深固于滑移面之外的土體內(nèi)部，其外固端同噴網(wǎng)面層聯(lián)為一體，可把邊壁不穩(wěn)定的傾向轉(zhuǎn)移到內(nèi)固段及其附近并消除。鋼筋網(wǎng)可使噴層具有更好的整體性和柔性，能有效地調(diào)整噴層與土釘內(nèi)應(yīng)力分布。土釘主動(dòng)支護(hù)土體并與土體共同作用，具有施工簡便、快速及時(shí)，機(jī)動(dòng)靈活、適用性強(qiáng)、隨挖隨支、安全經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)。其工期一般比傳統(tǒng)法節(jié)省30-60d以上，工程造價(jià)低10%-30%，支護(hù)最大垂直坑深目前已達(dá)到21.5m，建成淤泥(局部雜填土)基坑深達(dá)10m。該方法不僅能有效地用于一般巖土深基坑工程支護(hù)，而且通常還采用一些其他輔助支護(hù)措施，能有效地用于支護(hù)流砂、淤泥、復(fù)雜填土、飽和土、軟土等不良地質(zhì)條件下的深基坑。此外，它還能快速、可靠、經(jīng)濟(jì)地對(duì)采用傳統(tǒng)法或改良法施作的將要或已經(jīng)失穩(wěn)的基坑進(jìn)行搶險(xiǎn)加固處理。
土釘支護(hù)似乎與加筋土和錨桿等擋土結(jié)構(gòu)一樣，然而土釘支護(hù)在結(jié)構(gòu)施工等方面與加筋土和錨桿有許多不同點(diǎn)。
首先，土釘支護(hù)與加筋土邊坡或擋墻不相同，主要表現(xiàn)在:施工方法不同。土釘支擴(kuò)從上到下分布進(jìn)行修建，邊開挖邊支護(hù)，充分利用原狀土的強(qiáng)度。加筋土結(jié)構(gòu)由下到上分層填土構(gòu)筑，填料可以選擇，密實(shí)度和強(qiáng)度可以控制;加筋體最大拉力的變化規(guī)律不同。在加筋土結(jié)構(gòu)中，一般處于下部的筋體受力最大。在土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)中，一般介于中部的土釘受力最大，上部和底部的土釘受力較小;變形性能不同。土釘支護(hù)最大位移發(fā)生在支護(hù)邊坡頂部或接近頂部，加筋土結(jié)構(gòu)的最大位移在底部。
其次，土釘支護(hù)與錨桿支護(hù)或擋墻也不相同，主要在于:各部分的受力和作用不同。錨桿支護(hù)或擋墻中的錨桿一般都有錨固段和自由段，利用滑動(dòng)面以外的錨固段提供抗力，設(shè)置錨桿一般要施加預(yù)應(yīng)力，自由段受到均勻的拉力作用，通過錨座傳遞到坡面的擋土構(gòu)件上，擋土構(gòu)件的剛度較大，主要通過受彎矩提供抗力，是主要的受力部件之一。土釘設(shè)置后一般不施加預(yù)拉力，只是在土體發(fā)生微小變形后才被動(dòng)受力，受力的大小沿土釘延長的分布不均勻，中間大兩邊小，所作用在面層上的力較小，噴射混凝土面層不是主要受力部件，其作用是穩(wěn)定開挖面上的局部土體，防止崩落和受到侵蝕;設(shè)置密度不同。在錨桿支護(hù)中，單位支護(hù)面積上設(shè)置的錨桿數(shù)量通常較少，對(duì)每根錨桿的施工精度和要求都十分嚴(yán)格。在土釘支護(hù)中，支護(hù)面上土釘排列得較密，對(duì)單個(gè)土釘?shù)腵施工精度和質(zhì)量要求相對(duì)較低;設(shè)計(jì)長度不同。在錨桿支護(hù)中，設(shè)計(jì)要求每根錨桿都要達(dá)到要求的抗力，所以錨桿的錨固段需要深入到穩(wěn)定的土層中，設(shè)計(jì)長度較長。在土釘支護(hù)中，土釘排列較密，數(shù)量眾多，與周圍土層共同作用，能夠保持加固區(qū)土體的自身的穩(wěn)定，并抵抗加固區(qū)以外的土壓力的作用，設(shè)計(jì)長度較短。當(dāng)然，錨桿有許多種類，也有不加預(yù)應(yīng)力、長度比一般的土釘還要短，但這種錨桿主要用于隧道或地下工程的噴錨支護(hù)上，長度比一般的土釘還要短，常用只有2-4m。
2土釘支護(hù)的構(gòu)造與施工
2.1土釘構(gòu)造
2.2.1結(jié)構(gòu)組成
土釘支護(hù)是以土釘作為主要受力構(gòu)件的邊坡支護(hù)技術(shù)，它由密集的土釘群、被加固的原位土體、噴射混凝土面層和必要的防水系統(tǒng)組成。
2.1.2結(jié)構(gòu)材料
鋼材:鋼筋的種類、型號(hào)及尺寸規(guī)格應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求，宜采用H級(jí)或工H級(jí)鋼筋，鋼筋購進(jìn)后應(yīng)妥善保管，防止銹蝕，制作時(shí)應(yīng)調(diào)直、除銹、除油，應(yīng)進(jìn)行物理力學(xué)性能或化學(xué)成份分析試驗(yàn)，焊接用的鋼材，應(yīng)作可焊性和焊接質(zhì)量的試驗(yàn)檢測(cè)其焊接強(qiáng)度應(yīng)大于材料整體強(qiáng)度;
水泥:采用普通硅酸鹽水泥，標(biāo)號(hào)P032.5，必要時(shí)采用抗硫酸水泥，不得使用高鋁水泥。水泥應(yīng)符合現(xiàn)行水泥標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定要求，必須有制造廠的試驗(yàn)報(bào)告單、質(zhì)量檢驗(yàn)單、出廠證等證明文件，并按其品種、標(biāo)號(hào)、試驗(yàn)編號(hào)等進(jìn)行檢查驗(yàn)收并取樣檢驗(yàn)，按檢驗(yàn)結(jié)果合理使用。袋裝水泥在儲(chǔ)運(yùn)時(shí)應(yīng)妥善保管、防雨、防潮，堆放在距離地面一定高度的堆架上，嚴(yán)禁拋摔和損壞包裝袋，嚴(yán)禁使用受潮或不同標(biāo)號(hào)品種混雜的水泥。
骨料:石料和砂料(瓜子片、中細(xì)砂)應(yīng)有檢驗(yàn)報(bào)告單，石料的檢驗(yàn)方法和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)按JGJ53-92，砂料的檢驗(yàn)方法和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)按JGJ52-92。粒徑小于2mm的中砂，砂的含泥量按重量計(jì)不大于3%，粒徑小于12mm碎石或瓜子片，含泥量按重量計(jì)不大于3%。
拌合用水:水中不含有影響水泥正常凝結(jié)硬化的有害雜質(zhì)，不得含油脂、糖類及游離酸等;污水、PH值小于4的酸性水和含硫酸根離子超過水重1%的水均不得使用;使用自來水或清潔的天然水作拌合用水，可免作試驗(yàn)。
速凝劑:所用速凝劑為J85、711或紅星1號(hào)，應(yīng)有專人負(fù)責(zé)掌握，添加重量為水泥重量的3%，噴射時(shí)由機(jī)器自動(dòng)添加。
焊條:采用THJ422。
混凝土配合比:噴射混凝土的配合比除應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度外，還應(yīng)滿足施工工藝要求，配合比為1:0.4:2:2(水泥:水:砂:瓜子片)，瓜子片的最大直徑不大于12mm.
注漿配合比:一次注漿采用1:1水泥砂漿，二次注漿采用水灰比為0.5的純水泥漿，水泥砂漿與水泥純漿必須攪拌均勻，一次拌和的漿必須在初凝前(一般為2h)用完。
早強(qiáng)減水劑:根據(jù)工程性質(zhì)，采用不同類型的早強(qiáng)劑，常用紅星四號(hào)、3F、NC、NNOF、NS2-1等。
2.1.3土釘及鋼筋網(wǎng)制作
土釘制作尺寸允許偏差:長度±100mm，彎曲度<L%;土釘鋼筋應(yīng)每隔2-3M設(shè)置一道定位支架，確保土釘鋼筋保護(hù)層厚度不小于20MM;土釘安放質(zhì)量要求:土釘安放前需綁扎PVC注漿管，注漿管比土釘鋼筋短50-100MM，每隔3M用鐵絲扎一道。土釘安放時(shí)嚴(yán)禁攪動(dòng)孔壁，土釘端頭孔外徑預(yù)留部分需按圖紙尺寸;
鋼筋制作要求:鋼筋使用前應(yīng)調(diào)直并清除污垢，鋼筋網(wǎng)宜在噴射一層混凝土后鋪設(shè)，鋼筋與坡面的間隙不宜小于20mm，鋼筋網(wǎng)宜采用綁扎，鋼筋網(wǎng)與土釘應(yīng)連接牢固，鋼筋網(wǎng)外側(cè)宜用加強(qiáng)筋固定在土釘上。 2.1.4排水系統(tǒng)
土釘支護(hù)宜在排除地下水的條件下進(jìn)行施工，應(yīng)采取恰當(dāng)?shù)呐潘胧ǖ乇砼潘�、支護(hù)內(nèi)部排水以及基坑排水，以避免土體處于飽和狀態(tài)并減輕作用于面層上的靜水壓力。
基坑四周支護(hù)范圍內(nèi)的地表應(yīng)加修整，構(gòu)筑排水溝和水泥砂漿或混凝土地面防水地表降水向地下滲透�？拷悠马攲�2-4m的地面應(yīng)適當(dāng)墊高，并且里高外低，便于徑流遠(yuǎn)離邊坡。在支護(hù)面層背部應(yīng)插入長度為400-600mm，直徑不小于40mm的水平排水管，其外端伸出支護(hù)面層，間距可為1.5-2m，以便將噴射混凝土面層后的積水排出。為了排除積聚在基坑內(nèi)的滲水和雨水，應(yīng)在坑底設(shè)置300mm×300mm排水溝，通至600mm×600mm×600mm集水坑。排水溝應(yīng)離開邊壁0.5-1m，排水溝及集水坑宜用磚砌并用砂漿抹面以防止?jié)B漏，坑中積水應(yīng)及時(shí)抽出。
2.2土釘支護(hù)施工組織
為了確保土釘支護(hù)施工的質(zhì)量和進(jìn)度，現(xiàn)場設(shè)立由三名人員組成的工程技術(shù)組:一名總負(fù)責(zé)人，一名工程技術(shù)負(fù)責(zé)人，一名質(zhì)量安全負(fù)責(zé)人。
現(xiàn)場設(shè)四個(gè)作業(yè)班:
一班:土釘加工、焊接、制作鋼筋掛網(wǎng);
二班:專門機(jī)械成孔班;
三班:注漿。自孔內(nèi)注入一次水泥砂漿，在PVC管內(nèi)作二次注漿;
四班:噴射混凝土班;
各班組做到分工不分家，必須互相配合，精心施工。
工藝流程詳見圖2。
3復(fù)合土釘支護(hù)受力機(jī)理
3.1復(fù)合土釘受力機(jī)理
在土釘支護(hù)體系中，土釘是重要的受力構(gòu)件，土釘?shù)淖饔脤⒆饔糜诿鎸踊蛩嗤翗渡系乃�、土壓力，通過土釘與土體的磨阻力傳遞到穩(wěn)定的地層中去，類似于土層錨桿;通過密而短的土釘將支護(hù)后土體的變形約束起來，形成由土體、注漿體及土釘組成的復(fù)合土體，復(fù)合土體類似于重力式壩受力。這種作用類似于加筋土擋支護(hù);不管用什么形式施工的土釘(鉆孔法、打入法和頂入法)，土釘通道都是注漿孔，該注漿不僅形成了土釘擋墻與地層之間的摩擦帶，同時(shí)以劈裂、滲透及壓密注漿的形式加固了支護(hù)后土體，這種作用類似于壓密注漿機(jī)理。
3.2土釘?shù)氖芰^程
量測(cè)表明，土釘?shù)氖芰^程可分為三個(gè)階段:
第一階段:土釘安設(shè)的初期，完成注漿但注漿體與土層之間的粘結(jié)尚未形成，這時(shí)該土釘基本不受力。
第二階段:注漿體將土釘粘結(jié)于地層中，隨著開挖深度的增加，土釘逐漸產(chǎn)生拉力，并將拉力集中在與面層粘結(jié)的部位，這時(shí)內(nèi)力分布類似于無自由變形段的土層錨桿靠近面層處拉力最大，往后逐漸減小。
第三階段:開挖足夠深度，土釘?shù)拇蟛糠萏幱诨逊秶畠?nèi)。這時(shí)土釘內(nèi)力表現(xiàn)為中間部位(近滑裂面)最大，兩端最小。力的分布類似于加筋土擋墻中的拉筋。
4結(jié)束語
土釘支護(hù)技術(shù)能有效調(diào)用土體自身的強(qiáng)度和自身的穩(wěn)定性，是提高巖土工程穩(wěn)定性和解決復(fù)雜巖土工程穩(wěn)定問題最經(jīng)濟(jì)最有效的之一。盡管土釘支護(hù)技術(shù)從設(shè)計(jì)計(jì)算理論到施工工藝，尚有若干探討改進(jìn)和完善處;盡管理論落后于實(shí)踐的情況十分突出，尚需編制可供遵循的設(shè)計(jì)、施工規(guī)范;盡管許多專業(yè)設(shè)計(jì)、建設(shè)及管理工程技術(shù)人員仍處在邊實(shí)踐邊學(xué)習(xí)階段，但伴隨著良好社會(huì)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)體制的發(fā)展，土釘支護(hù)技術(shù)以其顯著的造價(jià)、經(jīng)濟(jì)、施工工藝等方面的優(yōu)點(diǎn)，除廣泛的應(yīng)用于一般土層和軟土支護(hù)外，還將大量地運(yùn)用于流砂、復(fù)雜填土、強(qiáng)膨脹土和砂礫等不良土層中，那些待解決的問題也必將在廣大工作者的努力中為人們探知!
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