粗顆粒土層組合中的超深基坑復(fù)合土釘墻支護(hù)的合理性分析及探討

劉 伍，趙云峰，鄭小體，李向虎，李海明

（北京市地質(zhì)工程設(shè)計(jì)研究院，北京 101500）

0 引言

根據(jù)有關(guān)規(guī)范及工程實(shí)踐，單一土釘墻支護(hù)形式主要應(yīng)用于基坑深度小于10m的情況，當(dāng)基坑深度超過10m，通常采用復(fù)合土釘墻支護(hù)，但對于基坑深度接近或超過15m時，仍采用一般的復(fù)合土釘墻支護(hù)，就存在較大的技術(shù)難度及安全風(fēng)險(xiǎn)。尤其對于以粗顆粒地層組合為主的超深基坑，因其土層基本不具有黏聚力，這就造成在基坑開挖過程中，土體側(cè)壁的穩(wěn)定性較差，給基坑支護(hù)設(shè)計(jì)帶來極大難度，也給施工帶來極大風(fēng)險(xiǎn)。

目前，在北京地區(qū)，已有不少的超深基坑采用復(fù)合土釘墻支護(hù)的實(shí)例，有成功，也有失敗，需要不斷進(jìn)行總結(jié)、完善。

筆者以北京世界之花工程為例，進(jìn)行相關(guān)介紹及論述。

1 工程概況

場地位置：本場地位于大興區(qū)德賢路西側(cè)，久敬莊路南側(cè)。

擬建物基本特征：建筑控制高度≤50m，建筑地上14層，地下2層，地下室埋深14.7m。

基坑周邊環(huán)境條件：擬設(shè)計(jì)基坑北側(cè)壁上口線距北側(cè)久敬莊路6～26m（西寬東窄，漸變），其它三側(cè)基坑上口線以外15m之內(nèi)均無已有地面建筑及地下管線等。

地形地貌：擬建場地地貌單元位于涼水河沖積扇中上部，地形基本平坦，現(xiàn)地面標(biāo)高34.88～40.80m。

地層情況參見圖1。

地下水條件：2012年6月勘探時揭露一層地下水，為潛水類型，靜止水位埋深32.00～36.70m，絕對標(biāo)高2.58～3.45m。對本基坑開挖、支護(hù)無影響。

2 復(fù)合土釘墻支護(hù)設(shè)計(jì)概要

2.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)條件

基坑深度14.70m，根據(jù)基坑周邊條件，和地層組合及地下水條件，可采用“預(yù)應(yīng)力復(fù)合土釘墻支護(hù)”。從土釘墻支護(hù)的潛力方面來講，本基坑的深度已屬于超深基坑的深度，再加上開挖支護(hù)深度內(nèi)的地層組合是以淺部填土、其下為粗顆粒土組合為主，已充分表明本基坑的支護(hù)設(shè)計(jì)難度及施工風(fēng)險(xiǎn)極大，需要引起高度重視。

該基坑側(cè)壁安全等級判定為二級，重要性系數(shù)取1.0，距基坑上口線≥2.5m的地面允許載荷≤20kPa，作用寬度15m，基坑支護(hù)工程設(shè)計(jì)使用年限1年。

圖1 場地北邊界土層簡化剖面圖

2.2 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)

本文僅對基坑北側(cè)壁支護(hù)方案進(jìn)行介紹、討論。

基坑北側(cè)壁全長約302m，自上而下設(shè)置土釘及預(yù)應(yīng)力錨索共計(jì)10道，其中第2、4、6、8道為預(yù)應(yīng)力錨索，其余各道均為土釘，土釘為成孔灌注釘，梅花形布置，水平間距為1.5m。

參見圖2、圖3、表1、照片1。

圖2 基坑北側(cè)壁復(fù)合土釘墻支護(hù)平面位置關(guān)系圖

表1 基坑北側(cè)壁復(fù)合土釘墻設(shè)計(jì)參數(shù)統(tǒng)計(jì)簡表

圖3 基坑北側(cè)壁復(fù)合土釘墻支護(hù)設(shè)計(jì)剖面圖

照片1 竣工后基坑北側(cè)壁復(fù)合土釘墻坡面

3 土釘、錨索受力測試及變形監(jiān)測

3.1 土釘拉力測試儀器布設(shè)

（1）儀器設(shè)備

本工程土釘拉筋直徑22mm、25mm。

本工程采用HC-1300系列鋼筋應(yīng)力計(jì)，鋼筋應(yīng)力計(jì)最大拉伸量程為200Mpa，拉伸分辨率≤0.05（%F·S）。

（2）鋼筋計(jì)布設(shè)

于基坑北壁自西向東選2個剖面（1-1剖、2-2剖），每剖6根土釘，共計(jì)12根。分別為第1道土釘、第3道土釘、第5道土釘、第7道土釘、第9道土釘、第10道土釘，沿拉筋布設(shè)鋼筋計(jì)，間距1.5～2.0m。在實(shí)際工作中，1-1剖面中的第3道土釘鋼筋計(jì)未來得及布設(shè)（圖4、圖5）。

圖4 鋼筋應(yīng)力計(jì)埋設(shè)位置設(shè)計(jì)圖（1-1剖）

圖5 鋼筋應(yīng)力計(jì)埋設(shè)位置實(shí)施圖（1-1剖）

3.2 土釘拉力測試結(jié)果及分析

3.2.1土釘拉力實(shí)測值時程分析

根據(jù)“土釘拉力實(shí)測值時程曲線”（圖6），土釘?shù)氖芰^程呈現(xiàn)明顯的階段性：土釘從“成孔、鋼筋置入、注水泥漿 → 水泥漿養(yǎng)護(hù) → 基坑再次下挖、土釘受力”，此過程重復(fù)進(jìn)行，最終完成基坑的開挖與支護(hù)工作。

從時程曲線中可以看到如下規(guī)律：基坑在每一步下挖時，基坑側(cè)壁土體側(cè)壓力突然釋放，土釘受力驟然增加。顯然，每道土釘水泥漿體是否充盈、飽滿、養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度是否達(dá)到要求，非常重要?？梢?，土方每步下挖與土釘每步施工之間的協(xié)調(diào)配合非常重要，水泥漿體養(yǎng)護(hù)不足時，土方不得下挖。

圖6 土釘拉力實(shí)測值時程曲線（1-1剖面）

3.2.2土釘最大拉力及其作用位置分析

根據(jù)基坑挖至14.70m時的“土釘拉力實(shí)測值沿土釘長度分布曲線”（圖7），可以看到如下規(guī)律：

圖7 土釘拉力實(shí)測值沿土釘長度分布曲線（1-1剖面）

（1）第1道、5道、7道土釘受力規(guī)律基本一致，即，每道土釘自基坑側(cè)壁向土體內(nèi)部，土釘受力由小變大，到達(dá)峰值后，逐漸變小，在土釘末端受力較小，甚至不受力。底部的土釘（第9道、10道）未呈現(xiàn)這種規(guī)律，參見圖7。

（2）第1道、5道、7道、9道、10道土釘?shù)目傮w受力大小，自上而下總體上呈現(xiàn)：“上下小，中間大”的分布規(guī)律，與理論受力模型一致。參見圖6、圖7。

（3）土釘最大拉力點(diǎn)及其作用位置

將第1道、5道、7道土釘受力最大點(diǎn)連線（圖8、圖9），并向下、向上延伸，此線就是實(shí)測的最危險(xiǎn)滑動面位置，其與理論計(jì)算預(yù)測滑動面基本重合，只是頂部寬度變小，底部沒有到達(dá)墻根，而是在其上方提前滑出，表現(xiàn)為實(shí)測滑動土體小于理論預(yù)測的滑動土體，支護(hù)結(jié)構(gòu)比預(yù)期的要堅(jiān)固、穩(wěn)定。

圖8 土釘鋼筋最大拉力作用點(diǎn)位置沿深度分布圖（1-1剖）

圖9 土釘鋼筋最大拉力值沿深度分布圖（1-1剖面）

3.3 錨索軸力測試

3.3.1錨索軸力計(jì)布設(shè)

（1）儀器設(shè)備

本工程采用HC-1400型振弦式錨索測力計(jì)進(jìn)行錨桿軸力量測。

測量范圍 （kN） 1000kN

最小讀數(shù) K （kN/F） ＜0.4

允許超量程 20%F.S

（2）在錨頭與墊板之間安裝軸力計(jì)，每道錨索安裝1個軸力計(jì)；

（3）測定方法及數(shù)量，在基坑北壁1-1剖及2-2剖位置，4道錨索，2個剖面，共計(jì)8個軸力計(jì)。在安裝前，采集振弦式軸力計(jì)初始數(shù)據(jù)。并根據(jù)施工進(jìn)度，對軸力計(jì)的數(shù)值進(jìn)行采集。

3.3.2 錨索軸力測試結(jié)果及分析

為防止錨索張拉鎖定不足，特在錨索端部對面層強(qiáng)度進(jìn)行加強(qiáng)（圖10）。根據(jù)“錨索軸力計(jì)拉力實(shí)測值時程曲線（圖11），可以看到如下規(guī)律：

（1）每道錨索在張拉鎖定后，會出現(xiàn)快速松弛現(xiàn)象，明顯小于初始張拉的150kpa。因工期較緊，面層養(yǎng)護(hù)僅4～5天，就強(qiáng)行張拉，面層強(qiáng)度不夠，未采取加大張拉初始值以保證鎖定值措施，也未進(jìn)行隨后的補(bǔ)張拉。

（2）隨基坑向下開挖，1-4#道、2-6#道前段增加趨勢顯著，1-6#道、2-2#道呈緩慢增加趨勢，反映出錨索的作用隨挖深在逐步得以發(fā)揮。

（3）隨基坑向下開挖，1-8#道、2-8#道實(shí)測值基本處于平穩(wěn)狀態(tài)，這與其距槽底較近有關(guān)。

（4）異?，F(xiàn)象：1-2#道實(shí)測值一直在緩慢減小，經(jīng)證實(shí)，此道錨索在張拉鎖定時有失效跡象；1-4#道軸力計(jì)在11月3日前，測試結(jié)果正常，11月3日突降暴雨，此后測試數(shù)據(jù)異常，顯示本道錨索基本失效，可能與雨水再次沿坑外側(cè)附近新挖填的臨水暗埋管線下滲浸潤坡體有關(guān)；2-6#道軸力計(jì)導(dǎo)線在槽深13.5m時被掉塊砸壞，無后續(xù)數(shù)據(jù)。

圖10 復(fù)合土釘墻腰梁部位面層配筋大樣圖

圖11 錨索軸力計(jì)拉力實(shí)測值時程曲線（1-1剖面；2-2剖面）

3.4 坡頂水平位移監(jiān)測結(jié)果及分析

3.4.1 監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)

基坑北側(cè)壁全長約302m，坡頂布設(shè)水平位移監(jiān)測點(diǎn)14個，編號B1～B14，基坑側(cè)壁安全等級確定為二級，準(zhǔn)許最大水平位移58mm（按基坑深度14.7m×4‰），變化速率≤6mm/d。參見圖12。

3.4.2 監(jiān)測變形結(jié)果

11月14日，基坑開挖至基底后，又經(jīng)20天持續(xù)監(jiān)測，基坑北側(cè)坡頂水平位移監(jiān)測值基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。監(jiān)測結(jié)果表現(xiàn)為：

圖12 基坑北側(cè)壁復(fù)合土釘墻坡頂變形監(jiān)測點(diǎn)布置圖

北坡西段（監(jiān)測點(diǎn)B1～B7）坡頂水平位移較小，變形值5～11mm。

北坡中段（監(jiān)測點(diǎn)B8～B9）坡頂水平位移增加至24mm，B9點(diǎn)出現(xiàn)變形正值。

北坡東段（監(jiān)測點(diǎn)B10～B14）變形較大，變形值27～85mm。

參見圖13、圖14。

圖13 基坑北側(cè)壁挖至基底穩(wěn)定后坡頂各監(jiān)測點(diǎn)水平變形圖

圖14 基坑北側(cè)壁坡頂水平位移實(shí)測值時程曲線

3.4.3 監(jiān)測變形結(jié)果分析

北坡西段（監(jiān)測點(diǎn)B1—B7）：坡頂距北側(cè)久敬莊路約19～27m，超過基坑1倍開挖深度，坡頂外側(cè)無堆載，顯示基坑在挖深14.7m，且無荷載狀態(tài)下坡頂正常水平位移結(jié)果，位移5～11mm。

北坡中段（監(jiān)測點(diǎn)B8—B9）：坡頂距北側(cè)久敬莊路約16～19m，恰為基坑1倍開挖深度，坡頂外側(cè)無堆載，此段坡頂變形理應(yīng)與西段相近，實(shí)際卻不然，此部位實(shí)測值突然增加至24mm（監(jiān)測點(diǎn)B8）。

北坡東段（監(jiān)測點(diǎn)B10—B14）：坡頂距北側(cè)久敬莊路約6～13m，坡頂外側(cè)無堆載，但其北側(cè)公路是本場地運(yùn)土的主要道路。

監(jiān)測點(diǎn)B10—B13坡頂水平位移最終穩(wěn)定值為60～85mm，已超過規(guī)范準(zhǔn)許的58mm（基坑深度14.7m×4‰），基坑變形主要發(fā)生在開挖至深度4.0m之前，此前位移已達(dá)到50～79mm，并一直穩(wěn)定到下挖至基底深度，隨后，坡頂位移僅增加10mm左右。經(jīng)初步分析，這最后增加的10mm位移可能與運(yùn)土車量距坡頂較近有關(guān)。監(jiān)測點(diǎn)B14距東端頭約10m，最終水平位移穩(wěn)定值27mm，其雖距北側(cè)運(yùn)土道路僅6m，但其恰處于與東邊坡構(gòu)成的陰角附近，對抗變形有利。

3.4.4 坡頂水平變形異常值分析

（1）暴雨沿臨水管線溝槽下滲

沿基坑北坡坡頂外側(cè)，總包單位新挖埋一條臨水管線，未進(jìn)行正?；靥顗簩?shí)，地面形成了一條低洼溝槽，此溝槽東端距基坑上口線約2m，在監(jiān)測點(diǎn)B8附近距基坑上口線約13m，向西逐漸遠(yuǎn)離基坑上口線，參見圖12。8月31日晚間突降暴雨，雨水沿坡頂外側(cè)的臨水管線溝槽大量匯水下滲，對北坡中段（監(jiān)測點(diǎn)B8、B9）、東段（監(jiān)測點(diǎn)B10—B13）坡頂變形影響極大，而對西段（監(jiān)測點(diǎn)B1—B7）坡頂變形影響不明顯。在基坑挖至基底前，未對坡頂外側(cè)地面進(jìn)行硬化。

（2）薄弱地段未及時采用拉錨措施

受淺部雜填土大量硬塊影響，土釘成孔困難，第1道土釘開孔位由地面下1.2m下移至1.6m，且對其未采取沿坡面向外拉錨措施，中段具備拉錨條件，東段坡頂外側(cè)地面寬度較小，基本不具備拉錨條件；9月2 日，基坑深度4.0m，第2道土釘尚未施工，第1道錨索施工后，尚未張拉。此時，邊坡變形已趨于失控狀態(tài)。

（3）暴雨下滲與未及時拉錨兩種情況疊加

北坡中段B8—B9監(jiān)測點(diǎn)：暴雨下滲造成B8點(diǎn)附近的槽底側(cè)壁滲水、流砂，坡面滲水長度達(dá)30m，并引起1-1剖中的1-2#錨索張拉鎖定失效。參見照片2。

B9點(diǎn)變形顯示正值，主要是距馬道口較近所致。

北坡東段B10—B13監(jiān)測點(diǎn)：坡頂水平變形值在9月2日突發(fā)變形至50～79mm，主要與8月31日晚間降暴雨下滲、坑深4m時僅有1道土釘發(fā)揮作用有關(guān)。

照片2 監(jiān)測點(diǎn)B8附近槽底側(cè)壁滲水、流沙

3.4.5 坡頂水平變形合理值分析

北坡西段：通過北坡西段變形監(jiān)測結(jié)果可知，在坡頂外側(cè)無外荷載情況下，本基坑邊坡坡頂最大水平變形實(shí)測值5～11mm，遠(yuǎn)小于規(guī)范準(zhǔn)許的58mm（基坑深度14.7m×4‰）。

北坡東段：坡頂水平變形正常值應(yīng)大于B14監(jiān)測點(diǎn)的27mm，遠(yuǎn)小于B10～B13監(jiān)測點(diǎn)的60～85mm，推測北坡東段坡頂變形正常值 ＜40mm較合理，小于規(guī)范準(zhǔn)許的58mm（基坑深度14.7m×4‰）。

4 對本基坑支護(hù)設(shè)計(jì)、施工工作的評價(jià)

通過本次對土釘鋼筋拉力測試、對錨索軸力測試及對基坑坡頂水平變形監(jiān)測，更加清楚地認(rèn)識到本復(fù)合土釘墻的實(shí)際受力狀態(tài)及變形結(jié)果，很容易的看清本次基坑支護(hù)設(shè)計(jì)及施工的成功與不足有以下幾點(diǎn)：

（1）從基坑支護(hù)設(shè)計(jì)角度來講，本基坑在整體受力上是安全的，遠(yuǎn)沒有達(dá)到極限狀態(tài)，儲備較大；

（2）在基坑側(cè)壁坡頂水平變形方面，正常變形值很小，遠(yuǎn)離公路區(qū)段僅5～11mm，緊鄰公路區(qū)段變形最大值 ＜40mm，均小于規(guī)范準(zhǔn)許的最大值58mm；

（3）基坑開挖、支護(hù)過程中，對基坑周邊環(huán)境防范及控制不利，造成暴雨沿新挖埋的臨水管線溝槽匯水下滲浸潤邊坡土體，導(dǎo)致錨索張拉失效，給邊坡變形控制帶來極大危害。此外第1道土釘開孔位下移較大，且未采取地面拉錨等有效措施，加劇了邊坡變形；

（4）綜上所述，本基坑支護(hù)設(shè)計(jì)成果達(dá)到了科學(xué)、合理、經(jīng)濟(jì)、可行，提供了一個在粗顆粒地層組合中的超深基坑復(fù)合土釘墻支護(hù)設(shè)計(jì)成功實(shí)例，但施工過程風(fēng)險(xiǎn)控制不到位，需要今后避免、改進(jìn)。

5 結(jié)論

通過對本工程監(jiān)測成果的分析及論述，對超深基坑采用復(fù)合土釘墻支護(hù)形式有了更深入的認(rèn)識，主要總結(jié)如下：

（1）必須科學(xué)、謹(jǐn)慎的對待超深基坑采用復(fù)合土釘墻支護(hù)的適用條件，不可盲目冒險(xiǎn)。

（2）基坑深度越大，越需加強(qiáng)面層強(qiáng)度（如，加強(qiáng)面層厚度、加大配筋量、設(shè)縱橫構(gòu)造梁柱等）、加大錨索控制水平變形的效果（如，適當(dāng)加大錨索長度、增加錨索道數(shù)等），但須與其它支護(hù)結(jié)構(gòu)類型在控制變形能力、造價(jià)、工期等方面的比選。

（3）嚴(yán)格控制坑外條件及時硬化地面，防止雨水下滲侵潤坡體；管控取水點(diǎn)，防止水體大量滲漏；監(jiān)控污水管道，防止破裂滲漏；監(jiān)督新挖埋地下管線的回填質(zhì)量，須達(dá)到密實(shí)回填；管控地面各種超載不得大于設(shè)計(jì)荷載等。

（4）淺部遇較厚雜填土、舊基礎(chǔ)等障礙物，無法成孔，需孔位下移較大時，須及時采取地面拉錨等有效補(bǔ)救措施，控制邊坡淺部變形。

（5）根據(jù)土釘墻受力規(guī)律，須合理布設(shè)土釘及錨索既要滿足受力要求，又要滿足穩(wěn)定性及變形要求，充分體現(xiàn)復(fù)合土釘墻在安全及經(jīng)濟(jì)方面的巨大潛力。

（6）錨索在張拉鎖定后常會出現(xiàn)松弛現(xiàn)象，主要因素有：①鎖定時鎖片的滑移影響；②相鄰錨索張拉鎖定影響；③錨位附近土體蠕變影響；④腰梁及面層強(qiáng)度不足影響等。當(dāng)在鎖定后48小時內(nèi)，錨索拉力低于設(shè)計(jì)鎖定值的90%時，應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)張拉鎖定，否則，錨索對坡體面層變形控制將會大大削弱，甚至消失。

（7）對以粉土—粘性土為主或變形要求較嚴(yán)格的邊坡，錨索注漿宜采用二次高壓注漿工藝。

[1]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. 建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程(JGJ 120-2012)[S]. 2012.

[2]北京市建設(shè)委員會，北京市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局. 建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程(DB11/489-2007)[S]. 2008.

[3]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，國家質(zhì)量檢驗(yàn)檢疫監(jiān)督局. 復(fù)合土釘墻基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)范(GB 50739-2011)[S]. 2012.

[4]秦俊生，熊宗喜，王忠柱，等. 北京亞奧國際廣場深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力監(jiān)測及分析研究[J]. 探礦工程(巖土鉆掘工程)，2006(12)： 18～22.

[5]任新見，張勝民，李世民. 土層錨桿應(yīng)力損失原因分析與補(bǔ)償對策研究[J]. 預(yù)應(yīng)力技術(shù)，2008，69(4)：24～27.

[6]姚 剛，劉曉綱，韓 森. 超深基坑復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)原位實(shí)驗(yàn)研究[J]. 土木工程學(xué)報(bào)， 2006，3(1)：92～96.