土钉支护技术以其独特的技术经济性能，在深基坑支护工程中广泛应用，取得了良好经济效益，但其对地层条件的依赖性很大。自20世纪90年代发展起来的复合土钉支护技术将传统土钉墙与深层搅拌桩、旋喷桩、各种微型桩、钢管土钉及预应力锚杆等结合起来，根据具体工程条件形成多种组合弥补了一般土钉墙的许多缺陷和使用限制，大大扩展了土钉技术的应用范围。以前被视为土钉应用禁区的高水位软土地层中，现在广泛采用复合土钉作为基坑支护手段。文中以郑州市纬五路某基坑工程为例，对深层搅拌桩＋土钉的复合土钉支护的设计计算方法进行了较为深入的分析。

 

 

　　（一）场地环境

 

　　拟建工程位于郑州市纬五路，包括2幢28层的住宅楼、1幢4层的办公楼以及地下车库，基坑深度为自然地坪向下约6.40m。

 

　　场地地貌单元属黄河冲积平原，地形平坦。拟建工程基坑周边环境比较复杂，东侧距已建大厦约6.00m，南侧已建办公楼约8.50m，西侧在基坑外侧为2层临建职工宿舍、北侧距已建住宅楼约15.00m。

 

　　（二）地质情况

 

　　根据钻探揭露、原位测试及土工试验资料，按其成因类型、岩性及工程地质特性现将在基坑支护和降水影响范围内的工程地质单元层描述如下：

 

　　场地地层分布及其主要物理性质指标

 

　　拟建场地的稳定水位一般位地表小2.00～2.50m左右。勘察期间在丰水期，近年最高水位可按现地表下1.50m考虑。场地内浅部地基土的岩性多以粉土、粉质粘土为主，属弱透水层。根据岩土工程勘察报告，建场地上部土层的综合的渗透系数取K＝0.5m/d。

 

　　二、基坑支护方案选择

 

　　根据调查了解和收集的区域资料，目前郑州地区采用的支护形式主要有：悬臂桩支护结构、桩锚支护结构、重力式挡土墙支护结构及土钉支护结构等。基坑拟采用轻型井点和深井相结合的联合降水方式，可不考虑降水对支护结构的影响。

 

　　上述各类支护结构均有成功的先例，若以施工难易程度及工程造价等综合考虑，其中以重力式挡土墙和土钉支护较为经济合理。但是根据有关规范要求重力式挡土墙的宽度不宜小于基坑深度的0.6倍，本工程挡土墙宽度需5m多，而周边场地狭窄，无施工空间，故不宜采用。而土钉支护技术在本区域已比较成熟，其施工工艺简便，采用人工洛阳铲成孔技术工艺简单，无噪音、无施工污水污染等环境危害，是比较理想的施工方案。但完全采用普通土钉支护技术不能起到挡水作用，因此，决定普通土钉＋深层搅拌桩的复合土钉形式。

 

 

　　（一）内部整体稳定性验算

 

　　复合型土钉墙设计中，整体稳定性分析是一个控制性环节，其重点在于分步计算每一开挖阶段的稳定性。一般某一层开挖完毕而该层土钉尚未施工的情况为最不利工况。

 

　　1.普通土钉支护。土钉支护结构应根据施工期间不同开挖深度及基坑底面以下可能滑动面采用圆弧滑动简单条分法按下式进行整体稳定性验算：

 

　　，

 

　　式中：KS为土钉墙整体稳定安全系数；ci为土体的粘聚力(kPa)；φi为土体的内摩擦角(°)；Li为土条滑动面弧长(m)；Wi为土条重量(kN)；TNj为土钉的极限抗拉力(kN)；S为土钉的水平间距(m)；θi为滑动面某处切线与水平面之间的夹角(°)；αi为土钉与水平面之间的夹角(°)；ξ为折减系数，根据经验取0.5。

 

　　2.止水型复合土钉。复合土钉墙的整体稳定性分析也采用圆弧滑裂面计算，计算中考虑止水帷幕、微型桩、预应力锚杆等的作用，其计算公式为

 

　　，

 

　　式中：Kp为复合土钉墙整体稳定安全系数；τs为搅拌桩，微型桩的抗剪强度设计值(kPa)；As为搅拌桩，微型桩的面积(m2)；SL为搅拌桩、微型桩的间距(m)；ζ为组合折减系数，取值0.5～1.0；其余符号同前。

 

　　对于施工阶段不同开挖深度和使用阶段不同位置分别计算，保证各个阶段各个位置的安全系数均满足设计的要求，容许的安全系数可根据工程性质和安全等级在1.2～1.5之间选取。

 

　　（二）外部整体稳定性验算

 

　　根据重力式挡墙的方法分别计算简化挡土墙的抗滑稳定性、抗倾覆稳定性和墙底部土的承载能力。计算时纵向取一个单元，即一个土钉的水平间距进行计算。土钉支护结构抗滑安全系数KH＝1.62，抗倾覆安全系数KQ＝4.33，承载力安全系数KC＝1.45，支护外部稳定性满足要求。

 

　　（三）方案布置

 

　　采用单排水泥土搅拌桩墙止水帷幕（500mm厚，咬合180mm，空喷1.50m，有效桩长10.00m）＋土钉支护，第一排土钉竖向间距为1.40m，水平间距为1.40m，长度为6.00m；第二、三、四排土钉竖向间距分别为1.40m、1.30m、1.30m，水平间距均为1.20m，长度分别为7.00m、6.00m、5.00m。设计土钉直径均为为￠100mm，采用￠18Ⅱ级钢筋，边坡倾角均为90度，土钉倾角均为10度。

 

 

　　（一）支护施工技术要点

 

　　1.基坑开挖前预先设置深层搅拌桩止水帷幕，桩体达到一定强度后开挖。

 

　　2.根据场地的工程地质条件，采用合适的施工工艺流程：挖土→清坡→成孔→置入筋体→注浆→挂网→喷射砼面层→设置排水系统→下一步开挖。

 

　　3.严禁超挖，严格控制开挖步。基坑深度大，土体开挖时地面影响范围大，坡角部位应力集中明显，超挖易出现坡角失稳而导致基坑滑坡或地面沉陷。要严格控制开挖步，挖土紧密配合土钉施工。除第一步开挖2.0m深外，其他每步开挖深度不大于相应土钉间距，水平段长度每步不大于20m。

 

　　4.降水防渗，及时支护。在开挖支护施工中，采取轻型井点结合深井联合降水，每天观测降水深度，确保地下水位在坑底下0.5m；所有开挖工作面均在开挖当夜当天完成，做到开挖一片，支护一片，随开挖随支护。

 

　　（二）信息化管理

 

　　该基坑于2006年3～6月完成基坑开挖和支护工作。施工期间进行了较全面的工程监测，包括基坑周边水平位移，坡顶和邻近道路的沉降观测，地下水位观测。根据监测结果，至2006年6月底，基坑周边位移多数点在30mm以下，少数点达到50～60mm；沉降值多数点在30mm范围内。坡体位移观测西侧由于下水道被堵，基坑外部土体严重蓄水致使基坑发生较大位移，位移值45～58mm；南侧一废弃下水管道与基坑连通，业主和地质报告均为反映此问题，基坑开挖到设计标高时，由于积水水压力增大，致使帷幕发生裂缝漏水，发生较大位移，位移值在54～63mm之间，出现险情后及时加设斜支撑，封堵废弃下水管道，险情未继续发展。总之，基坑稳定情况良好。监测也发现，在暴雨以及基坑外部积水时对边坡部分测点位移有明显影响。

 

 

　　经过几年的理论研究和工程实践，止水型复合土钉墙技术有了充分的发展，对它们的适用条件、设计计算方法和构造型式有了深入研究。止水型复合土钉支护技术在郑东新区的成功应用丰富了郑州地区深基坑围护结构设计和施工的方法，为深基坑土钉支护设计与施工提供了较高的参考价值，必将产生良好的社会效益和经济效益。