随着我国城市建设的发展，建筑物越来越密集，基坑开挖深度不断加大，地下水位较浅地区的基坑降水深度不断增加，对基坑支护和降水工程的要求也更加严格。然而在工程实践中，敞开式基坑降水经常引起周围建筑、道路沉降，造成环境破坏，引起纠纷，止水型复合土钉墙就是在这种情况下发展起来的。

 

 

　　止水型复合土钉墙是常规土钉墙、预应力锚杆、止水帷幕三种支护体系相互结合的产物，常用的结构型式有止水帷幕+常规土钉墙和止水帷幕+常规土钉墙+预应力锚杆。

 

　　1.1止水帷幕

 

　　一般情况下，高水位地区的基坑支护均设置止水帷幕。止水帷幕起止水和加固支护面的双重作用。

 

　　止水帷幕一般采用相互搭接的深层搅拌桩或高压旋喷桩，伸入基坑底部2～3m，并需要穿过强透水层，进入不透水层1～2m。

 

　　复合土钉墙中的止水帷幕，除止水功能外，还有加固地层和稳定开挖面的作用，所以对搅拌桩或旋喷桩的强度有一定要求，其水泥掺量也比常规搅拌桩或旋喷桩高，并常选用早强型水泥品种，桩身强度一般可达到1～3MPa。

 

　　1.2土钉

 

　　在复合土钉墙中，除使用传统的钻孔注浆型土钉外，常采用新型的打入注浆型钢管土钉，以解决在砂层或软土中土钉成孔问题和成孔穿透止水帷幕时的漏水问题。土钉长度一般为6～12m，间距1～2m，其他构造及连接与普通土钉墙相同[1]。

 

　　1.3预应力锚杆

 

　　在复合土钉墙的中部设置1～3排预应力锚杆，对土钉墙施加初始背拉力，可大大减少土钉墙的位移，提高工程的安全度，满足不同工程的需要。预应力锚杆可采用钢绞线预应力锚索和钢筋预应力锚杆，也可采用钢管预应力锚杆。锚杆锚头必须与喷射混凝土面层连接可靠，可设置承压板和喷射混凝土连梁，保证足够的强度和刚度，将锚固力有效地传递到面层和土层中。复合土钉墙中预应力锚杆与桩锚体系中的预应力锚杆有所不同。设计荷载不宜过大。一般宜小于300kN。

 

 

　　挡土挡水复合型土钉墙支护的设计计算，包括帷幕体的设计、整体稳定性分析及抗拔力验算等内容。

 

　　2.1帷幕体的设计

 

　　常见的止水帷幕类型有幕帘式和落底式两种。幕帘式帷幕是指帷幕墙的墙底未进入相对隔水层中，即帷幕墙未完全封闭、隔断区域内赋水

 

　　层；落底式帷幕与之相反，即帷幕墙底巳进入相对隔水层中，完全封闭了区域内赋水层，使外界水源无法向该区域补给。

 

　　不论止水帷幕呈“悬吊”形式未插入相对不透水层，还是能够插入相对不透水层，止水帷幕深度t都应按下式进行管涌验算：

 

　　?t?(k•h′γw-γ′h′)2γ′(1)

 

　　式中：k为系数，k≥1.5～2.0；γ′为土体的浮重度；γ?w为水的重度；h′为水头差。若t?值小于1.50m，应取1.50m。

 

　　2.2整体稳定性分析

 

　　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整体稳定性分析验算的基本方法为简化的圆弧滑动分析法

 

　　式中：k?g为土钉墙整体稳定安全系数；λ?0为基坑侧壁重要性系数；c?i为土体的粘聚力?(kPa)；???i为土体的内摩擦角(°)；L?i?为土条滑动面弧长(m)；?w?i?为土条重量(kN)；?q?0为第i条土体上部超载；b?i为第i分条宽度；T?Nj?为土钉在圆弧滑裂面外锚固体与土体的极限抗拉力(kN)；?S?为土钉的水平间距(m)；?θ?i为滑动面某处切线与水平面之间的夹角(°)；α?i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；d?nj为第j根土钉锚固体直径；q?sik为土钉穿越第i?层土土体与锚固体极限摩阻力标准值，应由现场试验确定如无试验，可查《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-99)；?l?ni为第j根土钉在圆弧滑裂面外穿越第i层稳定土体内的长度。

 

　　②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的作用，其计算公式为：

 

　　式中：K?p为复合土钉墙整体稳定安全系数，ι?g?为搅拌桩的抗剪强度设计值(kPa)；?A?g?为搅拌桩的面积(m2)；?S?L为?搅拌桩、微型桩的间距(m)；?S?M?为预应力锚杆的水平间距(m)；?ζ为组合折减系数，取0.5～1.0；?为折减系数，根据预应力水平在0.5～1.0之间选取。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应分别计算。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。

 

　　③复合土钉墙中土钉(锚杆)抗拔力验算与土钉墙相同，即

 

　　?K?Bj=T?Xj?cos?α?ie?njS?XS?Y(4)

 

　　式中：K?Bj为第j个土钉(锚杆)抗拔力安全系数，取1.5～2.0，对临时性土钉墙工程取小值，永久性工程取大值；T?Xj为第j?个土钉(锚杆)破裂面外土体提供的有效抗拉能力标准值(KN)，?α?i为土钉(锚杆)与水平面之间的夹角；S?x，S?y为土钉(锚杆)平均水平(垂直)间距?(m)；?e?nj为主动土压力强度?(kPa)。

 

　　2.3止水型复合土钉墙的变形计算

 

　　复合土钉墙的变形计算目前尚无解析方法，一般采取数值方法或经验类比法进行估算。

 

　　比较常用的数值方法为弹性模型及非线性弹性模型有限元等。较好的方法是结合现场实测资料，利用数值方法进行反分析，以提高数值方法预测的精度。常用的计算软件为?FI3D?ac、Piaxis8.2等?。

 

　　经验类比法也是比较常用的方法，水泥土桩作为止水帷幕超前支护的土钉挡墙，墙后的地表沉陷比较小，一般为0.3%的开挖深度，且沉降槽靠近开挖面的水泥土桩沉陷非常小，通常为几毫米，最大沉陷位置距开挖面0.5～1.0H，沉降量为30～50mm，约为0.3～0.5%H。沉降槽宽度，即沉陷影响范围为1.0～2.0H。

 

　　墙体位移和地表沉降都是随开挖逐步发展的。量测表明：每开挖一层(约1.0m深)，会引起1～8mm的沉陷和位移，沉陷、位移的大小取决于开挖深度、土层及施工工艺等因素[4]。

 

 

　　深基坑工程设计不仅要保证支护体系的稳定，而且要满足变形控制的要求。复合土钉墙的变形控制技术是融设计与施工于一体的综合性措施，既包括设计措施，又包括配套的施工工艺。

 

　　3.1设计措施

 

　　(1)帷幕体系起着超前“衬砌”屏障的作用，可以适当增加帷幕体的刚度和强度，减少开挖应力释放引起的位移。

 

　　(2)用自钻式锚杆取代土钉，由于自钻式锚杆将钻孔、压力注浆及预应力锚杆张拉三者结合，不会引起水土流失，且能很方便地施加预应力，以限制沉降和位移。

 

　　(3)预应力锚杆一般用于对基坑变形需严格控制的场合，立面上宜布置在边坡中上部，平面上锚杆布置以“长而疏”为原则。

 

　　(4)按注浆加固地基的要求足量注浆，改善边坡土体的力学特性。

 

　　3.2基坑支护时空效应和信息化施工

 

　　考虑基坑开挖的空间效应以及饱和软弱地层变形的时间因素，应严格制订分层、分块、对称、限时开挖和及时支护的科学施工程序，尽可能减少基坑暴露时间，要求土方开挖和基坑支护紧密协调，杜绝超挖现象。

 

　　根据现场监控反馈信息，合理确定施工进度，调整工序等。在施工中，应根据现场监控量测情况，及时调整修改原设计及施工进度。对于开挖面，需严格分层分段开挖，随挖随支；同一层开挖面的支护施工，可划分为间隔断开的施工段，每两个施工段之间预留平衡土体。结合现场监控措施，建立严格科学的施工程序，可较好地控制地层位移。

 

 

　　4.1工程概况

 

　　拟福建省漳州市漳浦县富丽山庄19号楼建筑工程为例，该楼地下一层，地上24层，基坑深度为自然地坪向下3.9m～5.2m。

 

　　4.2周围环境及地质条件

 

　　场地地貌单元属冲洪积Ⅱ级阶地，地势略有起伏。拟建工程基坑周边环境如下：东侧距已建住宅最近距离6.15m，且6.15m范围内有已建工程独立基础、埋地雨污水管及高压线等，其下部还有地下暗河，宽约5m，深约5.2m；南侧、西侧为沿街市政路；北侧距已建住宅楼约11.4m。地质环境总体较好，仅东侧局部比较复杂。

 

　　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，将东侧局部基坑支护和降水影响范围内的工程地质单元层描述。

 

　　层号名称厚度(m)天然重度?γ?(kN/m3)粘聚力?C?(kPa)粘聚力?φ(°)?

 

　　①回填土3.4018.01510.0

 

　　②粘土8.1019.31333.5

 

　　③砾砂1.1022.015

 

　　④…………………………

 

　　拟建场地的稳定水位距地表下2.5m～3.7m，近年最高水位可按现地表下2.50m考虑。场地内浅部地基土的岩性多以五年以上的回填土、粘土为主，属弱透水层。根据岩土工程勘察报告，场地上部土层的综合渗透系数K取3.25m/d。

 

　　4.3东侧有暗河处支护方案

 

　　考虑到靠已建住宅一侧地下有暗埋高压管线，雨污水管线，且有暗河通过，是该项目最复杂区域，故设计采用单排旋喷桩墙止水帷幕+注浆锚管的复合支护方案。旋喷桩桩径500mm，桩与桩间相互搭接不小于100mm，有效桩长6.00m；第一排注浆锚管竖向间距为1.50m，水平间距为1.00m，长度为4.00m，倾角20°；第二、三排注浆锚管竖向间距分别为1.30m、1.20m，水平间距均为1.50m，长度分别为4.00m、6.00m，倾角分别为20°和15°；锚管直径均为φ48，边坡倾角均为80°。(见图3)。

 

　　4.4施工与监测情况

 

　　该基坑于2008年9～10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和地下水位观测。根据监测结果，至2008年11月底，基坑周边位移多数点在30mm以下，少数点达到40～50mm；沉降值多数点在30mm范围内。由于下水道即暗河被堵，经东观测侧坡体位移情况，基坑外部土体严重蓄水致使基坑发生较大位移，位移值40～50mm；同时监测也发现，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。本工程由于采用了止水型复合土钉墙支护技术，达到了即满足基坑支护的目的，又满足止水要求，同时，施工快捷，经济效益明显。

 

 

　　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也进行了深入研究。大量工程应用表明，在地质条件较复杂的地方，止水型复合土钉墙具有传统土钉墙无法比拟的优点。止水型复合土钉墙扩展了土钉墙技术的应用范围，已成为基坑开挖支护中很有竞争力的技术手段。