土釘支護作用機理的試驗研究

土釘支護作用機理的試驗研究

1基坑支護機理土壤溶菌病的預(yù)防技術(shù)是一種經(jīng)濟可靠、快速、簡單的修復(fù)技術(shù)，在中國的深基坑挖掘和施工中得到了廣泛應(yīng)用。但對它的工作機理的研究還不夠完善,在國內(nèi)僅有少量的現(xiàn)場測試數(shù)據(jù),這對該技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展非常不利?；拥乃轿灰坪屯玲斃Φ攘W(xué)參數(shù)與巖土條件、基坑深度、分步開挖深度、支護參數(shù)、施工進度等諸多因素有關(guān)。本文通過一個較大規(guī)模的現(xiàn)場測試,總結(jié)給出它們在施工全過程中的一些變化規(guī)律,以期對研究土釘支護的作用機理、改進其設(shè)計與施工有所指導(dǎo)與幫助。2基坑開挖及支護形式珠江新城E2區(qū)商住樓位于廣州珠江新城西北部,建筑設(shè)計采取周邊式組合平面布局,8棟住宅塔樓環(huán)繞中心花園呈半圓形布置。與建筑設(shè)計相應(yīng),基坑的平面布置如圖1所示,最大基坑開挖深度為9.2m。建筑場地地貌單元為沖積平原地帶,場地原為耕地,大部分已填土整平,相對高差為1.25m。地層自上而下的組成為:第四系雜填土層(Qml),層厚0.3～0.9m;第四系耕植土層(Qpd),層厚0.3～0.9m;第四系沖積層(Qal),層厚2.20～5.50m;第四系殘積層(Qel),0.90～1.70m;以下為白堊系沉積巖(K)。在A-A斷面,粉質(zhì)粘土層底深度約為7.8m,以下為風(fēng)化巖。在B-B斷面,粉質(zhì)粘土層底深達11.3m,以下才為風(fēng)化巖。因此,基坑開挖主要涉及的土層為粉質(zhì)粘土和強風(fēng)化巖,其物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示。根據(jù)基坑周圍的環(huán)境和場地情況,基坑支護有放坡開挖和土釘支護兩種形式。土釘支護設(shè)計鉆孔直徑為130mm,孔內(nèi)注漿采用水灰比為0.5的水泥凈漿,要求注漿強度等級不低于20MPa,注漿壓力為0.5MPa。土釘端部用4根16加強筋上下左右焊接成井字形布置,并安裝200mm×200mm×20mm的鋼墊板,通過擰緊螺母對土釘施加少量預(yù)應(yīng)力。土釘支護分層分段開挖,設(shè)置上部3～4排土釘用洛陽鏟人工成孔,下部用地質(zhì)鉆或錨桿鉆機成孔。在施工中沒有采取降水措施,只是從上到下設(shè)置淺表排水管,把面層背后的水排走。3測斜管受力及土釘?shù)刃ЮΜF(xiàn)場測試選定基坑?xùn)|側(cè)A-A斷面和基坑南側(cè)B-B斷面。由于B-B斷面基坑頂面有人行隧道,沒有設(shè)置水平位移測孔的位置,故未做這項測試。A-A斷面的測試數(shù)據(jù)較為完整,因此主要介紹A-A斷面的測試情況及結(jié)果,該斷面位于基坑西區(qū)西側(cè),土釘支護的幾何參數(shù)如圖2(a)所示。在測試段布置2個測斜孔(見圖1)。測斜孔鉆孔直徑為110,孔深14m,測斜管采用內(nèi)徑43mm、外徑53mm、壁厚5mm的PVC硬塑料管。設(shè)置測斜管時,用水泥、砂子或細(xì)石填滿鉆孔和測斜管之間的縫隙,使測斜管與土體粘結(jié)牢固,一旦土體產(chǎn)生位移,帶動測斜管一起移動,使測斜管的變形能夠反映土體的實際位移。測斜孔孔深約為基坑深度的1.5倍,由于場區(qū)地層在9m左右時,已到風(fēng)化巖層,測斜孔的入巖深度達5m左右,可認(rèn)為測斜管已深入到變形影響深度以下。測試土釘拉力的傳感器布置方案如圖2(b)所示,測量導(dǎo)線從各測點引出,并沿著邊坡坡面匯集到坡頂?shù)募€箱內(nèi)。土釘?shù)闹星安夸摻钣嫴贾玫幂^密,后部布置得較疏,以便能夠測到土釘拉力的最大值和土釘端部的受力情況,較真實地反映土釘拉力的實際分布?；铀轿灰茰y試采用英國的GIMK4測斜儀,該儀器能自動記錄并存儲測試數(shù)據(jù),還可與計算機連接,顯示和輸出測試結(jié)果。測試土釘拉力為GJL-2型鋼弦式鋼筋計,測試儀器為GPC-1型鋼弦頻率測定儀。鋼筋計連桿的直徑為25mm。鋼弦式鋼筋計由傳感器、連桿、導(dǎo)線和插頭等部分組成。安裝過程為:按設(shè)計要求切斷土釘筋體,將連桿與主筋焊接在一起,通過螺絲將傳感器與連桿聯(lián)結(jié),沿筋體引出并固定好導(dǎo)線,作好防水處理,測取初讀數(shù)。一根測試土釘布置3～5個測點,需截成4～6段,然后再焊接在一起。制作時,要保證接頭的焊接質(zhì)量,使其強度不低于母材,還要保證每段鋼筋的順直度,使組裝后整條鋼筋順直。為了測得土釘?shù)牡刃Ю?在傳感器范圍內(nèi)用水泥袋和膠帶紙包裹,直徑約10cm,以削弱注漿體的斷面,使該斷面首先產(chǎn)生裂縫,土釘受到的拉力就全部傳到了鋼筋計上。土釘拉力的測試工作結(jié)合施工同步進行,基坑開挖與測試土釘設(shè)置的進度如圖3所示。4主要測試結(jié)果和分析4.1斜孔處水平位移隨施工日期的變化為測得水平位移的零點,測斜孔在基坑開挖前就預(yù)先布置好,并測得初始值。施工中每開挖一步都進行一次測量,測得2個測斜孔處不同深度的水平位移,隨施工日期的變化情況如圖4所示。沿深度各點的水平位移隨施工日期的延續(xù)而增加,基坑開挖完成后逐漸趨于穩(wěn)定;位移在基坑頂面最大,隨深度的增加逐漸減小,開挖面以下的土體也會受到影響而發(fā)生較小位移;最大水平位移與基坑深度的比值為2.8‰,未超過現(xiàn)有的一般實測數(shù)據(jù)3‰。4.2土釘?shù)拈_挖作用在施工階段,測得的A-A斷面4根土釘中各測點的拉力日程曲線(圖5)?；娱_挖完成后,開始進行工程樁的施工,基坑支護邊坡進入使用階段,繼續(xù)對土釘?shù)氖芰η闆r進行監(jiān)測,把使用階段測得的數(shù)值與基坑開挖完成后相對穩(wěn)定的測試值相減,得到各測點土釘拉力的增加(損失)值(圖6)。由圖5,6可見:土釘支護的受力隨施工日期的延續(xù)而變化。在施工階段,土釘從被置入邊坡土中開始所受的拉力每天都有增加,下層土體開挖對已設(shè)置的所有上層土釘?shù)氖芰休^大影響,各層土釘?shù)睦型蛔冊隽?即土釘?shù)氖芰哂虚_挖效應(yīng)。在使用階段,受力總體上趨于穩(wěn)定,但還是有一定的增加趨勢,尤其是下排土釘拉力增加的趨勢較為明顯。土釘?shù)拈_挖效應(yīng)要求一排土釘設(shè)置后應(yīng)停留一段時間,或使用早強劑,使注漿體達到一定強度并與周圍土體粘結(jié)牢固后,再進行下步開挖,這樣不但使土釘?shù)淖饔玫靡猿浞职l(fā)揮,而且保證土釘支護邊坡具有良好工作性能,并處于穩(wěn)定狀態(tài)。每根土釘?shù)睦Ψ植记闆r如圖7所示。土釘中拉力沿土釘延長呈中間大、兩端小的曲線分布,上排土釘位于土質(zhì)均勻的土層中,分布曲線較為均勻光滑,下排土釘位于土質(zhì)軟硬不均的土層中,分布曲線不光滑。由上所述,土釘支護的受力和變形都具有時間效應(yīng)。根據(jù)土力學(xué)的基本概念,土體是多相介質(zhì),基坑開挖卸載引起的超靜孔壓的消散與時間有關(guān),而土骨架又有蠕變性,這些因素都使得基坑開挖后土體應(yīng)力與變形具有時間效應(yīng),而土釘拉力和邊坡水平位移的變化是由土體應(yīng)力與變形引起的,因此土釘支護的受力和變形同樣也有時間效應(yīng)。所以土釘支護分層開挖后土釘?shù)脑O(shè)置愈快愈好,及時約束土體的變形。4.3土釘受力分析土釘最大拉力沿基坑深度的分布如圖8所示。土釘最大拉力出現(xiàn)在基坑的中部,上部和下部土釘?shù)氖芰^小。而最大水平位移發(fā)生在坡頂,隨基坑深度的增加而減少。因此,土釘受力并不是與水平位移大小成正比,而與基坑邊坡潛在的滑動趨勢有關(guān)。土釘最大拉力作用位置如圖9所示。B-B斷面土質(zhì)較為均勻,從定性上分析,B-B斷面最大拉力作用點連線兩端分別向上向下延伸后,與最危險滑動面較為接近或相似。A-A斷面最大拉力作用點連線的底端延伸線不通過坡腳,而通過第5排土釘端部附近,是由現(xiàn)場不均勻的巖土條件所造成的。因為在這一深度以下,土體為風(fēng)化巖層,土質(zhì)較為堅硬。由此可知,滑動面通過坡腳的假定并不適用于土層性質(zhì)差別較大的情形。5使用階段土釘拉力的變化通過上述現(xiàn)場測試和分析,對土釘支護的工作性能有了更全面的認(rèn)識,主要研究結(jié)論有:(1)水平位移隨施工日期的延續(xù)而增加,基坑開挖完成后逐漸趨于穩(wěn)定,位移在基坑頂面最大,隨深度的增加逐漸減小,開挖面以下的土體也會受到影響而發(fā)生較小位移。(2)在施工階段,土釘一安裝,土釘拉力就以緩慢的速率逐漸增加,開挖施工使土釘拉力產(chǎn)生突變。在使用階段,土釘拉力既有損失現(xiàn)象,也有增加現(xiàn)象。土釘拉力沿土釘延長呈曲線分布,最大拉力出現(xiàn)在中部,在兩側(cè)逐步遞減。最大拉力在基坑的中部最大,上、下部土釘受力較小。土釘受力并不是與水平位移大小成正比,而與基坑邊坡潛在的滑動趨勢有關(guān)。(3)土釘最大拉力作用點連線兩端分別向上向下延伸