專利名稱：疏排樁-土釘墻組合支護方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及建筑施工中的基礎(chǔ)工程及邊坡加固支護工程，尤其是涉及一種疏排樁-土釘墻組合支護方法。

背景技術(shù)：
目前建筑基礎(chǔ)工程的施工一般采用土釘墻，土釘墻與其它支護技術(shù)相比，優(yōu)點體現(xiàn)在工期短，工程造價低；施工設(shè)備輕便，場地適應(yīng)性強；有較好的延性，破壞發(fā)展期較長。但其有明顯的局限性，主要在于較其它形式位移較大，且無法合理估算；軟弱土層坑底存在隆起、管涌及滲流問題。
目前被廣泛應(yīng)用的復(fù)合土釘墻的主要型式有土釘與錨桿、止水帷幕(攪拌樁等)、微形樁等兩項或多項組合或復(fù)合，計算模式主要為擋土墻理論。通過受力分析可發(fā)現(xiàn)錨桿、攪拌樁、微型樁等一定程度上解決了土釘墻位移過大、土釘墻支護深度上的限制等難點，對面層的加固效果明顯。但由于其剛度不足，抗剪能力較弱，還不能更好的發(fā)揮深層被動土的作用，對支護體系整體穩(wěn)定性貢獻幅度有限，對于提高復(fù)合土釘墻支護的基坑開挖深度及穩(wěn)定性考慮較少，控制及估算土釘墻位移幅度還有較大的限制。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種可以控制土釘墻位移的疏排樁-土釘墻組合支護方法。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是 提供一種疏排樁-土釘墻組合支護方法，該方法開挖與支護的施工順序為 a、按照一定的樁徑與樁徑比施工疏排樁，所述的樁為拱腳樁； b、采用攪拌樁或旋噴樁等工法施工樁間止水帷幕進行止水； c、土方分層開挖進行土釘墻施工； d、遇到樁上支撐或錨桿時進行樁上支撐或錨桿施工； e、施工梁或支撐立柱； f、支撐養(yǎng)護或錨桿張拉； g、分層開挖進行土釘噴砼施工； h、循環(huán)步驟b-g施工到坑底。
上述技術(shù)方案的進一步改進在于 所述的樁徑大于等于300毫米。
所述的樁徑比大于等于2。
所述的樁包括挖孔樁、鉆孔樁、樹根樁、砼管樁、鋼管樁等。
所述的支撐養(yǎng)護或錨桿張拉可以根據(jù)工況在施工下一層或幾層土釘后再進行。
本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明疏排樁-土釘墻支護結(jié)構(gòu)作用基本機理是通過灌注樁的超前支護作用，在早期開挖過程中控制土體變形并提高基坑穩(wěn)定性。因為土釘墻的位移主要發(fā)生在下層土方開挖后至下層土釘施工完成前這段時間，有樁的超前支護可以大大減少這部分的位移。此時由于灌注樁有較深的插入深度和較高的剛度和強度，加強了邊界約束，削弱了土體內(nèi)部的塑性變形。錨桿的設(shè)置更是強化了這種約束，限制了土體的位移發(fā)展。隨著開挖深度的加大，土釘與加固土體相互作用抵抗基坑破壞趨勢所產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變?；企w實際下滑以優(yōu)勢控制面最終形成為前提。優(yōu)勢滑移控制面產(chǎn)生初期，以地面出現(xiàn)滑移性裂縫為先導(dǎo)，并以一定的速率發(fā)展變化。采用具有足夠“縫合強度”的土釘逐次超前“縫合”優(yōu)勢滑移控制面，則此滑移面將不會萌生，或不致發(fā)展形成。如果基坑開挖深度過大，其滑裂面部分超過土釘墻寬度范圍時，土釘對整體的穩(wěn)定作用相對變小，錨桿便發(fā)揮其更大作用，與樁構(gòu)成樁錨支護擋土體系。因此可以有效維持基坑及邊坡穩(wěn)定、控制基坑及邊坡位移。



圖1為疏排樁-土釘墻支護結(jié)構(gòu)平面圖； 圖2為疏排樁-土釘墻支護結(jié)構(gòu)剖面圖； 圖3a滑弧在樁底以下； 圖3b滑弧過樁底； 圖3c滑弧在樁身； 圖4為整體穩(wěn)定性計算示意圖； 圖5樁抗力力矩計算； 圖6樁后土體分區(qū)圖； 圖7a噴錨支護土壓力； 圖7b組合支護土壓力； 圖8a局部穩(wěn)定性計算模型； 圖8b整體穩(wěn)定性計算模型； 圖9拱形結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算； 圖10基坑支護平面圖； 圖11側(cè)斜曲線與樁錨支護位移曲線比較。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步描述
具體實施例方式 本發(fā)明疏排樁-土釘墻組合支護方法，該方法開挖與支護的施工順序為 a、按照一定的樁徑與樁徑比施工疏排樁1，所述的樁1為拱腳樁； b、采用攪拌樁或旋噴樁等工法施工樁間止水帷幕2進行止水； c、土方分層開挖進行土釘墻3施工； d、遇到樁上支撐4或錨桿5時進行樁上支撐4或錨桿5施工； e、施工梁或支撐立柱6； f、支撐4養(yǎng)護或錨桿5張拉； g、分層開挖進行土釘7噴砼施工； h、循環(huán)步驟b-g施工到坑底。
圖1、圖2為施工后的結(jié)構(gòu)圖。
其中樁徑大于等于300毫米，樁徑比大于等于2。樁徑比是指樁的間距與樁的直徑的比。這些數(shù)據(jù)可以與地層、周邊環(huán)境、基坑開挖深度及土釘墻支護參數(shù)等因素有關(guān)，須綜合考慮，經(jīng)計算確定。
樁1包括挖孔樁、鉆孔樁、樹根樁、砼管樁、鋼管樁等，包括樁束及樁組合變形體，主要是提供土拱支撐與彎矩。
支撐養(yǎng)護或錨桿6張拉可以根據(jù)工況在施工下一層或幾層土釘后現(xiàn)再進行。
下面對本發(fā)明的疏排樁-土釘墻組合支護結(jié)構(gòu)進行理論分析，以說明該結(jié)構(gòu)可以有效控制土釘墻位移 一、考慮樁的抗滑作用的整體穩(wěn)定性分析 對于土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析，通常采用圓弧破裂面滑動法。疏排樁-土釘墻支護結(jié)構(gòu)與普通邊坡計算的主要不同之處在于當滑弧過錨桿與樁時，它們將提供抗滑力矩和抗拉力矩。
(1)圓弧破壞模式 簡單土坡的圓弧破裂面形態(tài)一般為坡腳圓。但對于疏排樁-土釘墻支護結(jié)構(gòu)，由于抗滑樁的存在，圓弧破裂面與支護體的關(guān)系可分為下面兩種切樁滑弧和過樁底滑弧。當錨桿較長，樁有一定的插入深度時，最危險滑弧過樁底，形成樁底弧。此時穩(wěn)定性分析受樁長影響，但最終計算結(jié)果不涉及樁的抗滑作用。
當土釘較短，樁插入深度較大且嵌入性質(zhì)較好土層時，最危險滑弧過樁身，形成過樁弧，此時穩(wěn)定性計算不僅涉及錨桿的抗滑作用，還涉及樁的抗滑作用。
樁身不破壞，樁底發(fā)生一定的位移，樁前部分土體連同樁后部分土體產(chǎn)生滑移破壞。假設(shè)樁前土體破裂仍為圓弧且與樁后土體破裂面具有相同圓心，即形成樁身雙弧破裂面。疏排樁-土釘墻支護結(jié)構(gòu)圓弧破壞模式示意圖見圖3a、3b、3c。
(2)錨桿及土釘?shù)睦Υ_定 可按規(guī)范方法確定，取土釘或錨桿的抗拔力，公式為 T＝TkSm/cosα(1) T-錨桿設(shè)計軸向拉力值(kN)，Tk-單位寬度水平力標準值(kN/m)，Sm-錨桿的水平方向間距(m)，α-錨桿向下傾角(°)。
(3)樁的抗滑力矩計算 當采用冶金部《建筑基坑工程技術(shù)規(guī)范》的由下式確定 式中Mp-每延米中的樁產(chǎn)生的抗滑力矩，kNm/m，αi-樁與滑弧切點至圓心邊線與垂線的夾角，Mc-每根樁身的抗彎彎矩，kNm/單樁；hi-切樁滑弧面至坡面的深度，m；γ-hi范圍內(nèi)土的重度，kN/m3；Kp、Ka-土的被動與主動土壓力系數(shù)；d-樁徑，m；Δd-兩樁間凈間距，m；圖4為整體穩(wěn)定性計算，圖5為樁抗力力矩計算。
(4)疏排樁-土釘墻支護結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性計算 支護結(jié)構(gòu)內(nèi)部穩(wěn)定性以邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)來評價。
Fs＝Mp/Ms(3) 綜合錨桿與樁的抗滑力矩，可得到疏排樁-土釘墻支護穩(wěn)定安全系數(shù) 式中Wi，Qi-土條i的自重和地面荷載，αi-土條i的圓弧破裂面切線與水平面夾角，Δi-土條i寬度，Cj，φj-土條i圓弧破裂面所在土層的粘聚力與內(nèi)摩擦角，Tk-第k排錨桿提供的拉力，Shk-第k排錨桿水平間距，βk-第k排錨桿軸線與該破壞面切線之間的夾角，φj-第k排錨桿滑弧破裂面處土層的內(nèi)摩擦角，ξ-為抗力發(fā)揮系數(shù)。
二、考慮土拱作用時的整體穩(wěn)定性分析 疏排樁-土釘墻支護結(jié)構(gòu)中的樁的類型、樁距與樁徑比等參數(shù)確定與地層、周邊環(huán)境、基坑開挖深度及土釘墻支護參數(shù)等因素有關(guān)，須綜合考慮，經(jīng)計算確定。
在基坑土壓力作用下，剛性樁變形較小，樁間土釘墻變形相對較大，即剛?cè)峤M合擋土結(jié)構(gòu)向基坑方向產(chǎn)生不同的位移，基坑支護的土體也產(chǎn)生不同的位移，位移大的土體與位移小的土體之間引起剪應(yīng)力，產(chǎn)生土拱作用。位移較大的土體土壓力減小、而位移較小的土體土壓力增大，基坑側(cè)壁土壓力出現(xiàn)不均勻分布，故柔性擋土結(jié)構(gòu)的作用力減小，其強度雖低，卻能滿足要求，剛性樁作用力增大，可充分發(fā)揮剛性樁強度高的特點。
(1)模型假定土壓力重新分布的大小是相當復(fù)雜的，與土體性質(zhì)、開挖深度、剛、柔擋土結(jié)構(gòu)變形相對大小等因素有關(guān)。這里假定 ①土釘墻為擋土墻模型來分析，支護樁相當于拱腳樁； ②設(shè)定樁的變形相對于樁間土很小，樁間土拱與樁是鉸接或固接； ③樁后土體豎直向滑動面為圓弧形，樁間土體水平向滑移面也呈圓弧形面； ④水平向拱形內(nèi)截面假定為圓弧形面，豎直向為斜向平面； ⑤土壓力以三角形朗肯土壓力計算。
(2)性狀分析由于樁間土拱的作用，改變了主動土壓力滑移面的形狀。根據(jù)滑移面及拱的傳力路徑可將樁后土體分為V個區(qū)，如圖6I-自由區(qū)、II-拱區(qū)、III-樁間滑移區(qū)、IV-樁后滑移區(qū)、V-穩(wěn)定區(qū)。
I區(qū)土體為拱內(nèi)的自由脫落土體區(qū)域，利用土釘噴錨結(jié)構(gòu)錨固到背后穩(wěn)定土體上；II區(qū)為形成土拱區(qū)域，暫按圓弧形狀考慮，根據(jù)前蘇聯(lián)學(xué)者普羅托季亞科諾夫的普氏平衡拱理論，樁間土形成的土拱拱高與圍壓計算公式如下 式中fk為巖土堅固系數(shù)或稱普氏系數(shù)，其理論計算公式為

σ＝γhK0；γ為巖土容重，K0為靜止土壓力系數(shù)。
III區(qū)為主動區(qū)破裂內(nèi)與土拱結(jié)構(gòu)之間的滑移土體，此部分土體壓力經(jīng)拱形結(jié)構(gòu)的軸力傳到拱腳樁上；IV區(qū)為樁后滑移土體，未受拱結(jié)構(gòu)的影響，直接作用在樁錨體系上；V區(qū)為穩(wěn)定土體。
三、墻后土壓力傳遞及重分布 密排樁錨或土釘墻支護的土壓力為按朗肯主動土壓力沿基坑線均勻分布，記為Ea(ea)；疏排樁-土釘墻支護結(jié)構(gòu)墻后土壓力由于土拱作用引起了重分布，I區(qū)土體產(chǎn)生的土壓力由噴錨結(jié)構(gòu)體承擔，此部分由于拱的傳遞作用轉(zhuǎn)移了拱外的土體側(cè)壓力，因此比原土釘墻支護承受的土壓力要小，記為E1(e1)；拱II及拱外滑移土體III土壓力通過土拱的作用而轉(zhuǎn)移到拱腳抗滑樁上，記為E2(e2)；樁后土體IV區(qū)直接作用在樁上E3(e3)，其中e3值等于ea。樁錨結(jié)構(gòu)體承受土壓力為E2+E3。實際上，由于土釘體對土體的加固作用及土壓力在傳遞中的損失，記為ΔE，ΔE＜Ea-(E1+E2+E3)。重分布后土壓力參見圖7a、圖7b。
根據(jù)以上分析，作用于疏排樁上的土壓力有別于朗肯主動土壓力，Ito和Matsui曾利用土的塑性理論建立了位于邊坡中的排樁邊坡滑動時的極限側(cè)向土壓力，并進行了驗證。本文將其成果應(yīng)用于土釘支護中疏排樁的抗滑效應(yīng)分析，其計算式為其值相當于(E2+E3)。


式中


式中D，B分別為疏排樁的直徑及凈距；c，為地基土的抗剪強度指標；r為地基土的重度。
四、考慮土拱作用時的變形特性分析 根據(jù)以上土壓力的重分布的分析可知，樁間土體受土釘墻支護體約束，作用其上的主動土壓力比朗肯主動土壓力小，發(fā)生的側(cè)移與沉降主要是在土拱形成前發(fā)生。土拱形成后，隨著基坑開挖，新增土壓力會通過土拱傳遞到樁體上，此時發(fā)生的位移主要是土拱隨樁錨體系側(cè)移而產(chǎn)生的位移和土拱的壓密與變形的大小。
疏排樁-土釘墻支護結(jié)構(gòu)中的樁錨體受到樁后土體的朗肯主動土壓力E3和樁間土傳遞過來的側(cè)向土壓力E2。此部分比密排樁所受土壓力要大，比疏排樁按排樁考慮所受的土壓力要小，可通過加大樁徑、嵌固深度及錨桿力等樁錨體系而控制位移，維持其穩(wěn)定性。事實上，這部分力由土拱與樁錨構(gòu)成的組合體共同承擔，組合體的剛度、強度及抗彎矩比樁錨本身都有很大的提高，而且土拱具有空間效應(yīng)，還可以通過調(diào)整跨度或矢高和被動區(qū)土壓力來平衡。
綜上所述，疏排樁-土釘墻支護結(jié)構(gòu)不僅位移比土釘墻支護體系小得多，而且可以計算與預(yù)控。另外，由于拱形結(jié)構(gòu)具有空間效應(yīng)，是一種自立能力較強的圍護結(jié)構(gòu)，即使在插入深度較小坑底土質(zhì)較差的情況下，只要能保證圍護結(jié)構(gòu)不發(fā)生整體失穩(wěn)和隆起破壞，樁錨拱形結(jié)構(gòu)也不會出現(xiàn)踢腳的情況。
五、考慮土拱作用時的整體穩(wěn)定性分析 通過傳力及支護體受力分析，穩(wěn)定性分析包括樁間土在E1作用下的內(nèi)部穩(wěn)定性分析、土拱強度局部穩(wěn)定性分析和樁與土拱聯(lián)合變形體的整體穩(wěn)定性分析。
(1)樁間土內(nèi)部穩(wěn)定性分析 所受土壓力為E1，滑移面為上部的拱形面與下部的傳統(tǒng)滑移面構(gòu)成?？砂礂l分法進行穩(wěn)定性分析。
從(7)可見，分子第一項及分母都比圓弧形滑動時小，而分子第二項由于滑裂面的內(nèi)移而變大，因此在土釘參數(shù)及土層參數(shù)不變時，穩(wěn)定系數(shù)要比無拱狀態(tài)時大得多。
(2)拱形結(jié)構(gòu)強度校核 按兩端固定的無鉸拱計算，計算圖示同見圖9。拱腳的水平推力與拱的矢跨比f/L有關(guān)，矢跨比越大，推力H越小。在等跨連續(xù)拱中，H互相平衡，而支反力V需要外力進行平衡。查表后可按下式[12]換算拱腳處拱壁的軸力和剪力。
N＝Vsinα+Hcosα(8) Q＝Vcosα-Hsinα(9) α＝arcos[(R-f)/R] (10) 求出拱腳處內(nèi)力后，必須驗算拱壁內(nèi)的應(yīng)力，使之不超過加固土的受壓強度容許值。一般說來，拱腳處內(nèi)力為最大，所以只驗算拱腳處斷面即可。
(3)樁與土拱聯(lián)合變形體的整體穩(wěn)定性計算 土壓力土釘墻滑移面以上考慮土拱作用，可按圖8a、8b與式(6)進行計算，滑移面以下可視為未發(fā)生位移，無土拱作用，接朗肯土壓力計算。變形體的剛度及抗彎矩可以按復(fù)合體進行換算。整體變形及內(nèi)力等可按規(guī)范樁錨支護模型采用“m”法進行計算。
實施例 廣州某工程擬建物為一幢30層的住宅樓，附設(shè)三層地下室。開挖深度約12米。場地內(nèi)主要土層為人工填土、沖積成因的粉質(zhì)粘土、殘積成因的粉質(zhì)粘土和基巖風(fēng)化層，地下水位較淺。各土層力學(xué)性質(zhì)參數(shù)為 采用疏排樁加噴錨支護方案，平面如圖10。
本工程進行了測斜監(jiān)測，其分布曲線見圖11。
具體分析 (1)對土壓力進行折減后，按專用軟件進行計算，樁間土局部穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.23，不考慮拱結(jié)構(gòu)時的安全系數(shù)為0.98。
(2)拱形結(jié)構(gòu)強度校核 滿足設(shè)計要求。
(3)整體穩(wěn)定性計算 對土壓力進行重新調(diào)整后，對于變形體利用樁錨支護體系進行計算后所得結(jié)果參見圖10 從計算結(jié)果可見，由于拱的作用，土釘墻局部穩(wěn)定性提高較大，從而提高了土釘墻支護深度；另外，由于拱腳樁錨體系決定了最終位移，使得支護體整體位移易計算且數(shù)值小，這從計算及監(jiān)測結(jié)果可初步驗證。
從圖11可看出，整體最大位移值計算與實測相比較吻合，a號點由于污水管破裂及砼泵機的震動影響，發(fā)生樁間土擠出引起的。樁錨本身未受影響，未發(fā)生整體破壞。
通過以上理論分析及實例驗證，可以認為 1、攪拌樁、微型樁及鋼管等超前支護對面層的加固效果明顯，但剛度不足，抗剪能力較弱，還不能更好的發(fā)揮深層被動土的作用，對于提高復(fù)合土釘墻支護的基坑開挖深度及穩(wěn)定性考慮較少，控制及估算土釘墻位移幅度還有較大的限制。復(fù)合支護結(jié)構(gòu)中的疏排樁-土釘墻支護體系會更有效的解決這兩個方面的局限性，它在經(jīng)濟性與適用性中取得了良好的平衡，是一種很有發(fā)展遠景的支護型式。
2、疏排樁-土釘墻支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析考慮拱時，可將疏排樁視為強支點，兩樁之間的土釘墻視為拱的變形體。整體穩(wěn)定可按樁錨體系計算，內(nèi)部穩(wěn)定性按土釘墻計算，局部穩(wěn)定性按拱的要求和模型計算。
3、由于拱的作用，土壓力發(fā)生了重分布，土釘墻部分土壓力部分傳遞到拱腳樁上，土壓力減小，拱及樁承受兩方面的壓力比密排樁的大。
4、計算及實測表明此結(jié)構(gòu)整體位移呈現(xiàn)樁錨結(jié)構(gòu)特征，且最大位移更小。因此，能有效減少基坑變形，增加基坑開挖深度。
5、此支護結(jié)構(gòu)是介于土釘墻與樁錨支護之間一種型式，有較好的經(jīng)濟性，施工工期也較短，有強的適用性。
6、按拱結(jié)構(gòu)來分析其穩(wěn)定性等理論方面須進行深入的研究，現(xiàn)場及實驗?zāi)M方面工作非常欠缺，國內(nèi)外少有涉及。利用有限元等分析方法，進行三維分析，以獲得樁間距、樁徑、錨索、土釘墻及土水性質(zhì)等方面對變形及穩(wěn)定性的影響及相互關(guān)系，通過較多的實測數(shù)據(jù)去驗證等方面的工作對該支護方式的應(yīng)用與推廣都有重要現(xiàn)實意義。
權(quán)利要求
1.一種疏排樁-土釘墻組合支護方法，其特征在于開挖與支護的施工順序為
a、按照一定的樁徑與樁徑比施工疏排樁，所述的樁為拱腳樁；
b、采用攪拌樁或旋噴樁等工法施工樁間止水帷幕進行止水；
c、土方分層開挖進行土釘墻施工；
d、遇到樁上支撐或錨桿時進行樁上支撐或錨桿施工；
e、施工梁或支撐立柱；
f、支撐養(yǎng)護或錨桿張拉；
g、分層開挖進行土釘噴砼施工；
h、循環(huán)步驟b-g施工到坑底。
2.如權(quán)利要求1所述的疏排樁-土釘墻組合支護方法，其特征在于所述的樁徑大于等于300毫米。
3.如權(quán)利要求1所述的疏排樁-土釘墻組合支護方法，其特征在于所述的樁徑比大于等于2。
4.如權(quán)利要求1所述的疏排樁-土釘墻組合支護方法，其特征在于所述的樁包括挖孔樁、鉆孔樁、樹根樁、砼管樁、鋼管樁等。
5.如權(quán)利要求1所述的疏排樁-土釘墻組合支護方法，其特征在于所述的支撐養(yǎng)護或錨桿張拉可以根據(jù)工況在施工下一層或幾層土釘后現(xiàn)再進行。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種疏排樁-土釘墻組合支護方法，其特征在于開挖與支護的施工順序為a.按照一定的樁間距和樁間距與樁徑比施工疏排樁，所述的樁為拱腳樁；b.采用攪拌樁或旋噴樁等工法施工樁間止水帷幕進行止水；c.土方分層開挖進行土釘墻施工；d.遇到樁上支撐或錨桿時進行樁上支撐或錨桿施工；e.施工梁或支撐立柱；f.支撐養(yǎng)護或錨桿張拉；g.分層開挖進行土釘噴砼施工；h.循環(huán)步驟b-g施工到坑底。用該方法施工的疏排樁-土釘墻組合支護結(jié)構(gòu)可以有效維持基坑及邊坡穩(wěn)定、控制基坑及邊坡位移。
文檔編號E02D5/00GK101126241SQ20061006215
公開日2008年2月20日 申請日期2006年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月15日
發(fā)明者吳忠誠 申請人:吳忠誠