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摘要: 本文首先采用现场监测方法,对基坑土钉支护过程中土钉轴力分布和变化情况进行监测与探讨;然后,辅助以数值模拟方法,进一步研究土钉加固机理,拟得到一些结论,供同行参考。
关键词:基坑;土钉;监测;数值
中图分类号：TU473
0前言
土钉可简单的由钢筋或钢管等构成,工作时促使荷载传递到土体中,即通常与周围土体接触,以群体作用与周围土体形成一个组合体,使被加固介质的物理性能得到一定改善并成为新的地质体;在土体发生变形的条件下,通过与土体接触界面上的粘结力或摩擦力,土钉被动受拉,并给土体以约束加固作用,两者之间的耦合作用涉及复杂的力学机理。
1工程概况
本工程基坑深11m,东西长约150m,南北宽约50m,整个基坑平面面积约7500m2。由于场地下覆岩层的埋深不一,基坑不同部位采用不同的支护结构体系。基坑北向采用土钉加桩锚组合支护形式,东向采用排桩支护形式,其它两面采用放坡开挖。喷锚支护结构体系用于建筑基坑工程,在沿海地区逐渐被采用。
1•1工程地质条件
场区工程地质勘察的C2号钻孔靠近测斜管所在位置,根据C2号钻孔揭露资料,可将场地内的岩(土)层划分为人工杂填土、沉积土、残积土及风化基岩共4层,各层分述如下:
(1)第四系
①人工填土:厚1•00m,呈杂灰色,松散,稍湿,以建筑垃圾、生活垃圾为主,含大量碎石块;②粉质粘土:厚3•00m,花红色,可塑,粘性较差,局部含石英质中粗砂;③粉质粘上:厚度3•20m,紫红色,硬塑,为含砾粉砂岩风化产物,岩石结构明显。
(2)基巖
④-1强风化粉砂岩:厚2•20m,紫红色,岩芯呈半岩半土状。裂隙较发育,强度低,用手可折断;④-2中风化粉砂岩:厚0•50m,紫红色,岩质较硬,岩芯成短柱状,裂隙不发育,强度较高,泥质胶结;
④-3微风化粉砂岩:厚1•95m,紫红色,岩质坚硬,强度高,岩芯呈柱状,节长4565cm,裂隙不发育。
1•2锚杆设计方案
喷锚支护段上、下共设计七道土钉,第一排土钉位于地面以下1•0m,其余土钉的水平间距与垂直间距均为1•5m,土钉向下倾角为20°。土钉选用Φ25mm的二级螺纹钢筋,设计极限抗拔力为120kN。各层土钉的设计长度自上而下分别为11m、11m、10m、9m、8m、7m、5m。土钉与坡面的钢筋网相互焊接。坡面钢筋网钢筋为Φ6mm,间距为@200mm×200mm。
2现场监测方案
在计算剖面上分别选取第二、第三、第四、第六排土钉测试内力,分别称第一试验土钉、第二试验土钉、第三试验土钉、第四试验土钉。在基坑开挖过程中,根据开挖深度或时间对埋设的钢筋计进行测试。测试用JXG-1型钢筋应力传感器(通常称钢筋计)作为一次接受元件,以SS-2B型数字式钢弦频率接收仪作为二次测读仪器。根据二次测读仪的测试频率与元件标定的频率曲线进行比较即得相应的内力。钢筋计按设计间距与土钉进行双面焊接。钢筋计的布置如下:
(1)第一试验土钉(即第二排土钉),土钉长11m,沿长度方向由外向内分别在2•5m、4•5m、6•5m、8•5m、10•5m处共布置5个钢筋计;
(2)第二试验土钉(即第三排土钉),土钉长10m,沿长度方向由外向内分别在1•5m、3•5m、5•5m、7•5m、9•5m处共布置5个钢筋计;
(3)第三试验土钉(即第四排土钉),土钉长9m,沿长度方向由外向内分别在2•5m、4•5m、6•5m、8•5m处共布置4个钢筋计;
(4)第四试验土钉(即第六排土钉),土钉长7m,沿长度方向由外向内分别在2•5m、4•5m、6•5m处共布置3个钢筋计。
3监测与计算结果
3•1监测结果
取喷锚支护段截面,在截面上选4根土钉布置钢筋计测试土钉的内力。各次测试时,基坑相应的施工状态为: 3月11日基坑开挖至5m左右, 3月31日开挖至7m, 4月29日开挖至9m, 5月15日开挖至10m左右。各元件不同阶段的内力测试结果如表1～表4所示。
从表1表4可以看出如下规律。
(1)土钉内力与基坑开挖深度关系: (a)在基坑开挖期内,土钉的最大内力随基坑开挖深度的增大而增大(第二根试验土钉除外),如第一试验土钉的最大内力由3月11日测得的6•53kN增大至4月29日测得的19•21kN;第二试验土钉的最大内力由3月11日测得的3•79kN增大至4月29日的11•35kN;第三试验土钉的最大内力由3月13日测得的20•69kN增大至4月29日的52•91kN;第四试验土钉的最大内力由安装几天后的87•23kN增大至5月21日的91•90kN; (b)在基坑开挖期内,第一试验土钉的最大内力最初出现在2•5m处的钢筋计上,随着开挖深度的增大,最大内力出现在6•5m处的钢筋计上(4•5m处的钢筋计安装后失效);第二试验土钉靠外的两个钢筋计在初期失效,但第二个钢筋计测试内力基本表现出同样的变化趋势;第三、四根试验土钉的最大内力出现在最外的钢筋计上; (c)虽然第二试验土钉未能测出在基坑开挖至底板设计标高时的最大内力,但从前几次的测试结果及其它几根土钉的测试结果看,均表现出最大内力值自上而下逐渐增大的规律。
(2)土钉内力沿深度分布情况: (a)第一试验土钉最深处的元件、第二试验土钉在7•5m、9•5m处的元件始终受力不大;第三试验土钉8•5m处的元件受力也一直较小。这说明相应部位的锚固力未能得到较好的发挥; (b)第一试验土钉主要位于可塑状态的粉质粘土中,其内力沿整个钉长呈现先增大后减小的趋势;第二、三、四试验土钉主要位于较好的岩土层内,其内力大致沿钉长逐渐减小。
(3)土钉内力与时间关系:第一、二试验土钉在开挖期内及开挖后,内力增大幅度较小,个别元件甚至表现出减少,第三、四试验土钉在基坑开挖期内及基坑开挖后一定时间内一直增大,且增大幅度较大。
3•2数值模拟分析
建立数值分析模型如图2,分析开挖过程中,土钉轴力的变化过程,如图3所示。从中可以看出,数值计算结果的分布规律与现场监测结果基本相同,但数值略小,这是由于数值计算将土体视为连续介质的理想弹塑性体,而实际土体较为复杂,含有多种介质。土钉轴力沿土钉长度方向均呈现先增大后减小的趋势,上排土钉轴力最大值出现在长度方向3•5m处,而下排土钉轴力最大值出现在1•5m处,说明轴力最大值出现的位置随基坑深度增加逐渐靠近基坑壁表面,这是由于开挖引起的潜在滑动面下部逐渐靠近基坑壁,从而引起土钉轴力达到最大值;并且土钉轴力最大值基本上从上到下逐渐增大,与监测结果的规律大致相同。
土钉内力随基坑开挖深度的增大和开挖时间的增长而逐渐增大,如图4所示。从图中可以看出,开挖初期土钉轴力变化较大,随着时间的推移,轴力受到开挖扰动的影响逐渐减小,而导致轴力逐渐趋于稳定,但开挖到基坑底部时,轴力随着开挖深度的增加而不断增大,说明基坑开挖后暴露的时间越长,基坑侧壁的危险度越大,故基坑开挖后,应及时进行地下室工程的施工。
4结论
(1)数值计算结果的土钉轴力分布规律与现场监测结果基本相同,但数值略小;土钉轴力沿土钉长度方向均呈现先增大后减小的趋势,轴力最大值出现的位置随基坑深度的增加逐渐靠近基坑壁表面;
(2)在软土层中,土钉的内力沿整个钉长分布较均匀,最大内力不大,而在土性较好的岩土层内,土钉在不同位置的内力相差较大,且峰值内力较大,故在设计时可适当调整土钉钢筋的大小;
(3)土钉在进入土层一定深度后,内力已很小甚至测不到内力,说明在相应部位的土钉及灌浆体的锚固力未能得到较好的发挥。故在设计时应合理地确定土钉的长度,避免不必要的材料损耗;
(4)土钉内力随基坑开挖深度的增大和开挖时间的增长而逐渐增大,基坑开挖后暴露的时间越长,基坑侧壁的危险度越大,故基坑开挖后,应及时进行地下室工程的施工。
参考文献
[1]屠毓敏,金志玉.基于土拱效应的土钉支护结构稳定性分析[J].岩土工程学报, 2005, 27 (7): 792795.
[2]屠毓敏,阮长青,赵向前等.温州大剧院深基坑支护技术[J].岩土工程学报, 2006, 28 (1): 5962.
[3]林杭,曹平,宫凤强.位移突变判据中监测点的位置和位移方式分析[J].岩土工程学报, 2007, 29 (9): 14331438.
[4]苏霞,李仲奎.锚杆拉拔力影响因素的数值试验研究[J].工程力学, 2006, 23 (2): 97102.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词:基坑;土钉;监测;数值
中图分类号：TU473
0前言
土钉可简单的由钢筋或钢管等构成,工作时促使荷载传递到土体中,即通常与周围土体接触,以群体作用与周围土体形成一个组合体,使被加固介质的物理性能得到一定改善并成为新的地质体;在土体发生变形的条件下,通过与土体接触界面上的粘结力或摩擦力,土钉被动受拉,并给土体以约束加固作用,两者之间的耦合作用涉及复杂的力学机理。
1工程概况
本工程基坑深11m,东西长约150m,南北宽约50m,整个基坑平面面积约7500m2。由于场地下覆岩层的埋深不一,基坑不同部位采用不同的支护结构体系。基坑北向采用土钉加桩锚组合支护形式,东向采用排桩支护形式,其它两面采用放坡开挖。喷锚支护结构体系用于建筑基坑工程,在沿海地区逐渐被采用。
1•1工程地质条件
场区工程地质勘察的C2号钻孔靠近测斜管所在位置,根据C2号钻孔揭露资料,可将场地内的岩(土)层划分为人工杂填土、沉积土、残积土及风化基岩共4层,各层分述如下:
(1)第四系
①人工填土:厚1•00m,呈杂灰色,松散,稍湿,以建筑垃圾、生活垃圾为主,含大量碎石块;②粉质粘土:厚3•00m,花红色,可塑,粘性较差,局部含石英质中粗砂;③粉质粘上:厚度3•20m,紫红色,硬塑,为含砾粉砂岩风化产物,岩石结构明显。
(2)基巖
④-1强风化粉砂岩:厚2•20m,紫红色,岩芯呈半岩半土状。裂隙较发育,强度低,用手可折断;④-2中风化粉砂岩:厚0•50m,紫红色,岩质较硬,岩芯成短柱状,裂隙不发育,强度较高,泥质胶结;
④-3微风化粉砂岩:厚1•95m,紫红色,岩质坚硬,强度高,岩芯呈柱状,节长4565cm,裂隙不发育。
1•2锚杆设计方案
喷锚支护段上、下共设计七道土钉,第一排土钉位于地面以下1•0m,其余土钉的水平间距与垂直间距均为1•5m,土钉向下倾角为20°。土钉选用Φ25mm的二级螺纹钢筋,设计极限抗拔力为120kN。各层土钉的设计长度自上而下分别为11m、11m、10m、9m、8m、7m、5m。土钉与坡面的钢筋网相互焊接。坡面钢筋网钢筋为Φ6mm,间距为@200mm×200mm。
2现场监测方案
在计算剖面上分别选取第二、第三、第四、第六排土钉测试内力,分别称第一试验土钉、第二试验土钉、第三试验土钉、第四试验土钉。在基坑开挖过程中,根据开挖深度或时间对埋设的钢筋计进行测试。测试用JXG-1型钢筋应力传感器(通常称钢筋计)作为一次接受元件,以SS-2B型数字式钢弦频率接收仪作为二次测读仪器。根据二次测读仪的测试频率与元件标定的频率曲线进行比较即得相应的内力。钢筋计按设计间距与土钉进行双面焊接。钢筋计的布置如下:
(1)第一试验土钉(即第二排土钉),土钉长11m,沿长度方向由外向内分别在2•5m、4•5m、6•5m、8•5m、10•5m处共布置5个钢筋计;
(2)第二试验土钉(即第三排土钉),土钉长10m,沿长度方向由外向内分别在1•5m、3•5m、5•5m、7•5m、9•5m处共布置5个钢筋计;
(3)第三试验土钉(即第四排土钉),土钉长9m,沿长度方向由外向内分别在2•5m、4•5m、6•5m、8•5m处共布置4个钢筋计;
(4)第四试验土钉(即第六排土钉),土钉长7m,沿长度方向由外向内分别在2•5m、4•5m、6•5m处共布置3个钢筋计。
3监测与计算结果
3•1监测结果
取喷锚支护段截面,在截面上选4根土钉布置钢筋计测试土钉的内力。各次测试时,基坑相应的施工状态为: 3月11日基坑开挖至5m左右, 3月31日开挖至7m, 4月29日开挖至9m, 5月15日开挖至10m左右。各元件不同阶段的内力测试结果如表1～表4所示。
从表1表4可以看出如下规律。
(1)土钉内力与基坑开挖深度关系: (a)在基坑开挖期内,土钉的最大内力随基坑开挖深度的增大而增大(第二根试验土钉除外),如第一试验土钉的最大内力由3月11日测得的6•53kN增大至4月29日测得的19•21kN;第二试验土钉的最大内力由3月11日测得的3•79kN增大至4月29日的11•35kN;第三试验土钉的最大内力由3月13日测得的20•69kN增大至4月29日的52•91kN;第四试验土钉的最大内力由安装几天后的87•23kN增大至5月21日的91•90kN; (b)在基坑开挖期内,第一试验土钉的最大内力最初出现在2•5m处的钢筋计上,随着开挖深度的增大,最大内力出现在6•5m处的钢筋计上(4•5m处的钢筋计安装后失效);第二试验土钉靠外的两个钢筋计在初期失效,但第二个钢筋计测试内力基本表现出同样的变化趋势;第三、四根试验土钉的最大内力出现在最外的钢筋计上; (c)虽然第二试验土钉未能测出在基坑开挖至底板设计标高时的最大内力,但从前几次的测试结果及其它几根土钉的测试结果看,均表现出最大内力值自上而下逐渐增大的规律。
(2)土钉内力沿深度分布情况: (a)第一试验土钉最深处的元件、第二试验土钉在7•5m、9•5m处的元件始终受力不大;第三试验土钉8•5m处的元件受力也一直较小。这说明相应部位的锚固力未能得到较好的发挥; (b)第一试验土钉主要位于可塑状态的粉质粘土中,其内力沿整个钉长呈现先增大后减小的趋势;第二、三、四试验土钉主要位于较好的岩土层内,其内力大致沿钉长逐渐减小。
(3)土钉内力与时间关系:第一、二试验土钉在开挖期内及开挖后,内力增大幅度较小,个别元件甚至表现出减少,第三、四试验土钉在基坑开挖期内及基坑开挖后一定时间内一直增大,且增大幅度较大。
3•2数值模拟分析
建立数值分析模型如图2,分析开挖过程中,土钉轴力的变化过程,如图3所示。从中可以看出,数值计算结果的分布规律与现场监测结果基本相同,但数值略小,这是由于数值计算将土体视为连续介质的理想弹塑性体,而实际土体较为复杂,含有多种介质。土钉轴力沿土钉长度方向均呈现先增大后减小的趋势,上排土钉轴力最大值出现在长度方向3•5m处,而下排土钉轴力最大值出现在1•5m处,说明轴力最大值出现的位置随基坑深度增加逐渐靠近基坑壁表面,这是由于开挖引起的潜在滑动面下部逐渐靠近基坑壁,从而引起土钉轴力达到最大值;并且土钉轴力最大值基本上从上到下逐渐增大,与监测结果的规律大致相同。
土钉内力随基坑开挖深度的增大和开挖时间的增长而逐渐增大,如图4所示。从图中可以看出,开挖初期土钉轴力变化较大,随着时间的推移,轴力受到开挖扰动的影响逐渐减小,而导致轴力逐渐趋于稳定,但开挖到基坑底部时,轴力随着开挖深度的增加而不断增大,说明基坑开挖后暴露的时间越长,基坑侧壁的危险度越大,故基坑开挖后,应及时进行地下室工程的施工。
4结论
(1)数值计算结果的土钉轴力分布规律与现场监测结果基本相同,但数值略小;土钉轴力沿土钉长度方向均呈现先增大后减小的趋势,轴力最大值出现的位置随基坑深度的增加逐渐靠近基坑壁表面;
(2)在软土层中,土钉的内力沿整个钉长分布较均匀,最大内力不大,而在土性较好的岩土层内,土钉在不同位置的内力相差较大,且峰值内力较大,故在设计时可适当调整土钉钢筋的大小;
(3)土钉在进入土层一定深度后,内力已很小甚至测不到内力,说明在相应部位的土钉及灌浆体的锚固力未能得到较好的发挥。故在设计时应合理地确定土钉的长度,避免不必要的材料损耗;
(4)土钉内力随基坑开挖深度的增大和开挖时间的增长而逐渐增大,基坑开挖后暴露的时间越长,基坑侧壁的危险度越大,故基坑开挖后,应及时进行地下室工程的施工。
参考文献
[1]屠毓敏,金志玉.基于土拱效应的土钉支护结构稳定性分析[J].岩土工程学报, 2005, 27 (7): 792795.
[2]屠毓敏,阮长青,赵向前等.温州大剧院深基坑支护技术[J].岩土工程学报, 2006, 28 (1): 5962.
[3]林杭,曹平,宫凤强.位移突变判据中监测点的位置和位移方式分析[J].岩土工程学报, 2007, 29 (9): 14331438.
[4]苏霞,李仲奎.锚杆拉拔力影响因素的数值试验研究[J].工程力学, 2006, 23 (2): 97102.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。