专利名称：疏排桩-土钉墙组合支护方法
技术领域：
本发明涉及建筑施工中的基础工程及边坡加固支护工程，尤其是涉及一种疏排桩-土钉墙组合支护方法。
背景技术：
目前建筑基础工程的施工一般采用土钉墙，土钉墙与其它支护技术相比，优点体现在工期短，工程造价低；施工设备轻便，场地适应性强；有较好的延性，破坏发展期较长。但其有明显的局限性，主要在于较其它形式位移较大，且无法合理估算；软弱土层坑底存在隆起、管涌及渗流问题。
目前被广泛应用的复合土钉墙的主要型式有土钉与锚杆、止水帷幕(搅拌桩等)、微形桩等两项或多项组合或复合，计算模式主要为挡土墙理论。通过受力分析可发现锚杆、搅拌桩、微型桩等一定程度上解决了土钉墙位移过大、土钉墙支护深度上的限制等难点，对面层的加固效果明显。但由于其刚度不足，抗剪能力较弱，还不能更好的发挥深层被动土的作用，对支护体系整体稳定性贡献幅度有限，对于提高复合土钉墙支护的基坑开挖深度及稳定性考虑较少，控制及估算土钉墙位移幅度还有较大的限制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种可以控制土钉墙位移的疏排桩-土钉墙组合支护方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是 提供一种疏排桩-土钉墙组合支护方法，该方法开挖与支护的施工顺序为 a、按照一定的桩径与桩径比施工疏排桩，所述的桩为拱脚桩； b、采用搅拌桩或旋喷桩等工法施工桩间止水帷幕进行止水； c、土方分层开挖进行土钉墙施工； d、遇到桩上支撑或锚杆时进行桩上支撑或锚杆施工； e、施工梁或支撑立柱； f、支撑养护或锚杆张拉； g、分层开挖进行土钉喷砼施工； h、循环步骤b-g施工到坑底。
上述技术方案的进一步改进在于 所述的桩径大于等于300毫米。
所述的桩径比大于等于2。
所述的桩包括挖孔桩、钻孔桩、树根桩、砼管桩、钢管桩等。
所述的支撑养护或锚杆张拉可以根据工况在施工下一层或几层土钉后再进行。
本发明的有益效果是本发明疏排桩-土钉墙支护结构作用基本机理是通过灌注桩的超前支护作用，在早期开挖过程中控制土体变形并提高基坑稳定性。因为土钉墙的位移主要发生在下层土方开挖后至下层土钉施工完成前这段时间，有桩的超前支护可以大大减少这部分的位移。此时由于灌注桩有较深的插入深度和较高的刚度和强度，加强了边界约束，削弱了土体内部的塑性变形。锚杆的设置更是强化了这种约束，限制了土体的位移发展。随着开挖深度的加大，土钉与加固土体相互作用抵抗基坑破坏趋势所产生的应力和应变。滑移体实际下滑以优势控制面最终形成为前提。优势滑移控制面产生初期，以地面出现滑移性裂缝为先导，并以一定的速率发展变化。采用具有足够“缝合强度”的土钉逐次超前“缝合”优势滑移控制面，则此滑移面将不会萌生，或不致发展形成。如果基坑开挖深度过大，其滑裂面部分超过土钉墙宽度范围时，土钉对整体的稳定作用相对变小，锚杆便发挥其更大作用，与桩构成桩锚支护挡土体系。因此可以有效维持基坑及边坡稳定、控制基坑及边坡位移。
图1为疏排桩-土钉墙支护结构平面图； 图2为疏排桩-土钉墙支护结构剖面图； 图3a滑弧在桩底以下； 图3b滑弧过桩底； 图3c滑弧在桩身； 图4为整体稳定性计算示意图； 图5桩抗力力矩计算； 图6桩后土体分区图； 图7a喷锚支护土压力； 图7b组合支护土压力； 图8a局部稳定性计算模型； 图8b整体稳定性计算模型； 图9拱形结构内力计算； 图10基坑支护平面图； 图11侧斜曲线与桩锚支护位移曲线比较。
下面结合附图对本发明做进一步描述
具体实施例方式 本发明疏排桩-土钉墙组合支护方法，该方法开挖与支护的施工顺序为 a、按照一定的桩径与桩径比施工疏排桩1，所述的桩1为拱脚桩； b、采用搅拌桩或旋喷桩等工法施工桩间止水帷幕2进行止水； c、土方分层开挖进行土钉墙3施工； d、遇到桩上支撑4或锚杆5时进行桩上支撑4或锚杆5施工； e、施工梁或支撑立柱6； f、支撑4养护或锚杆5张拉； g、分层开挖进行土钉7喷砼施工； h、循环步骤b-g施工到坑底。
图1、图2为施工后的结构图。
其中桩径大于等于300毫米，桩径比大于等于2。桩径比是指桩的间距与桩的直径的比。这些数据可以与地层、周边环境、基坑开挖深度及土钉墙支护参数等因素有关，须综合考虑，经计算确定。
桩1包括挖孔桩、钻孔桩、树根桩、砼管桩、钢管桩等，包括桩束及桩组合变形体，主要是提供土拱支撑与弯矩。
支撑养护或锚杆6张拉可以根据工况在施工下一层或几层土钉后现再进行。
下面对本发明的疏排桩-土钉墙组合支护结构进行理论分析，以说明该结构可以有效控制土钉墙位移 一、考虑桩的抗滑作用的整体稳定性分析 对于土质边坡稳定性分析，通常采用圆弧破裂面滑动法。疏排桩-土钉墙支护结构与普通边坡计算的主要不同之处在于当滑弧过锚杆与桩时，它们将提供抗滑力矩和抗拉力矩。
(1)圆弧破坏模式 简单土坡的圆弧破裂面形态一般为坡脚圆。但对于疏排桩-土钉墙支护结构，由于抗滑桩的存在，圆弧破裂面与支护体的关系可分为下面两种切桩滑弧和过桩底滑弧。当锚杆较长，桩有一定的插入深度时，最危险滑弧过桩底，形成桩底弧。此时稳定性分析受桩长影响，但最终计算结果不涉及桩的抗滑作用。
当土钉较短，桩插入深度较大且嵌入性质较好土层时，最危险滑弧过桩身，形成过桩弧，此时稳定性计算不仅涉及锚杆的抗滑作用，还涉及桩的抗滑作用。
桩身不破坏，桩底发生一定的位移，桩前部分土体连同桩后部分土体产生滑移破坏。假设桩前土体破裂仍为圆弧且与桩后土体破裂面具有相同圆心，即形成桩身双弧破裂面。疏排桩-土钉墙支护结构圆弧破坏模式示意图见图3a、3b、3c。
(2)锚杆及土钉的拉力确定 可按规范方法确定，取土钉或锚杆的抗拔力，公式为 T＝TkSm/cosα(1) T-锚杆设计轴向拉力值(kN)，Tk-单位宽度水平力标准值(kN/m)，Sm-锚杆的水平方向间距(m)，α-锚杆向下倾角(°)。
(3)桩的抗滑力矩计算 当采用冶金部《建筑基坑工程技术规范》的由下式确定 式中Mp-每延米中的桩产生的抗滑力矩，kNm/m，αi-桩与滑弧切点至圆心边线与垂线的夹角，Mc-每根桩身的抗弯弯矩，kNm/单桩；hi-切桩滑弧面至坡面的深度，m；γ-hi范围内土的重度，kN/m3；Kp、Ka-土的被动与主动土压力系数；d-桩径，m；Δd-两桩间净间距，m；图4为整体稳定性计算，图5为桩抗力力矩计算。
(4)疏排桩-土钉墙支护结构整体稳定性计算 支护结构内部稳定性以边坡稳定安全系数来评价。
Fs＝Mp/Ms(3) 综合锚杆与桩的抗滑力矩，可得到疏排桩-土钉墙支护稳定安全系数 式中Wi，Qi-土条i的自重和地面荷载，αi-土条i的圆弧破裂面切线与水平面夹角，Δi-土条i宽度，Cj，φj-土条i圆弧破裂面所在土层的粘聚力与内摩擦角，Tk-第k排锚杆提供的拉力，Shk-第k排锚杆水平间距，βk-第k排锚杆轴线与该破坏面切线之间的夹角，φj-第k排锚杆滑弧破裂面处土层的内摩擦角，ξ-为抗力发挥系数。
二、考虑土拱作用时的整体稳定性分析 疏排桩-土钉墙支护结构中的桩的类型、桩距与桩径比等参数确定与地层、周边环境、基坑开挖深度及土钉墙支护参数等因素有关，须综合考虑，经计算确定。
在基坑土压力作用下，刚性桩变形较小，桩间土钉墙变形相对较大，即刚柔组合挡土结构向基坑方向产生不同的位移，基坑支护的土体也产生不同的位移，位移大的土体与位移小的土体之间引起剪应力，产生土拱作用。位移较大的土体土压力减小、而位移较小的土体土压力增大，基坑侧壁土压力出现不均匀分布，故柔性挡土结构的作用力减小，其强度虽低，却能满足要求，刚性桩作用力增大，可充分发挥刚性桩强度高的特点。
(1)模型假定土压力重新分布的大小是相当复杂的，与土体性质、开挖深度、刚、柔挡土结构变形相对大小等因素有关。这里假定 ①土钉墙为挡土墙模型来分析，支护桩相当于拱脚桩； ②设定桩的变形相对于桩间土很小，桩间土拱与桩是铰接或固接； ③桩后土体竖直向滑动面为圆弧形，桩间土体水平向滑移面也呈圆弧形面； ④水平向拱形内截面假定为圆弧形面，竖直向为斜向平面； ⑤土压力以三角形朗肯土压力计算。
(2)性状分析由于桩间土拱的作用，改变了主动土压力滑移面的形状。根据滑移面及拱的传力路径可将桩后土体分为V个区，如图6I-自由区、II-拱区、III-桩间滑移区、IV-桩后滑移区、V-稳定区。
I区土体为拱内的自由脱落土体区域，利用土钉喷锚结构锚固到背后稳定土体上；II区为形成土拱区域，暂按圆弧形状考虑，根据前苏联学者普罗托季亚科诺夫的普氏平衡拱理论，桩间土形成的土拱拱高与围压计算公式如下 式中fk为岩土坚固系数或称普氏系数，其理论计算公式为
σ＝γhK0；γ为岩土容重，K0为静止土压力系数。
III区为主动区破裂内与土拱结构之间的滑移土体，此部分土体压力经拱形结构的轴力传到拱脚桩上；IV区为桩后滑移土体，未受拱结构的影响，直接作用在桩锚体系上；V区为稳定土体。
三、墙后土压力传递及重分布 密排桩锚或土钉墙支护的土压力为按朗肯主动土压力沿基坑线均匀分布，记为Ea(ea)；疏排桩-土钉墙支护结构墙后土压力由于土拱作用引起了重分布，I区土体产生的土压力由喷锚结构体承担，此部分由于拱的传递作用转移了拱外的土体侧压力，因此比原土钉墙支护承受的土压力要小，记为E1(e1)；拱II及拱外滑移土体III土压力通过土拱的作用而转移到拱脚抗滑桩上，记为E2(e2)；桩后土体IV区直接作用在桩上E3(e3)，其中e3值等于ea。桩锚结构体承受土压力为E2+E3。实际上，由于土钉体对土体的加固作用及土压力在传递中的损失，记为ΔE，ΔE＜Ea-(E1+E2+E3)。重分布后土压力参见图7a、图7b。
根据以上分析，作用于疏排桩上的土压力有别于朗肯主动土压力，Ito和Matsui曾利用土的塑性理论建立了位于边坡中的排桩边坡滑动时的极限侧向土压力，并进行了验证。本文将其成果应用于土钉支护中疏排桩的抗滑效应分析，其计算式为其值相当于(E2+E3)。
式中
式中D，B分别为疏排桩的直径及净距；c，为地基土的抗剪强度指标；r为地基土的重度。
四、考虑土拱作用时的变形特性分析 根据以上土压力的重分布的分析可知，桩间土体受土钉墙支护体约束，作用其上的主动土压力比朗肯主动土压力小，发生的侧移与沉降主要是在土拱形成前发生。土拱形成后，随着基坑开挖，新增土压力会通过土拱传递到桩体上，此时发生的位移主要是土拱随桩锚体系侧移而产生的位移和土拱的压密与变形的大小。
疏排桩-土钉墙支护结构中的桩锚体受到桩后土体的朗肯主动土压力E3和桩间土传递过来的侧向土压力E2。此部分比密排桩所受土压力要大，比疏排桩按排桩考虑所受的土压力要小，可通过加大桩径、嵌固深度及锚杆力等桩锚体系而控制位移，维持其稳定性。事实上，这部分力由土拱与桩锚构成的组合体共同承担，组合体的刚度、强度及抗弯矩比桩锚本身都有很大的提高，而且土拱具有空间效应，还可以通过调整跨度或矢高和被动区土压力来平衡。
综上所述，疏排桩-土钉墙支护结构不仅位移比土钉墙支护体系小得多，而且可以计算与预控。另外，由于拱形结构具有空间效应，是一种自立能力较强的围护结构，即使在插入深度较小坑底土质较差的情况下，只要能保证围护结构不发生整体失稳和隆起破坏，桩锚拱形结构也不会出现踢脚的情况。
五、考虑土拱作用时的整体稳定性分析 通过传力及支护体受力分析，稳定性分析包括桩间土在E1作用下的内部稳定性分析、土拱强度局部稳定性分析和桩与土拱联合变形体的整体稳定性分析。
(1)桩间土内部稳定性分析 所受土压力为E1，滑移面为上部的拱形面与下部的传统滑移面构成。可按条分法进行稳定性分析。
从(7)可见，分子第一项及分母都比圆弧形滑动时小，而分子第二项由于滑裂面的内移而变大，因此在土钉参数及土层参数不变时，稳定系数要比无拱状态时大得多。
(2)拱形结构强度校核 按两端固定的无铰拱计算，计算图示同见图9。拱脚的水平推力与拱的矢跨比f/L有关，矢跨比越大，推力H越小。在等跨连续拱中，H互相平衡，而支反力V需要外力进行平衡。查表后可按下式[12]换算拱脚处拱壁的轴力和剪力。
N＝Vsinα+Hcosα(8) Q＝Vcosα-Hsinα(9) α＝arcos[(R-f)/R] (10) 求出拱脚处内力后，必须验算拱壁内的应力，使之不超过加固土的受压强度容许值。一般说来，拱脚处内力为最大，所以只验算拱脚处断面即可。
(3)桩与土拱联合变形体的整体稳定性计算 土压力土钉墙滑移面以上考虑土拱作用，可按图8a、8b与式(6)进行计算，滑移面以下可视为未发生位移，无土拱作用，接朗肯土压力计算。变形体的刚度及抗弯矩可以按复合体进行换算。整体变形及内力等可按规范桩锚支护模型采用“m”法进行计算。
实施例 广州某工程拟建物为一幢30层的住宅楼，附设三层地下室。开挖深度约12米。场地内主要土层为人工填土、冲积成因的粉质粘土、残积成因的粉质粘土和基岩风化层，地下水位较浅。各土层力学性质参数为 采用疏排桩加喷锚支护方案，平面如图10。
本工程进行了测斜监测，其分布曲线见图11。
具体分析 (1)对土压力进行折减后，按专用软件进行计算，桩间土局部稳定性安全系数为1.23，不考虑拱结构时的安全系数为0.98。
(2)拱形结构强度校核 满足设计要求。
(3)整体稳定性计算 对土压力进行重新调整后，对于变形体利用桩锚支护体系进行计算后所得结果参见图10 从计算结果可见，由于拱的作用，土钉墙局部稳定性提高较大，从而提高了土钉墙支护深度；另外，由于拱脚桩锚体系决定了最终位移，使得支护体整体位移易计算且数值小，这从计算及监测结果可初步验证。
从图11可看出，整体最大位移值计算与实测相比较吻合，a号点由于污水管破裂及砼泵机的震动影响，发生桩间土挤出引起的。桩锚本身未受影响，未发生整体破坏。
通过以上理论分析及实例验证，可以认为 1、搅拌桩、微型桩及钢管等超前支护对面层的加固效果明显，但刚度不足，抗剪能力较弱，还不能更好的发挥深层被动土的作用，对于提高复合土钉墙支护的基坑开挖深度及稳定性考虑较少，控制及估算土钉墙位移幅度还有较大的限制。复合支护结构中的疏排桩-土钉墙支护体系会更有效的解决这两个方面的局限性，它在经济性与适用性中取得了良好的平衡，是一种很有发展远景的支护型式。
2、疏排桩-土钉墙支护结构稳定性分析考虑拱时，可将疏排桩视为强支点，两桩之间的土钉墙视为拱的变形体。整体稳定可按桩锚体系计算，内部稳定性按土钉墙计算，局部稳定性按拱的要求和模型计算。
3、由于拱的作用，土压力发生了重分布，土钉墙部分土压力部分传递到拱脚桩上，土压力减小，拱及桩承受两方面的压力比密排桩的大。
4、计算及实测表明此结构整体位移呈现桩锚结构特征，且最大位移更小。因此，能有效减少基坑变形，增加基坑开挖深度。
5、此支护结构是介于土钉墙与桩锚支护之间一种型式，有较好的经济性，施工工期也较短，有强的适用性。
6、按拱结构来分析其稳定性等理论方面须进行深入的研究，现场及实验模拟方面工作非常欠缺，国内外少有涉及。利用有限元等分析方法，进行三维分析，以获得桩间距、桩径、锚索、土钉墙及土水性质等方面对变形及稳定性的影响及相互关系，通过较多的实测数据去验证等方面的工作对该支护方式的应用与推广都有重要现实意义。
权利要求
1.一种疏排桩-土钉墙组合支护方法，其特征在于开挖与支护的施工顺序为
a、按照一定的桩径与桩径比施工疏排桩，所述的桩为拱脚桩；
b、采用搅拌桩或旋喷桩等工法施工桩间止水帷幕进行止水；
c、土方分层开挖进行土钉墙施工；
d、遇到桩上支撑或锚杆时进行桩上支撑或锚杆施工；
e、施工梁或支撑立柱；
f、支撑养护或锚杆张拉；
g、分层开挖进行土钉喷砼施工；
h、循环步骤b-g施工到坑底。
2.如权利要求1所述的疏排桩-土钉墙组合支护方法，其特征在于所述的桩径大于等于300毫米。
3.如权利要求1所述的疏排桩-土钉墙组合支护方法，其特征在于所述的桩径比大于等于2。
4.如权利要求1所述的疏排桩-土钉墙组合支护方法，其特征在于所述的桩包括挖孔桩、钻孔桩、树根桩、砼管桩、钢管桩等。
5.如权利要求1所述的疏排桩-土钉墙组合支护方法，其特征在于所述的支撑养护或锚杆张拉可以根据工况在施工下一层或几层土钉后现再进行。
全文摘要
本发明公开了一种疏排桩-土钉墙组合支护方法，其特征在于开挖与支护的施工顺序为a.按照一定的桩间距和桩间距与桩径比施工疏排桩，所述的桩为拱脚桩；b.采用搅拌桩或旋喷桩等工法施工桩间止水帷幕进行止水；c.土方分层开挖进行土钉墙施工；d.遇到桩上支撑或锚杆时进行桩上支撑或锚杆施工；e.施工梁或支撑立柱；f.支撑养护或锚杆张拉；g.分层开挖进行土钉喷砼施工；h.循环步骤b-g施工到坑底。用该方法施工的疏排桩-土钉墙组合支护结构可以有效维持基坑及边坡稳定、控制基坑及边坡位移。
文档编号E02D5/00GK101126241SQ20061006215
公开日2008年2月20日 申请日期2006年8月15日 优先权日2006年8月15日
发明者吴忠诚 申请人:吴忠诚