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设计文件应对试验土钉提出明确的参数

2019-02-20 07:45

地下水位降低引起的地面沉降,已属于地质灾害的范畴,在全世界受到了前所未有的重视。水资源的短缺和水质污染在国内诸多城市日益严重。基坑工程如何为解决这些重大问题尽一点微薄之力,似乎有两条途径。第一,不仅要采取科学合理的技术措施,更需要政府与社会各界从行政法规、法律、经济等方面给予配合与支持。如,北京市为加强地下水资源的管理和保护,减少水资源的浪费,防止相关地质灾害,出台了《北京市建设工程施工降水管理办法》限制进行施工降水,自 2008 年 3 月 1 日起执行。第二,基坑工程中的回灌,会造成了地下水水质污染,水质污染又加剧了水资源短缺及供需矛盾,因此在基坑工程中采用回灌需十分慎重,一方面需要岩土工程工作者提高对水资源价值的认识、具有义不容辞的责任感,同样,也更加需要政府从行政法规、法律、经济等方面给予引导与支持。

监测方案与应急预案是实现基坑工程信息化施工和确保安全前提基础,是基坑工程设计、施工的重要组成部分。监测方案主要内容包括监测项目、监测方法、监测精度、监测周期、变形控制值及报警值;监测仪器设备名称、型号、精度等级;中间监测成果的提交时间和主要内容;绘制基坑支护结构及周边环境监测点平面布置图等。应急预案主要内容包括根据基坑周边环境、工程地质及水文地质条件及支护结构特点,对施工中可能发生的情况逐一加以分析说明,制定具体、可行、有针对性的应急抢险方案;明确应急预案的启动条件;以锚、撑作为应急措施的,应有节点、预埋件设计图等。

在土木工程领域,有人说十九世纪是大桥的世纪,二十世纪是大楼的世纪,二十一世纪将是地下工程的世纪。在刚刚跨入二十一世纪的今天,我们似乎已经感触到地下空间的开发利用的热浪扑面而来。近几年,国家斥巨资开展地下空间开发利用的政策、规划、技术研究。随着城市建设理念的转变,城市将更多的利用地下空间,城市交通、公共设施、人居空间、资源存储等等将大量转入地下,各地蒸蒸日上的地铁建设可见一斑。殊不知,我们基坑工程中某些做法却与地下空间开发事业背道而驰。例如,锚杆、土钉的大量使用,使得城市地下变成蜘蛛网或蜜蜂窝,变成了地下空间开发的绊马索。再者,锚杆、土钉视红线而不见,如入无人之境,肆无忌惮的侵占了不属于自己的土地,使得邻家主人望锚兴叹。此外,锚杆施工对地基土的扰动往往引起地基变形,从而影响其上既有建筑物、市政设施、道路等正常使用。因此,国内个别城市(如上海)明文规定,临时的基坑支护结构与主体结构一视同仁,必须位于自己的用地范围内。笔者认为,该项规定值得各地效法,尤其是有地下空间开发规划的大中城市。而我们岩土工程工作者所能做的,似乎应该是高抬贵手,自觉的不设或少设绊马索。

(2)施工阶段,严格按照相关技术标准、施工工艺、操作规程等精心施工是确保截水结构质量的必要条件,但不是充分条件。尚有诸多不确定因素会造成截水结构致命的缺陷,例如,实际地质条件与勘察资料的符合程度,包括砂卵石地层中粒径的大小、表层填土的成分、地下水的流动性等等。地下障碍物往往导致截水结构不能正常施工,出现桩体缺陷、位置偏移、桩体倾斜等质量问题。

在进行锚杆张拉试验时,拉力通过自由段杆体传递至锚固段。由于锚固段和非锚固段的水泥固结体实际是一个整体,因此,锚杆试验的张拉力实际上传递到了包括锚固段和非锚固段的整个锚杆长度范围的土体上,亦即锚杆试验得到的抗拔力包含了非锚固段的贡献。而基坑开挖后锚杆在工作状态下的承载力由锚固段决定,因此以上试验高估了锚杆的抗拔承载力,与支护结构的设计假定是不相符的,这给基坑支护带来不安全的因素。

(2)土钉试验

(1)截水结构的选型和设计,需重点考虑漏水的后果、含水层的土性、地下水特性、支护结构形式、施工条件等因素。对于漏水后果严重(如建筑物、公共设施损坏等)的基坑,对施工质量无十分把握的截水结构,如水泥土系的截水结构,不宜少于 2 道防线。选择的截水结构施工工艺需适合场地的地层特性。截水的基坑,支护结构的变形控制设计尚需考虑截水结构的抗变形能力,支护结构或土体变形过大会引起截水结构开裂,导致漏水。

1)一墙多用的地下连续墙方案。集基坑施工阶段挡土截水、建筑物使用阶段为结构外墙为一体的地下连续墙,在水泥、砂石、钢材等主要材料消耗上,优于护坡桩+截水帷幕+单独外墙的常规方案。如果再结合逆作法,则又省去临时内支撑或锚杆,材料消耗进一步降低。

总之,确保截水结构的截水效果,需要过程控制,辅助检测,应急到位。

另外,在进行锚杆基本试验时,应控制锚杆的破坏出现在锚固体与土体之间,而不能出现预应力筋的强度不足,必要时,基本试验锚杆可适当增加预应力筋的截面面积。

2、基坑截水结构的选型、质量控制及事故预防

解决以上问题的思路大致有两种,一是减小验收试验土钉的长度,即验收试验土钉的长度取设计计算时滑动面以外的土钉长度,加载量为按照该长度计算的抗拔力。二是增加验收试验的加载量,该加载量取按照土钉全长计算的抗拔力。不管那种方式,土钉的配筋必须与加载量匹配,避免试验时土钉钢筋首先拉断。

截水是当前基坑工程地下水控制的主要手段之一,常见的截水结构主要有混凝土、水泥土。混凝土截水结构有地下连续墙和咬合式排桩,截水结构、挡土结构合二为一。水泥土系的截水结构通常叫作截水帷幕,常用施工方法有水泥土搅拌法、高压喷射注浆法、搅拌-喷射注浆法、注浆法等。冻结法形成的冻土墙是一种特殊的截水结构,在特点的情况下亦有应用。以上截水结构,都是由先后施工的截水单元相互搭接形成的。截水单元本身的质量缺陷、单元之间的搭接缺陷都将导致截水失败。全国各地,只要有基坑截水的,几乎都有截水失败事例的报道。可见,基坑截水问题的严峻性和严重性。这些事故的发生,主要有截水结构的设计选型、质量缺陷和应急预防措施不力。

但是,当土钉墙后土体受冻膨胀后,冻胀力作用于面层增加了面层的荷载,又通过面层传递到土钉头节点,再传递到土钉,使得面层、土钉头节点、土钉荷载增加,尤其按照构造设置的面层、土钉头节点,极易在冻胀力作用下出现承载力不足而破坏。因此,在季节性冻土地区冬季进行基坑施工,最好不采用土钉墙支护,否则需充分考虑冻胀的影响,在土钉头节点强度、面层强度、土钉承载力等各个环节均需精心设计。同时,设计计算尚需考虑一冻一融对土体结构的损伤、融化水的水压力及融化水降低了土体的强度等因素。

土钉的基本试验:试验目的是确定土钉与土体之间极限粘结强度(或单位长度的极限抗拔力),因此试验应加载至土钉到达抗拔极限状态。根据试验得到的极限抗拔力,可求得土钉与土体之间极限粘结强度的平均值(或单位长度的极限抗拔力)。进行基本试验的土钉,需配置足够的钢筋,必须保证极限状态出现在土钉与土体之间,不能出现土钉钢筋被拉断。

1、监测方案与应急预案

4、锚杆、土钉的抗拔试验问题

土钉的验收试验:试验目的是检验土钉与土体之间粘结强度是否满足设计要求(或土钉单位长度的抗拔力是否满足设计要求),但当前实际工程中的做法却难以达到该目的,究其原因,是验收试验加载量不足所致。

1)帷幕固结体的单轴抗压强度检测,以期通过固结体强度间接推测帷幕质量。在搅拌桩、高压喷射注浆施工完成 28d 后,对帷幕固结体的搭接部位钻取固结体芯样,检测帷幕深度、固结体的单轴抗压强度及完整性,检测点的数量不宜少于总注浆孔数的 1%;检测点的部位应按随机方法选取,同时应选取地质情况复杂、施工中出现异常情况的部位。根据工程经验,固结体的 28 天无侧限抗压强度,砂土不宜小于 3mpa、粘性土不宜小于 1mpa 时。

(3)截水帷幕施工质量的评价标准是截水效果。但在帷幕施工完成后基坑开挖前,目前还没有合理可行的、行之有效的、方便快捷的手段检测帷幕的渗透性及截水效果。现有的一些检测方法,可间接反映帷幕的施工质量,也是必要的。这些检测方法有:

对于土钉墙,冻胀改变了土钉墙的受力特点。常规情况下,土钉钢筋的拉力沿长度方向分布呈中间大两头小,以潜在滑动面处最大,到土钉钢筋与面层连接处,因钉土之间的粘结力使得钢筋拉力大大衰减。因此常规的土钉墙设计,土钉与面层的连接节点的承载能力均小于土的最大拉力,土钉头节点、面层厚度及配筋均按构造设置,一般不进行受力计算。

3)钢支撑方案。钢支撑具有可多次重复使用的特点,其环保性能优越,钢筋混凝土支撑、预应力锚杆难以望其项背。

3)孔内压水和抽水试验。对桩体、注浆固结体采用钻孔内压水和抽水试验,检测桩体、注浆固结体的抗渗能力,检测点的数量不少于总桩数或总注浆孔数的 1%。

2)型钢水泥土搅拌墙。型钢水泥土搅拌墙为集挡土、截水为一体的复合结构,型钢可回收重复使用,与钢筋混凝土灌注桩+截水帷幕相比,材料消耗小,环保性能好。

(2)基坑方案选型需有利于地下空间的开发利用

一般土层中,锚杆抗拔试验有两种,一种是基本试验,其目的是确定锚杆的承载力、为设计提供依据、验证施工工艺等;另一种是验收试验,其目的是检验锚杆质量、判断锚杆承载力是否符合设计要求。但由于锚杆设计构造、施工工艺和试验方法等原因,当前基坑工程中的锚杆抗拔试验难以达到上述试验目的。

3、冻胀与冻融对基坑的影响

2)轻型动力触探。在搅拌桩、高压喷射注浆帷幕施工完成 7d 内,采用轻型动力触探方法对水泥土固结体的早期强度进行检测,检测点的数量不宜少于总桩数或总注浆孔数的10%,水泥土固结体的 n10 击数需大于原状土击数的二倍。

(4)影响截水质量的因素着实太多太复杂,技艺再高、经验再丰富的施工单位也难以一次做到天衣无缝、滴水不漏,而且现有的检测方法均不能准确的评价帷幕的整体截水效果。因而应急预防是截水基坑工程不可或缺而且是非常重要的一个环节。况且某些支护结构的选型本身注定了帷幕要渗漏,如锚拉式支挡结构,位于水位以下的锚杆,施工钻穿帷幕必然导致渗漏。应急预防讲究措施切实有力、监控及时高效、反应迅速到位。施工现场需具有充足的技术、人力、物资准备,监控、报警、反应、行动高效有序。必要时可按照事先制定的抢险应急预案进行现场演习。

对于支挡式结构,冻胀增加了支护结构的水平荷载,使得支护结构变形、内力增大;一冻一融、融化水对土体结构及强度造成破坏和削弱,又给支护结构雪上加霜。疏排桩支护的桩间土,冻胀、冻融易引起桩间土脱落。因此,季节性冻土地区需越冬的基坑,需结合地区经验考虑冻胀影响,并且适当提高支挡式结构各个构件、连接节点的抗力及安全度,桩间土护面需与护坡桩连接可靠。

因此,土钉墙的设计文件应对土钉的验收试验提出明确要求,验收试验的加载值,需根据进行验收试验的土钉长度、直径、施工工艺、所在土层等情况确定,以使试验能够真正检验土钉与土体之间粘结强度是否满足设计要求(或土钉单位长度的抗拔力是否满足设计要求)。

土钉墙设计计算时,土钉的抗拔力是取位于滑动面以外的土钉所能提供的抗拔力。当前的实际工程中在进行土钉的验收试验时,加载量就取设计计算时取用的土钉抗拔力。但是,由于土钉全长注浆,抗拔试验时土钉全长发挥作用,其工作状态与设计的假定差别甚远,导致验收试验的土钉抗拔力很容易就满足设计要求,其实,试验是不真实的,有可能将实际上不满足要求土钉判定为合格的,因此是偏于不安全的。

(1)以材料消耗最小为目标的基坑方案选型

5、考虑可持续发展的基坑方案选型

4)围井压水和抽水试验。采用拟选定的设计、施工工艺参数,在正式施工前施工专门的围井,进行固结体围井内的压水或抽水试验,检测帷幕整体的渗透系数;通过观测围井内的水位及渗漏情况,检查截水效果。

(1)锚杆试验

基坑支护方案选择时,传统的做法是,在满足安全的要求下,使基坑工程的总投资最少,即以狭义的经济指标作为方案优选的最终目标。而在倡导可持续发展、节能减排的今天,基坑方案的选择、对比似乎应改变传统观念与时俱进,把生态效益纳入经济效益核算。不算生态效益的恶果是,保护环境的工程受到打击,破坏环境的工程受到庇护,从而助长、掩盖了很多急功近利的短期行为。重视环保的发达国家已将工程方案论证比较的指标体系从技术、经济比较转变为技术、经济、环境比较,国家以此立法 。具体到基坑工程,本文肤浅的探讨一些关于方案选型中降低材料消耗、有利于地下空间开发利用、保护地下水环境的问题。

锚杆全长分为锚固段和非锚固段。锚固段为锚杆位于稳定土体中的部分,即理论滑动面以外的部分,为锚杆提供抗拔力,非锚固段为锚杆位于不稳定土体中的部分。现阶段的施工方法,锚杆注浆时浆液将整个钻孔注满,即锚杆全长范围有水泥固结体与土体接触,且锚固段和非锚固段的水泥固结体是连续的。

以上检测方法均不能准确的评价帷幕的整体截水效果,最终的截水帷幕质量是要通过开挖后的截水效果来检验。

基坑工程中,用量最大的材料是硅酸盐水泥、由水泥砂石组成的混凝土、钢材。这些材料的获取均需向地球索取,使地球伤筋动骨未老先衰。再者,材料生产中的排放又对环境造成污染。例如,每生产 1t 水泥熟料,将释放出 1t 二氧化碳。全世界水泥年产量约为 14 亿t,它所产生的二氧化碳约占全球温室气体的 7 % [18] 。因此,从降低材料消耗、污染物排放的目标出发,当前的基坑方案选型中似乎应重点考虑以下一些形式。

(3)基坑方案选型与地下水环境保护

不同的基坑支护形式,对冻胀与冻融的反映和敏感性有所不同。

土钉墙中的土钉,其受力机制与预应力锚杆不同。土钉的主要贡献是它对天然土体的加筋作用,基坑开挖时土体和土钉协同工作,而协同工作的效果取决于土钉与土体之间的粘结性能。因此,土钉的抗拔试验目的,是确定或检验土钉与土体之间粘结性能。设计文件应对试验土钉提出明确的参数,如数量、长度、直径、配筋、施工工艺、加载值等。

解决上述问题的思路大致有三种:一是将锚固段和非锚固段的水泥固结体分断,比如在锚固段和非锚固段之间用柔软材料设一个过渡段,该过渡段内没有水泥浆固结体,因而切断力的传递途径。二是取试验锚杆的总长度等于工程锚杆的锚固段长度(试验锚杆所在土层应与工程锚杆的锚固段相同),这样试验所得的抗拔承载力可较准确的反映工程锚杆的抗拔承载力力,但由于试验锚杆无自由段,试验不能反映工程锚杆的变形性能。三是控制注浆范围,即只在锚固段注浆,非锚固段不注浆(或者是在抗拔试验完成后再给非锚固段注浆)。

此部分应注意的问题是监测项目应满足规范基本要求;合理确定监测周期,并及时分析反馈监测数据,以满足信息化施工要求;依据基坑周边环境、工程地质及水文地质条件及支护结构特点合理确定基坑侧壁变形控制值(应与设计控制条件原则一致)及报警值。基坑监测项目的监控报警值应根据监测对象的有关规范要求、设计要求和工程经验及既有监测对象现状拟定,并应结合现场监测成果的分析综合判定。应急预案应具有针对性和可操作性。

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