土钉墙喷锚支护在某边坡工程中的应用

土钉墙喷锚支护在某边坡工程中的应用孙金坤1,2何鑫1冯云平1,3谢治英1,2(1.攀枝花学院土木工程学院，四川攀枝花617000； 2.攀枝花学院工程结构研究所，四川攀枝花617000；3.四川省八佾建筑设计研究院，四川攀枝花617000)【摘要】以攀枝花某路段边坡支护加固为例，在对土钉墙喷锚支护技术分析的基础上， 对该工程土钉墙喷锚支护的设计、施工、稳定性验算及后期观测进行了实践研究，并对该支 护工程监测数据进行分析，为同类工程边坡支护提供有益参考。【关键词】土钉墙喷锚支护；边坡工程；稳定性验算；施工；监测土钉墙喷锚支护就是在边坡表面铺设钢筋网、喷射混凝土，然后间隔一定距离埋入土钉， 使混凝土、钢筋网、锚杆以及岩土体之间组成了一个受力整体，从而提高边坡的稳定性。其 作用机理为:高压喷射混凝土与钢筋网能及时稳定和加固土体，充分发挥了岩土体自承能力， 同时能有效防止风化、侵蚀等现象对边坡的破坏，土钉则可加强岩土体自身的各项性能，使 抗剪强度等指标大幅度提升。该技术以其可靠性高、造价低等特点在工程实际中得到了广泛 的运用12。本文结合某边坡工程加固处理方案，对土钉墙喷锚支护的设计、稳定性验算及 后期观测进行了深入说明，为同类工程提供有益参考。1 工程概况攀枝花某路段建设中，需对密地II号边坡进行加固处理，该边坡高度为12.4m，长23.2m， 场地四周没有大型的建筑物和构筑物，勘察时未发现有断裂通过和不良地质作用。场地的地 震基本烈度为7度，设计基本地震加速度为0.1g，现场如图1所示。根据勘察资料和开挖的 情况并参照攀枝花地区同类岩土试验及地区经验3，边坡开挖范围内，主要土层及其力学性 能指标如表1所示。图1密地II号边表1边坡土层物理参数土层数厚度(m)重度 y (kNj m3)粘聚力(MPa)内摩擦角4 ()粉质粘土2.4191520昔格达土3.0192520强风化花岗岩7.02230352 边坡支护设计根据周边场地条件，边坡坡顶超载取5KPa，放坡坡度为1： 0.3,经综合考虑采用土钉 墙喷锚支护进行边坡加固456。延边坡高度方向布置11排锚杆，竖向间距为1m，水平方 向间距均为1.5m，土钉的直径为20mm，均以倾角为10植入，如图2所示。钢筋网采用 4 10150双向设置，加强主筋采用O181500X1000,呈十字形与钢筋网焊接。面层喷射混 凝土厚80mm，混凝土强度等级为C20，强度不小于10MPa。施工中，土钉成孔直径不小于 100mm，放入钢筋后向孔内注浆，水泥水灰比为0.5,水泥砂浆类型选为M20。图2边坡支护示意图图3计算简图-r:Jlir-E.r-ErlILrc 一 =131Hl.l。f=-|.|9 f=11913 稳定性验算依照经验及工程实例参照，对边坡土钉的参数进行设置后，需对边坡的稳定性进行验算， 其中包括内部整体稳定性分析和外部整体稳定性分析7。外部稳定性分析又包括抗滑动稳定 性、抗倾覆稳定性等方面，可用楔形滑移面法按照重力式挡土墙的公式对其进行初步验算， 及将土钉墙视为一个“土墙”，其作用机理类似于重力式挡墙。内部稳定性则可用圆弧滑移 面按条分法进行验算，计算简图如图3所示。3.1抗滑动稳定性验算要求基底的抗滑安全系数K （抗滑力与滑动力之比） 1.3，K的值可由式1算出。K=（气+匕）H匕一 G式中Gn为挡土墙自重在垂直于基底平面方向的分力，G= G cos a 0 ； G为挡土墙自重在平行于基底平面方向的分力，G = G sin a 0 ； E为主动土压力，本工程中 Ean= E/in（a+a+8）；匕为E。在平行于基底平面方向的分力， Eg E.cos（a+a+8） ； R为土对挡土墙基底的摩擦系数，取0.2；成为挡墙墙背倾角取 16； a 0为挡墙基底倾角取7 ； 5岩土对挡墙墙背摩擦角取10。则经验算，本工程边坡 K =1.41 1.3满足要求。E = 1Y H2K = 832.53KN ； E为E.在垂直于基底平面方向的分力，3.2抗倾覆稳定性验算要求抗倾覆安全系数K （墙趾处抗倾覆力矩与倾覆力矩之比） 1.6，K可按式2进 行计算。K= * E/f（2）式中E = E cos（a-5 ） ； E = E sin（a-5 ） ； g为挡土墙每延米自重（KN/m），本工 程值为3605.6 KN/m；七为土压力作用点离墙趾的水平距离；七为土压力作用点离墙趾的 高度。经验算，该工程K =1.68 1.6满足要求。3.3 土钉墙内部稳定性验算本工程采用条分法对土钉内部稳定性进行验算，将滑动体分为9条，如图2所示，根据 大量计算经验指出，最危险滑动圆弧的两端距坡顶点和坡脚点各为0.1nh处，且最危险滑弧 中心在这两点的垂直平分线上，对土钉墙内部整体稳定性进行分析，其验算公式为:T cos(a. +0.)tg. 一sy 丫 (ro + qb )sin 0 0 k 0i 0 iii=1(3)乙 L +2 （ + q b ）cos 0 tg +工ik isi 0 ii iki=1i=1j=1式（3）中，n为滑动分条数取9条；m为滑动体内钉数；Yk为整体滑动分项系数取1.3；y为基坑侧壁重要性系数取1.10.；为第i分条土重；b为第i分条宽度；c为第i分条 0iiik滑裂面处土体固结不排水（快）剪粘聚力标准值；k为第i分条滑裂面处土体固结不排水 （快）剪内摩擦角标准值；0,为第i分条滑裂面处中点切线与水平面的夹角，如图2所示； a,为土钉与水平面之间的夹角，本工程均取1。； L.为第i分条滑动面处弧长；s为计算滑 动体单元厚度；t为第j根土钉圆弧滑裂面外锚固体与土体的极限抗拉力， T =兀d q L，其中d为第j根土钉的锚固直径，q为土钉穿越第i层土土体与锚 njnj sik ninjsik固体之间极限阻力标准值，L为第j根土钉在圆弧滑裂面处穿越第i层稳定土体内的长度， 如图2所示；由于计算量大，可用计算机编程的方法进行验算。本工程中，最终验算结果为 100.03 0，满足要求。4 土钉墙喷锚支护施工工艺土钉喷锚支护作业过程应遵从从上到下、分步修建的原则，即边坡边开挖边支护的原则， 本文采用Ordinary、Bishop Janbu三种极限平衡法对以下6种处理方案进行了该土钉墙的 内部稳定性试算，加以佐证，其安全系数记录于表2中(边坡沿高度从上到下分段依次为三 级、二级、一级)。方案1：开挖第三级边坡，且支护；方案2：开挖第三、二级边坡，均支护；方案3：开挖第三、二、一级边坡，均支护；方案4：开挖第三级边坡，未支护；方案5：开挖第三、二级边坡，均未支护；方案6：开挖第三、二、一级边坡，均未护；表2各种方案下边坡安全系数表计算方法万案1万案2万案3万案4万案5万案6Ordinary2.7612.3581.4481.7161.2111.001Bishop2.8342.4791.5131.8981.3051.132Janbu2.5112.1891.3281.6511.1971.109根据公路路基设计规则所规定：内部稳定性验算的安全系数可取1.251.3。由表2 可以看出，方案1方案5均满足要求，方案6的安全系数则偏低，方案1相对于方案4,方 案2相对于方案4,方案3相对于方案6的安全系数都要高很多，边坡的稳定性更好，不难 看出，边开挖边支护在施工环节十分重要。结合本工程施工经验，土钉墙喷锚支护的一般施工工序为：边坡开挖一孔位放线一土钉 制作、成孔及安放一注浆一编制钢筋网一焊加强筋一喷射混凝土一养护，结合本工程经验， 具体施工方法和注意事项如下：(1) 边坡开挖：坡面必须达到基本平整，符合尺寸的要求。土钉墙按设计竖向分层，水 平跳段施工，土钉未达到设计锚固力以前不得进行下一层的深度开挖。(2) 孔位放线：按设计的孔位布置进行测量画线，标出准确的孔位，孔位误差小于5cm， 本工程设计孔位间距为1500X1000O(3) 土钉制作、成孔及安放：土钉制作必须符合设计要求，制作过程应严格监管，保证 土钉的质量；适宜采用钻机成孔，然后按设计要求的孔长、孔的俯角和孔径进行凿孔，逐孔 进行验收，做好记录，不合格者重打；锚钉下入前应清除孔内虚土，为使土钉处于孔的中心 位置，每隔1.52 m焊结一个居中支架，将土钉安放在孔内。(4) 注浆：水泥水灰比为0.5,水泥砂浆类型选为M20压力强度不低于0.4M P a，以确 保土钉与孔壁之间注满水泥浆，注浆采用由里向外注，需将注浆管插入孔内距孔底约0.5m 处。(5) 编制钢筋网、焊加强筋：按照设计要求，钢筋网采用10150双向设置，加强主 筋为181000X1500，呈十字形与钢筋网焊接，施工中应保证焊接的可靠度。(6) 喷射混凝土：选用C20细石混凝土，粒径大小在5-10mm之间，厚度应按设计要 求达到80mm，要求喷射表面平整。(7) 养护：对混凝土进行养护，养护期间注意雨水和温度的不利影响。5施工监测土钉支护的监测包括支护位移、地表开裂情况、附近重要建筑物和重要设施的变形等其 目的是为了及时了解边坡的状况，提早进行防范。结合本工程实际，重点进行边坡位移的监 测，在边坡上间隔8m设置两个观测点S1、S2，测量观测点偏离最初位置的水平位移量， 观测精度要求达到1.0mm，支护完成后根据实际情况3-8d观测一次，若出现较大位移则每 天观测1次，边坡趋于稳定后可减少观测次数。S1、S2两个测点支护结构不同深度的水平 位移曲线如图4、图5所示。位移值 /位移值/19高度 /.J_IJ J_UI + t-f-i 1-1-1 1- iZUXLUlLr 十1-|5午1-1-1JILLLU 11Illi I I I I I I I I i 11J1LLfJ.J-U1LU1LUJ-LTL高度/_I_L J_l.Ll_l _L L l_l _L J_11 -rriJ _L J_l,mi mi Trnr rU-IJXLUXlflLULL I I I I I I I I I i：神 I I -rr-n -n 1-I -t 1-|t 心if jima LuiLuiLII I I I I I I II I l T J I I I I I-i 丁I-1 叶 fflitr ii ttJlLI-ill UU 1 LU -Ltu 1LIlli I I I I I I I I I I I I I I -i t rr rn -rriiinhiT _i_l li, J -rrrr k期I lll.ll I I ITT I I I rrrrrrrm tt t L_LI_LJ J_L_L_L ii i i i i i i i i i i i i珂J-的Mi - i-iS* m n-工-ci：i : ;ci:? 7T D- 7-19 B 7CL -E_*.?a-u-26-?7 ?oi -na-：.2C10- I-西 J2侦-l-M *-北 一:用1.-盘-1；?nio- -F B凯_日_花 一 C1U- t-? -CI3-15图4 S1监测点位移曲线图5 S1监测点位移曲线测量从2010年4月20日开始，历时约4个月，工程5月5日完成挖土，由图可见S1、 S2两测点的位移曲线变化走势基本一致，表明边坡变形具有同步性。位移的增长量在前期 表现较快、后期较慢并逐步趋于稳定，挖土完成后一周内位移增长最快约占总位移的70%。 边坡的高度为12.4m，支护结构的最大位移均出现在6-7m之间，观测点S1处的最大位移为 13.6mm，S2的最大位移为11.8mm，位移曲线呈上下两端小、中间大的“凸肚”形态，与 土钉墙支护变形的典型形态特征相吻合。观测期间边坡变化无异常，说明该支护方案是成功 的。6 结束语(1) 边坡开挖时，应做到“分层开挖，分层支护”，即遵循边开挖边支护的原则，这样 可有效提高边坡的稳定性，减小开挖造成边坡的位移，增加施工的安全性，保证工程的质量。(2) 采用土钉墙喷锚支护边坡的稳定性与很多因素有关，如土钉的长度、直径、倾角、 布置方式以及混凝土的强度、厚度等，设计应综合考虑工程的实际情况和具体要求，在完成 土钉布置后必须选择适宜的计算方法进行边坡内、外部整体稳定性验算，确保边坡的安全。(3) 通过对边坡位移观测，土钉墙喷锚支护变形总体呈现“中间大，两端小”的形态， 最大位移点处于中部附近。支护结构在完成挖土后，前期的变形较大，后期逐步趋于稳定。(4) 该边坡采用土钉墙喷锚支护的设计方案达到了预期效果，保证了结构的安全使用。 实践证明土钉墙支护施工速度快、经济性好、安全性高，适宜在边坡、基坑开挖等工程中广 泛运用。参考文献1 叶书麟，韩杰，叶观宝.地基处理与托换技术(第二版)M.北京:中国建筑工业出版社,1994.2 陈肇元，崔京浩.土钉支护在基坑工程中的应用(第二版)M.北京:中国建筑工业出版社,2000.3 张自标.土钉墙在边坡支护中的稳定性分析与研究J.四川建筑，2009, 29 (3).4 建筑边坡工程技术规范.(GB503302002) M.北京:中国建筑工业出版社.5 锚杆喷射混凝土支护技术规程.(GB500862001) M.北京:中国计划出版社.6 土层锚杆设计与施工规范.(CECS22:90) M.北京:中国工程建设标准化协会.7 李文英.土力学与地基基础M.北京:中国铁道出版社,2005.1.工程名字2。排版3。钢精符号乘号