土钉墙的质量控制

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【摘 要】土钉墙具有施工设备简单、操作方便、施工不单独占用场地、结构轻、柔性大、工程造价低、不单独占用工期等优点。通过对土钉墙设计的合理性、施工质量控制、监测的分析总结,为今后施工实践提供有效的技术经验。

【关键词】土钉墙;质量;控制;喷射混凝土

Quality control of soil nail wall

Shi Ruosong Zhen Pingfu

【Abstract】The soil nail wall with the construction of simple equipment, easy operation, the construction does not occupy a separate space, structure, light, flexible big project cost is low, do not occupy a separate schedule and so on. Through the soil nail wall design is reasonable, the construction quality control, monitoring, analysis and summarization of construction practices for the future to provide effective technical experience.

【Key words】soil-nail wall; quality; control; Sprayed Concrete

1. 引言

基坑工程中工程质量问题,往往是多种因素并发造成的。土钉墙因具有施工设备简单、操作方便、施工不单独占用场地、结构轻、柔性大、工程造价低、不单独占用工期等优点。在当今基坑支护的市场上占有主导地位。土钉墙是土与土钉共同工作的复合土体,通过土钉所具有较高的抗拉、抗剪强度和抗弯刚度特性,提高边坡的基本稳定性和承受坡顶超载的能力,因此土钉墙的质量问题一直是我们关心的重要问题。为了保证土钉墙的质量,要从设计参数的控制,材料的质量、施工中的质量和监测等方面来控制。

2. 设计参数的控制

2.1 土体参数:

在选定各层土体的c、φ值时,对于砂土可用排水条件下的快剪试验取得;对于渗透性差的含水粘土,可用固结不排水快剪试验。

对于高层建筑基坑开挖的临时土钉支护,要有现成的勘探资料,必要时可作少量补充勘探。对于永久性土钉墙工程,现场钻孔间距为:

a. 沿支护墙面轮廓线每隔30米;

b. 墙面后方离墙面为H(墙高)的并行线上每隔45米;

c. 在若干主要横截面上,距墙面前方0.75H处另取一钻孔给出横向地质变化。

2.2 荷载:

除土体自重产生的土压力外,还要考虑地表的静荷载和车辆碾压等的活荷载、地下水静压和渗流压力等。

2.3 土与土钉之间的粘结力:

粘结力与土体类型、钻孔注浆方式、注浆压力等多种因素有关,必须通过现场抗拔试验确定。根据大量的试验和经验,可取土与土体之间的极限粘结强度τu=αSu,其中Su为土的不排水抗剪强度,α为粘结系数,取α=0.3～0.75,对硬土取低值。对于低压注浆土钉,粘结强度与有效注浆压力p有关,在无粘性砂土中,取τu=pAtanφ,A为小于1的经验系数,p通常限制在0.46H～3.5pa以内,H为覆土深(单位为m)。

2.4 钉长:沿支护高度上下分布的土钉,其在使用状态的最大内力相差甚多,一般为中部大,上部和底部都偏小,所以中部的土钉所起作用较大。但是顶部土钉对于限制支护最大水平位移甚为重要。如果顶部土钉较短,在土钉尾部或尾部以外的上方地表容易出现较大裂缝,所以为了保证顶部的裂缝不将产生,在构筑土钉支护,更需加长顶部土钉的长度。至于底部土钉也不宜过短,否则不利于支护作为整体抵抗基底滑动、倾覆、或基底深部失稳。另外当支护临近极限状态时,底部土钉的作用会明显加强,所以不能削弱下部土钉。在一般的匀质土中,将上下所有土钉取成等长,或考虑到更接近实际时,顶部土钉可做得偏长些,底部土钉可做得略短些。一般来说,粘性土中的钉长与支护高度之比L/H应比粒状土中大些。尽管许多粘土在硬结情况下具有较大的无侧限抗压强度,甚至可以不需支护而维持相当大的自立高度,但是作为一种工程结构物的支护,就必需考虑带各种可能的作用。种种资料表明,一般非饱和土中的L/H值宜在0.6~1.0范围内,对顶部土钉不宜小于0.8;而在饱和软土中,由于土体抗剪能力很低,而且土钉内力因水压作用增加,L/H值甚至可超过2。

2.5 土钉密度:为使土钉与周围土体形成一个组合的整体,土钉的间距显然不能过大,一般取土钉水平间距与垂直间距的乘积不大于6m2。一般工程中,在非饱和土中为1.2~1.5m左右时,多取土钉的水平间距与竖向间距相等。但对坚硬粘土或风化岩土也有超过2m的,而对软土则可小于1m的。土钉间距应根据地层情况、钢材截面所能承受的拉力等进行经济比较后确定。间距太大,将增加腰梁应力,从而增加腰梁断面;缩小间距,可使腰梁尺寸减小,但土钉会发生相互干扰,产生所谓的“群锚效应”,使因极限抗拔力减小而造成危险。一般来说,土钉的间距不宜超过2m,底部土钉的间距也不宜减少,除非底部土层具有较强的抗剪能力。

2.6 土钉的倾角:

一般采用水平向下10°～25°之间的数值,从有效利用土钉抗拔力的角度看,最好使土钉与侧压力作用方向平行。但实际上,土钉的设置方向与可锚固土层的位置、挡土结构的位置以及施工条件等有关。粒状土中的模型试验说明增加土钉倾角使支护的位移和地表角变位增加,倾角大于20°时增加的趋向更为加剧,将降低锚固的效果,而且作用与构筑物上的垂直分力增加,可能造成挡土结构和周围地基的沉降。水平向下10°是为了有利于灌浆所要求的倾斜度。

2.7 钢材强度:设计的土钉钢筋(钢管)和面层网筋的强度,砂浆和喷射混凝土的强度等级及规定的早期强度必须满足有关规定。

2.8 稳定性分析:

在设计时,为了保证土体的稳定,要取一个剖面进行稳定性分析。一般包括外部稳定性分析(体外破坏)和内部稳定性分析(体内破坏)。

体外破坏是整个支护作为一个刚体发生下列失稳的:

a. 沿支护底面滑动;

b. 绕支护面层底端(墙趾)倾覆,或支护底面产生较大的竖向土压力,超过地基土的承载能力;

c. 连同周围和基底深部土体滑动。

体内破坏是土体破坏面全部或部分穿过加固了的土体内部。多采用边坡稳定的概念,与一般土体稳定的极限平衡分析方法相同,只不过在破坏面上需要计入土钉的作用。

2.9 其他:土钉的类型,孔径,土钉钢筋直径、间距和倾角,面层厚度和配筋,要经分析计算后确定。

3. 材料的质量控制

原材料质量的优劣,对土钉墙质量的影响极大。为了保证原材料的质量合格,对每批进库、进场的原材料(钢筋、水泥、砂、石等),要按规定进行质量检查,包括目测检查或取样试验,与钢筋混凝土工程相同。检查合格后方可使用。

3.1 原材料的选择

3.1.1 水泥:

水泥品种和标号的选择主要应满足工程使用要求,当加入速凝剂时,还应考虑水泥与速凝剂的相容性。

喷射混凝土应优先选用不低于425号的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥,因为这两种水泥的C3S和C3A含量较高,同速凝剂的相容性好,能速凝、快硬,后期强度也较高。

当喷射混凝土遇到含有较高可溶性硫酸盐的地层或地下水的地方,应使用抗硫酸盐类水泥。当结构物要求喷射混凝土早强时,使用硫铝酸盐水泥或其他早强水泥。当集料与水泥中的碱可能发生反应时,应使用低碱水泥。当喷射混凝土用于耐火结构时,应使用高铝水泥,它同时对于酸性介质也有较大的抵抗能力。高铝水泥由于早期水化作用,发热较高,使用时需要采用一定的预防措施。

3.1.2 骨料。

砂:喷射混凝土用砂宜选择中粗砂,细度模数大于2.5。砂子过细,会使干缩增大;砂子过粗,则会增加回弹。砂子中小于0.075mm的颗粒不应超过20%,否则由于骨料周围粘有灰尘,会妨碍骨料与水泥的良好粘结。

石子:卵石或碎石均可,但以卵石为好。卵石对设备及管路磨蚀小,也不像碎石那样因针片状含量多问易引起管路堵塞。为了减少回弹,骨料的最大粒径不宜大于20mm。骨料级配对喷射混凝土拌合料的可泵性、通过管道的流动性、在喷嘴处的水化、对受喷面的粘附以及最终产品的表观密度和经济性都有重要作用。为取得最大的表观密度,应避免使用间断级配的骨料。经过筛选后应将所有超过尺寸的大块除掉,因为这些大块常常会引起管路堵塞。在喷射混凝土需掺入速凝剂时,不得用含有活性二氧化硅的石材作粗骨料,以免碱骨料反应而使喷射混凝土开裂破坏。

3.2 骨料试验:

土钉用的水泥、砂和喷射混凝土用的砂、石料要进行实验室试验以确定其质量。试验包括两种类型:即骨料的固有性质和骨料与水泥的反应。

骨料固有性质试验能提供骨料的强度和耐久性资料。水泥与骨料的反应试验则可检验是否存在喷射混凝土膨胀的危险。

细骨料的含水率必须定期测定,以保证含水率控制在最佳范围(即5%~7%)内。粗骨料的吸水率也往往构成总含水率的很大部分,因此也要加以测定。这部分水完全在骨料内部,不与水泥发生反应。喷射混凝土所使用的砂石的典型吸水率分别为0%~2%和0.5%~1%(以重量计)。计算骨料含水率时应按吸水率进行调整。

3.3 试验检验

3.3.1 土钉的抗拔力试验:

严格来说,每种地层均应分别做土钉抗拔力试验,为土钉墙设计提供依据或用以证明设计中使用的粘结力是否合适,但由于土钉的整体作用是主要的,不像锚杆那样要求高,所以只有对重要的工程,设计或施工前需要进行土钉的基本抗拔力试验,以确定土钉界面摩阻力的分布型式及土钉的极限抗拔力等。土钉基本抗拔力试验采用循环加荷的方式,第一级取土钉钢筋(钢管)屈服强度来增加荷载,同时用退荷循环来测量残余变形,每一级荷载持续到变形稳定为止。土钉破坏标准为:在同级荷载下,变形不能趋于稳定,即认为土钉达到了极限荷载。必须测量荷载和位移,提出荷载变形曲线。在土钉上安设钢筋计或贴应变片,以便量测土钉应力分布及其变化规律,这对设计是非常有益的。

对于一般的土钉墙工程,土钉抗拔力检验试验是必需的,试验数量应为土钉总数的1%,且不少于3根;土钉试验的合格标准定位为:土钉抗拔力平均值大于设计极限抗拔力,抗拔力最小值大于设计极限抗拔力的0.9倍。土钉抗拔力设计安全系数为:对临时性工程取1.5,对永久性工程取2.0。

3.3.2 喷射混凝土的质量试验:

质量控制试验可以在喷射混凝土质量出现问题前提出预报,使喷射混凝土质量符合规范的标准要求。施工前的试验包括骨料的质量、级配和含水率试验,水泥与速凝剂的兼容性试验,配料作业试验和强度试验;施工中的试验包括骨料的级配和含水率试验,新鲜喷射混凝土的配合比试验和强度试验。

施工前,除了对骨料的质量、级配及水泥与速凝剂兼容性进行实验室试验外,还应对设备的运转、施工工人的熟练程度及拌合料设计进行试验或考核。

3.3.3 水泥与速凝剂的兼容性试验:

水泥与速凝剂的兼容性是用水泥净浆确定的。兼容性试验包括凝结时间试验和立方体强度试验。凝结时间试验是测定各种水泥与速凝剂结合后的初凝与终凝时间。立方体强度试验则是确定水泥加入速凝剂后初始强度的增长和28d强度的损失。速凝剂掺入量最低、凝结时间最快且最终强度损失又最少的水泥与速凝剂的结合被认为具有兼容性。兼容性试验在施工前和施工中都要进行。施工前的试验是用来选取最适于强度要求的水泥与速凝剂,而施工中的试验则是保证水泥和速凝剂的性质没有变化。兼容性试验应在速凝剂为水泥重量的1%、2%、3%、4%、6%、8%的一系列水泥净浆(水灰比为0.45)试件上进行。在施工中为要迅速检验兼容性或控制质量,可只用3%速凝剂(以重量计)进行依次试验。粉状速凝剂应与水泥彻底拌合,液态速凝剂应加入水中拌合。水与水泥应充分拌合,但不应持续到超过初凝时间,应在水泥加水后45s内完成拌合。

3.3.4 新鲜喷射混凝土的配合比:喷射混凝土的用水量全靠喷射手通过调节喷嘴处的阀们加以控制,预先是不能准确地设计水灰比的。预先设计的拌合料在喷射出现回弹后,也会发生变化。因此要测定新鲜喷射混凝土的配合比,以分析配合比对混凝土各项性能的影响。

4. 土钉墙施工中的质量控制

4.1 开挖过程中的质量控制:

控制每步的开挖深度和合理安排作业顺序,使开挖面上的土体能在设置支护前的短时间内(至少几个小时)保持稳定,这对于限制土钉支护的变形至关重要。每一步的开挖深度一般与土钉的竖向间距相应,通常为1~2米。对于粒状砂土,能够保持开挖面直立稳定的高度取决于土体的密度和粘聚力,包括毛细水粘聚力和天然粘聚力;砾砂、中密砂、和密实砂土的直立高度在仅具毛细水粘聚力时约分别为0.5、1.2、1.5m。粘性土的直立高度与含水量有很大关系。对于松散低密砂、无天然粘聚力的干砂(含水量小于1%),或有渗流压力的含水土层时,宜在开挖后立即喷上2~3cm厚的砂浆。对于软土,需预先沿开挖面击入钢筋、钢管、小直径桩或通过注浆加固土体。在不良地层中施工,还可以采取跳槽间隔开挖,以及暂时开挖成斜坡待设置土钉后在清坡的办法。

开挖过程中必须遵循在完成上步支护前不得继续往下开挖的原则。

按照边坡稳定分析,保持稳定的土坡临界高度为:

hcr=4c/γ[sinβcosφ/(1-cos(β-φ))]

当边坡倾角(与水平线夹角)β为90°即直立开挖时,要取hcr=4c/γ*tan(45°+φ/2)。考虑到实际破坏面并不是假定的平面以及土体具有粘聚力时出现地表拉裂的影响,也可采用另一临界高度的公式:hcr=2.67c/γ*tan(45°+φ/2)。这些算式有时被用来控制每步开挖的最大深度,但在考虑安全系数以后,取开挖的最大深度为hcr=2c/γ*tan(45°+φ/2)。不过这一校核方法是否有用值得怀疑,因为从理论上讲它只适用于与地表相连的第一步开挖。

4.2 土钉施工中的质量控制:

土钉施工包括定位、成孔、置筋、注浆等工序,要保证土钉的质量,必须对这几道工序的施工要严格控制。

4.2.1 定位:

土钉的定位要根据设计的要求,控制土钉间距和土钉与顶面、底面的距离,在坡面上做好标记。

4.2.2 成孔:为满足土钉钻孔的要求,可选用岩石电钻,配置Φ75mm的麻花钻杆。每节钻杆长1.5米,钻机整机重量40kg,搬运操作非常方便,钻孔速度为0.2~0.5m/min,工作效率高, 适合于土钉的施工。成孔的尺寸允许偏差为:孔深±50mm;孔径±5mm;孔距±100mm;成孔的倾斜角±5%;钢筋保护层厚度≥25mm。

在用钢管打入法设置土钉时,不需要进行预先钻孔。但直接打入土钉的办法对含块石的土是不适宜的,在松散的弱胶结粒状土中应用时要谨慎,以免引起土钉周围土体局部结构破坏而降低土钉与土体间的粘结力。

4.2.3 土钉防腐:

为保证土钉钢筋(钢管)的防腐能力,在正常环境条件下,对临时性支护工程,一般仅由砂浆做锈蚀防护层,也可在钢筋表面涂一层防锈涂料;对永久性工程,可在钢筋外加环桩塑料保护层或涂多层防腐涂料,以提高钢筋锈蚀防护的能力。

4.2.4 置筋:在置筋前,要采用压缩空气将孔内残留及扰乱的废土清除干净。放置的钢筋一般采用II级螺纹钢筋,为保证钢筋在孔中的位置,在钢筋上每隔2~3m焊置一个定位架。如采用钢管土钉,在成孔时需对钢管上的孔用护板将其遮盖,做成倒刺型,以防止在打入时被泥土堵塞。

4.2.5 注浆:土钉注浆采用灰浆泵或砂浆泵灌注,浆液采用纯水泥浆或水泥砂浆。为保证土钉与周围土体紧密结合,在孔口处设置止浆塞并旋紧,使其与孔壁紧密贴合。在止浆塞上将注浆管插入注浆口,深入距孔底0.2~0.5m处,注浆管连接注浆泵,边注浆边向孔口方向拔管,直至注满为止,放松止浆塞,将注浆管与止浆塞拔出,用粘性土或水泥砂浆充填孔口。注浆开始或中途停止超过30min时,应用水或稀水泥浆注浆泵及其管道。为防止水泥砂浆或水泥浆在硬化过程中产生干缩裂缝,提高其防腐性能,保证浆体与周围土壁的紧密粘合,可掺入一定量的膨胀剂,具体掺入量由试验确定,以满足补偿收缩为准。为提高水泥砂浆或水泥浆的早期强度,加速硬化,可掺入早强剂。水泥浆、水泥砂浆应拌合均匀,随拌随用,一次拌合的水泥浆、水泥砂浆应在初凝前用完。

4.3 喷射混凝土的质量控制

4.3.1 对喷射混凝土面层施工中的质量控制:

喷射混凝土面层中的钢筋网,应在喷射前铺设,钢筋保护层厚度不宜小于20mm。钢筋网之间搭接长度应不小于300mm,钢筋网用插入土中的钢筋固定,与土钉应连接牢固。

喷射作业应分段进行,同一分段内喷射顺序应自下而上。喷射混凝土时,喷头与被喷面应保持垂直,距离宜为0.6~1.0m。喷射表面应平整,呈湿润光泽,无干斑、流淌现象。喷射混凝土终凝2h后,应喷水养护,养护时间为3~7h。

为了保证喷射混凝土的质量,要对拌合料搅拌处、喷射机处和喷嘴处的施工质量进行严格控制。

在拌合料搅拌处,必须控制材料质量及配合比符合设计要求,拒绝使用任何不可靠的水泥和级配不良、质量差或含水率大于7%(按重量计)的骨料。

在喷射机处,要检查倒入料斗的材料和观察喷射机的运转情况;控制外来的或有害物质进入机器;鉴定骨料是否已被水泥完全包裹及倒入料斗后有无过度离析。在干喷中,应该对速凝剂与水泥得到适当拌合。为保证喷射混凝土流料均匀连续和喷射处有适宜的喷射速度,应观察喷射机处的工作风压是否控制在合适范围之内。

在喷嘴处,必须观察喷射工艺(包括受喷面清洗质量、喷嘴与受喷面间的距离与角度、喷嘴移动情况)、射流中的材料特征和喷射混凝土质量,并要对下列情况随时作出记录:

a. 喷嘴射出的料流不匀及发生离析;

b. 目力估计的回弹物过多的原因;

c. 裹入回弹及钢筋埋置不当;

d. 喷射混凝土的平均厚度;

要对喷射混凝土下坠或脱落地带要作出标记,对速凝剂是否掺入过多的情况要作出检查,一般薄层喷射混凝土热量过多(温升值大于17℃)则表示速凝剂掺入过多。

4.3.2 喷射混凝土强度和厚度的检验

(1) 强度检验:为了保证喷射混凝土的质量满足设计要求,需对喷射混凝土进行测试。但由于喷射混凝土施工工艺与现浇混凝土不同,因而其力学强度的检验也有所区别,它主要表现在试块的制取方法上。采用在铁模内直接喷射制取喷射混凝土试块的方法是不可取的,因为在这种条件下喷射,回弹物势必受到铁模壁面的约束,不能自由溅出,而隅集于试模边角,造成测得的强度值要比结构上真实强度低。因此检查喷射混凝土的强度的方法采用现场喷射混凝土大板方法制作。抗压强度试验的试块数量可为每500m2取一组,每组试块不少于3个,对于小于500m2的独立工程,取样不少于一组。大板模具尺寸为450mm*350mm*120mm(长*宽*高),其尺寸较小的一边为敞开状,现场喷射混凝土大板养护7d后,加工切割成边长为100mm的立方体试块,当不具备切割制取试块的条件时,亦可直接向边长为150mm的立方体无底试模内喷射混凝土制取试块,其抗压强度换算系数,可通过试验确定。

(2)厚度检验:为了保证喷射混凝土的厚度达到设计要求。喷射混凝土施工时,可用测针等方法作为大致标准来控制喷层厚度。工程结束后则按下述方法检查喷层厚度。

a. 钻孔检查。可用电钻、风钻钻孔或在施作8h以内的喷层上,用短钎、手锤凿孔检查其厚度。

b. 测钎检查。可用施工前安于手喷射面上的圆钉和外露锚杆端头检查。

①厚度检查部位的确定:对于地面工程,喷层厚度检查部位可视需要确定;每一个独立工程检查数量不得少于一个断面;每一个断面的检查点,应从拱部中线起,每间隔2~3米设一个,但一个断面上,拱部不应少于3个点,总计不应少于5个点。

②喷层厚度检查合格条件:当设计厚度为最小厚度时,则检查喷层厚度应大于设计厚度,当设计厚度为平均厚度时,喷射厚度的平均厚度应大于设计厚度。每个断面上,全部检查孔处的喷层厚度,60%以上不应小于设计厚度,最小值不应小于设计厚度的一半,同时各检查孔处厚度的平均值,不应小于设计厚度,方认为厚度检查合格。

5. 监测

对于土钉墙基坑支护工程,监测工程是非常必要的,最为直观和最为重要的监测是土钉墙顶面的水平位移和垂直位移。对土体内部变形的监测,可在坡面后不同距离的位置布置测斜管,用测斜仪进行观测。其它的监测项目,如土钉应力、土压力和面层应力等,可根据实际工程的需要选择。做好施工期间的监测,可以达到信息化施工的目的,对保证工程质量和安全具有重要的意义。

6. 结语

在充分掌握软土的物理力学特性后,完全可以将简单经济的土钉墙支护技术应用于软土基坑工程。实践证明,土钉墙围护方案在软土基坑工程中的应用十分成功,不仅效果好,而且造价省,有针对性,收到了明显的经济效益,值得推广。

【文章编号】1006-9224(2010)08-0051-05

【作者简介】世若松(1960-),男,满族,工程师,主要从事岩土工程勘察、设计、施工及检测的技术工作。