9th深基坑与边坡工程

5土钉支护5.1概述5.1.1土钉支护的概念•土钉支护亦称锚喷支护，就是逐层开挖基坑，逐层布置排列较密的土钉（钢筋），强化边坡土体，并在坡面铺设钢筋网，喷射混凝土。相应的支护体称为土钉墙，它由被加固的土体、放置在土体中的土钉与喷射混凝土面板三个紧密结合的部分组成。土钉是其最主要的构件，英文名叫SoilNailing，它的设置有打入法，旋入法，以及先钻孔、后置入、再灌浆三种方法。5.1.2土钉的发展•70年代初，德国、法国和美国就各自开始了土钉支护的研究与应用，但土钉诞生的原因并不相同。在德国是基于土层锚杆和加筋土挡墙发展起来的，在法国却是基于新奥法的原理发展起来的，新奥法在60年代主要用于岩石隧道的支护，70年代初被成功的用于土质隧道和土质边坡的支护。美国最早的土钉墙用于1974年匹茨堡PPG工业总部的深基坑支护。目前该技术在法国、德国、英国、美国和日本得到广泛应用。•我国应用土钉支护的首例工程可能是1980年山西柳湾煤矿的边坡工程。最近十多年来，冶金建筑研究总院、北京工业大学、清华大学、总参工程兵三所等单位在土钉支护的研究开发中做了不少工作。目前，这一新技术已经在北京、深圳、广州、武汉等全国各地得到了广泛应用。5.1.3土钉支护的特点及应用范围一、特点•与其它支护类型相比，土钉支护具有以下一些特点或优点：1.土钉与土体共同形成了一个复合体，土体是支护结构不可分割的部分。从而合理的利用了土体的自承能力。2.结构轻柔，有良好的延性和抗震性。1989年美国加州7.1级地震中，震区内有8个土钉墙结构，其中有三个位于震中33km范围内，估计至少遭到了约0.4g的水平地震加速度作用，均未出现任何损害迹象。3.施工设备简单。土钉的制作与成孔、喷射混凝土面层都不需要复杂的技术和大型机具。4.施工占用场地少。需要堆放的材料设备少。5.对周围环境的干扰小。没有打桩或钻孔机械的轰隆声，也没有地连墙施工时污浊的泥浆。6.土钉支护是边开挖边支护，流水作业，不占独立工期，施工快捷。7.工程造价低，经济效益好，国内外资料表明，土钉支护的工程造价能够比其它支护低1/2~1/3。8.容易实现动态设计和信息化施工。根据现场位移或变形监测反馈的信息，很容易调整土钉的长度和间距，也容易调整面层的厚度。既可以避免浪费，又能够防止出现工程事故。二、适用范围•土钉支护适用于地下水位以上或经人工降水措施后的杂填土、普通粘土或弱胶结的砂土的基坑支护或边坡加固。一般认为可用于标准贯入击数N值在5以上的砂质土与N值在3以上的粘性土。•单独的土钉墙宜用于深度不大于12m的基坑支护或边坡维护，当土钉墙与放坡开挖、土层锚杆联合使用时，深度可以进一步加大。•土钉支护不宜用于含水丰富的粉细砂岩、砂砾卵石层和淤泥质土。不得用于没有自稳能力的淤泥和饱和软弱土层。5.2土钉支护的基本原理5.2.1土钉的作用机理•总的说来，土钉在复合土体中有以下几种作用机理：1.箍束骨架作用•该作用是由土钉本身的刚度和强度，以及它在土体内分布的空间所决定的。它在复合体中起骨架作用，使复合土体构成一个整体，从而约束土体的变形和破坏。2.分担作用•在复合体内，土钉与土体共同承担外荷载和自重应力，土钉起着分担作用。由于土钉有很高的抗拉、抗剪强度和土体无法相比的抗弯刚度，所以在土体进入塑性状态后，应力逐渐向土钉转移。当土体发生开裂后，土钉的分担作用更为突出，这时土钉内出现了弯剪、拉剪等复合应力，从而导致土钉中的浆体碎裂、钢筋屈服。土钉墙之所以能够延迟塑性变形，并表现出渐进性开裂，与土钉的分担作用是密切相关的。3.应力传递与扩散作用•北京工业大学的研究表明：当荷载增加到一定程度，边坡表面和内部裂缝已经发展到一定宽度，坡脚应力达最大。此时，下部土钉位于滑裂区域以外土体中的部分仍然能够提供较大的抗力。•土钉通过它的应力传递作用可将滑裂区域内的应力传递到后面稳定的土体中，分布在较大范围的土体内，降低应力集中程度。4.对坡面变形的约束作用•在坡面上设置的与土钉连在一起的钢筋网喷射混凝土面板是发挥土钉有效作用的重要组成部分。喷射混凝土面板对坡面变形起到约束作用，面板的约束力取决于土钉表面与土之间的摩阻力，当复合土体开裂面区域扩大并连成片时，摩阻力主要来自开裂区域后的稳定复合土体。5.2.2土钉墙的工作性能•国内外大型模拟试验结果及许多实际工程测试结果表明土钉墙具有以下几点工作性能：1.土钉墙的变形一般是微小的，但比锚杆挡墙的水平位移要大一些。最大水平位移发生于墙体顶部，越往下越小。最大水平位移与开挖深度之比一般在1‰~3‰。这种位移值不会影响工程的适用性和长期稳定性，它对整个土钉墙来说，不应当是控制设计的主要因素。墙体内的水平位移随离开墙面的距离增加而减小。2.土钉只有在土体产生微小变位后才能受力，开始开挖时，土钉上的最大拉力位于喷射混凝土面板附近，随着开挖深度的增加，最大拉力的位置将从面层附近逐渐向深部土体中转移，因此，越靠基坑底部的土钉，其最大受力点距离面板就越近。同一土钉内的内力分布一般呈现中间大，两端小的规律，在破裂面临近处达到最大。3.土钉墙上的土压力以及不同土钉上的最大拉力沿基坑深度的分布都是中间大、上下小，接近梯形而不是三角形。4.采用密集土钉加固的土钉墙的性能类似于重力式挡墙，破坏时明显地带有平移和转动的性质，故设计时除了要验算土钉墙的内部稳定性（局部滑动破坏），以保证土钉有足够的锚固长度、直径及合理间距外，还必需验算外部整体稳定性，即验算土钉墙体的抗滑与抗倾覆安全性。5.根据大比例足尺试验结果看，在土钉墙整体破坏之前，并未发现喷射混凝土面板和锚头产生破坏现象，在实际工程中也未见任何锚头破坏现象。所以，在设计中，对面板和锚头不要进行单独设计，只要满足结构上的构造要求即可。5.3土钉支护设计5.3.1确定土钉墙结构尺寸•在初步设计时，应先根据基坑环境条件和工程地质资料，确定土钉墙的适用性，然后确定土钉墙的结构尺寸，土钉墙高度由工程开挖深度决定，开挖面坡度可取600~900，在条件许可时，尽可能降低坡面坡度。•土钉墙均是分层分段施工，每层开挖的最大高度取决于该土体可以自然站立而不破坏的能力。在砂性土中，每层开挖高度一般为0.5~2.0m，在粘性土中可以增大一些。开挖高度一般与土钉竖向间距相同，常用1.0~1.5m；每层单次开挖的纵向长度，取决于土体维持稳定的最长时间和施工流程的相互衔接，一般多用10m长。5.3.2参数设计•土钉支护参数主要包括土钉长度、间距、布置、孔径和钢筋直径等。一、土钉长度•在实际工程中，土钉长度L常采用坡面垂直高度H的60%~70%。土钉一般下斜，与水平面的夹角宜为50~200。Bruce和Jewell(1987)通过对十几项土钉工程的分析表明：对钻孔注浆型土钉，用于粒状土陡坡加固时，L/H一般为0.5~0.8；对打入型土钉，用于加固粒状土陡坡时，其长度比一般为0.5~0.6。99规程要求L/H一般为0.5~1.2。其实，只有在饱和软土中才会取L/H大于1。二、土钉直径及间距•土钉直径D一般由施工方法确定。打入的钢筋土钉一般为16~32mm，常是25mm，打入钢管一般是50mm；人工成孔时，孔径一般为70~120mm，机械成孔时，孔径一般为100~150mm。•土钉间距包括水平间距(列距)Sx和垂直间距(行距)Sy，其数值对土钉的整体作用效果有重要影响，大小宜为1~2m。对钻孔注浆土钉，可按6~12倍土钉直径D选定土钉行距和列距，且宜满足：Sx·Sy=K·D·L(5-1)•式中：K—注浆工艺系数，一次压力注浆，K=1.5~2.5；D、L—土钉直径和长度，m；Sx、Sy—土钉水平间距和垂直间距，m。5.3.3稳定性分析一、内部稳定分析•土钉墙内部稳定性分析是为了保证土钉墙本身的稳定，这时的破裂面全部或部分穿过加固土体的内部，部分穿过加固土体时又称为混合破坏。对内部稳定性的分析国内外有数种不同的方法。下面仅介绍二种方法—冶建总院方法和Schlosser方法。1.冶建总院方法—力矩极限平衡法（1）基本假定①破裂面为圆弧形，破坏是由圆形破裂面确定的准刚性区整体滑动产生的；②破坏时，土钉的最大拉力和剪力都在破裂面处；③沿着破裂面的土体抗剪强度能够全部发挥，并且符合库仑公式；④假定小土条两边的水平作用力大小相等、方向相反、且作用于一条直线上；（与瑞典条分法假设相同）⑤土体强度参数取加权平均值。（2）土钉受力简化•土钉墙中的土钉受力状态非常复杂，一般同时有拉应力、剪应力和弯矩。要合理地确定土钉中所产生的拉力、剪力和弯矩的大小往往是比较困难的。力矩极限平衡法在土钉墙稳定性分析计算中仅考虑土钉的抗拉作用，并将土钉与土体界面摩阻力简化成沿土钉全长均匀分布（实际土钉界面摩阻力的分布是非均匀的，一般在破裂面处最大，往两边逐渐减小）。这是因为同激发侧向力相比，激发土钉的抗拉能力所要求的土体变形量要小得多(Juran1985)，而且只考虑土钉的抗拉作用能使得分析计算大大简化。大量足尺试验认为，土钉剪力的作用是次要的，仅考虑抗拉作用的设计虽有点保守，却是很方便的设计方法(Gassler1980)。土钉相对弯曲刚度对土钉墙安全系数的提高大约为0%~15%之间(Glasgow1980)。•土钉的抗拉能力Tx可以按照如下几种情况计算：①由土钉与破裂面交点之外的土钉与土体间的摩擦力决定，即：Tx1=·D·LB·f（5-3）式中：LB—土钉伸入破裂面外约束区的长度（m）;f—土钉与土体间的抗剪强度（kN/m2），一般应由试验资料确定，如果无试验资料，可由下页表5-1确定。表5-1土钉锚固体与土体间的摩阻力标准值土的种类土的状态τf/kPa土的种类土的状态τf/kPa填土16~20粉细砂稍密20~40淤泥10~16中密40~60淤泥质土16~20密实60~80粘性土IL118~30中砂稍密40~600.75IL130~40中密60~700.25IL0.7540~65密实70~900IL0.2565~73粗砂稍密60~90IL073~80中密90~120粉土e0.920~40密实120~1500.75e0.940~60砾砂中密、密实130~160e0.7560~90②由土钉中的钢筋强度fyk决定，即：Tx2=1.1fyk·As(5-4)式中：As—钢筋截面积（m2）；③由土钉与破裂面相交点之外的钢筋与砂浆间的粘结强度τg决定，即：Tx3=·d·(L-LB)·g(5-5)式中：d—钢筋直径（m）；g—钢筋与砂浆界面的粘结强度标准值（kN/m2）（当无试验资料时，可用注浆体的抗剪强度代替）。•在实际计算中，取（5-3）~（5-5）式计算结果中的最小值作为土钉的抗拉能力标准值。一般情况下，土钉破坏均是土钉与土体界面的破坏，即土钉是被拔出的，因此，土钉的抗拉能力标准值通常由式（5-3）决定。（3）最危险破裂面的选择•土钉墙的实际破裂面是没有确定形状的，它往往取决于坡面的几何形状、土体的强度参数、土钉间距、土钉承载力以及土钉的倾斜角度等等。冶建总院法采用圆弧形破裂面，是因为它与一些试验结果比较接近，并且圆弧形破裂面分析计算比较容易。虽然实际的土钉是三维空间分布，但为简化计算，仍用二维分析方法，取单位长度的土钉墙来进行稳定性分析。最危险破裂面具体选择方法如下：①确定可能的圆心点位置•根据Gred.Gadehus对于土坡稳定性分析的研究结果，土坡圆弧滑动可能的圆心位置是x=H[(40-)/70-(-40)/50]，y=H[0.8+(40-)/100]，它与土的内摩擦角值、边坡高度H及边坡坡角值有关。这个圆心的位置就是土钉墙稳定性分析时圆心搜索区域的中心。②确定圆心搜索区域范围•以上面确定的圆心位置为中心，四个方向各伸展0.35Hi，形成一个0.7Hi×0.7Hi的矩形区域作为计算滑裂面圆心的搜索范围，经反复计算验证，上面所确定的区域已足够大，再扩大搜索计算范围已无必要，此处Hi=H+H0(而H为每次计算的坡高，H0为坡顶超载换算的高度)。③确定最危险破裂面•在滑裂面圆心搜索范围内按一定规律