土钉墙基坑支护设计

《深基坑工程支护设计》—基坑土钉支护四川建院土木系地质教研室二0一四年六月目录1.土钉墙支护设计理论2.基坑土钉墙支护设计任务书3.基坑土钉墙支护设计指导书4.本次设计的相关资料1．土钉墙支护设计理论1.1概述1.1.1基坑支护的作用基坑开挖后,形成临空面,在基坑土体自身重量、地表荷载、地下水渗透作用下，可能产生破坏或过大变形，危及基础施工或周围建筑物的安全，因此，须对基坑侧壁采取一定的措施进行支护。1.1.2土钉墙及土钉的定义、支护原理土钉墙：由土钉、被加固的土体、面层组成的支护结构。土钉墙支护在某些施工企业也称为喷锚支护。其组成如图1.1.2-1所示：图1.1.2-1土钉墙剖面示意图土钉：用来加固、锚固现场原位土体的细长杆件。通常采用土中钻孔，置入变形钢筋，并沿孔全长注浆的方法做成。土钉依靠与土体之间的界面粘结力或摩擦力，在土体发生变形的条件下被动受力，并主要承受拉力作用。土钉也可用钢管、角钢直接击入土中,并全长注浆的方法做成。面层：在土钉端部沿水平方向及竖向焊接加强钢筋，在加强钢筋上焊接分布钢筋，再喷射混凝土制作而成。加固原理：基坑临空面形成后，侧壁土体有向临空面位移的趋势，及沿某一潜在破坏面破坏的趋势，置入土钉后，土钉承受了由周围土体及面层传递过来的土压力，把土压力传递至稳定的土层中去，从而阻止了侧壁土体向基坑方向的位移；土钉加固土体使土体强度提高，并由于土钉的拉力，使潜在破坏面上的法向应力增大，因而摩擦力增大，阻止基坑侧壁沿某一潜在破坏面破坏。1.1.3土钉墙的适用条件1．基坑侧壁安全等级宜为二、三级的非软土场地（基坑侧壁安全等级根据侧壁破坏后果的严重程度划分）。2．基坑深度不宜大于12m。3．当地下水位高于坑底面时，应采取降水或截水措施。当土质较差，且基坑边坡靠近重要建筑设施,需要严格控制支护变形时，宜开挖前先沿基坑边缘设置密排的竖向微型桩（见图1.1.3-1），其间距不宜大于1m，深入基坑底部1~3m。微型桩可用无缝钢管或焊管，直径48~150m，管壁上应设置出浆孔。小直径的钢管可分段在不同挖深处用击打方法置入并注浆；较大直径（大于100mm）的钢管宜采用钻孔置入并注浆，在距孔底1/3孔深范围内的管壁上设置注浆孔，注浆孔直径10~15mm，间距400~500mm。图1.1.3-1超前设置微形桩的土钉支护当支护变形需要严格限制在不良土体中施工时，宜联合使用其他支护技术，将土钉支护扩展为土钉——预应力锚杆联合支护、土钉——桩联合支护、土钉——防渗墙联合支护等，并参照相应标准进行设计施工。1.1.4与锚杆支护相比，土钉与土钉墙支护的特点1．土钉的作用之一是加固周围土体，使周围土体的强度增加，保证其稳定性，并和被加固的土体一起作为挡土结构，支护基坑。锚杆常与桩、墙联合使用，作为桩墙等挡土结构的支点，与桩墙一起作为支护结构，此时，锚杆周围的土体不再为支护结构的一部分。2．土钉在基坑侧壁上的排列较密，锚杆的排列间距较大。3．土钉在土体发生变形后才被动受拉，土钉对土体的约束需要土体变形作为补偿，锚杆一般在设置时预加拉应力，给土体以主动约束。4．土钉沿孔全长注浆、锚杆应考虑自由段e长度不应小于5m。1.1.5土钉及土钉墙的受力状态和破坏形式1．土钉墙在自身重量等荷载作用下,可能沿内部或外部破裂面产生整体破坏，如图1.1.4-1所示。图1.1.4-1土钉墙沿内部或外部破裂面2．土钉墙沿墙底产生滑移，或沿墙趾产生倾覆。3．单根土钉在拉力作用下被拔出。土体在自身重量等荷载作用下,产生变形,作用土压力于面层，面层传递给土钉，土钉承受了由面层及周围土体传递过来的拉力，有向基坑方向拔出的驱势；同时破裂面以外稳定土体与土钉的粘结力对土钉产生抗拔力，阻止土钉向外拔出。当拉力大于抗拔力时，土钉被拔出。4．土钉墙墙底承载力不够，产生破坏。1.2土钉墙的构造要求1．土钉墙墙面坡度不宜大于1:0.1；2．土钉和面层必须有效连接，应设置承压板或加强钢筋等构造措施,承压板或加强钢筋应与土钉螺栓连接或钢筋焊接连接；3．土钉的长度宜为开挖深度的0.5～1.2倍，间距宜为1～2m,与水平面夹角宜为5～20；4．土钉钢筋宜采用HPB235、HRB335级钢筋，钢筋直径宜为16～32mm,钻孔直径宜为70～120mm；5．注浆材料宜为水泥浆或水泥砂浆，其强度等级不低于M10；6．喷射混凝土面层宜配置钢筋网，钢筋直径宜为6～10mm，间距宜为150～300mm；喷射混凝土强度等级不宜低于C20，厚度不宜小于80mm；7．坡面上下段钢筋搭接长度应大于300mm；8．排水系统参照如下规定：基坑四周支护范围内的地表应加修整，构筑排水沟和水泥砂浆或混凝土地面，防止地表降水向地下渗透，靠近基坑坡顶宽2~4m的地面应适当垫高，并且里高外低，便于径流远离边坡。为了排除积聚在基坑内的渗水和雨水，应在坑底设置排水沟及集水坑。排水沟应离开边壁0.5~1m，排水沟及集水坑宜用砖砌并用砂浆抹面以防止渗漏，坑中积水应及时抽出。在支护面层背部应插入长度为400~600mm，直径不小于40mm水平排水管，其外端伸出支护面层，间距可为1.5~2m，以便将喷射混凝土面层后积水排出。1.3设计1.3.1一般规定1．根据构造要求和工程经验，初选支护各部件的尺寸和材料参数；2．进行计算分析，主要有：(1)土钉的设计计算(抗拉承载力验算、土钉长度验算等)；(2)支护的内部整体稳定性分析与外部整体稳定性分析；(3)喷射混凝土面层的设计计算及土钉与面层的连接计算。通过上述计算对各部件的初选参数做出修改，给出施工图。3．根据施工过程中的量测监控数据和发现的问题，进行反馈设计。1.3.2单根土钉抗拉承载力计算1.3.2.1土钉的设计计算遵循下列原则：1．只考虑土钉的受拉作用；2．土钉的设计内力按1.3.3.2条规定的侧压力图形算出；3．土钉的尺寸应满足设计内力(受拉荷载)的要求，同时还应满足支护内部整体稳定性的要求。1.3.2.2土钉设计内力N(受拉荷载)计算每一个土钉所受的最大拉力或设计内力：hvSpSNcos1其中：：土钉的倾角；vS：计算土钉在水平方向与相邻土钉中点的间距。hS：计算土钉在竖直方向与相邻土钉中点的间距。p：土钉长度中点所处深度位置上的侧压力，qppp1；1p：土钉长度中点所处深度位置上由支护土体自重引起的侧压力，据图1.3.2.2-1求出。qp：地表均布荷载引起的侧压力。1p及qp沿基坑深度分布图如下：图1.3.2.2-11p及qp沿基坑深度分布图mp：基坑深度方向土体自重产生的侧压力p1的最大值，其求解方法如下：对于Hc≤0.05的砂土和粉土：HKPam55.0对于Hc0.05的一般粘性土：HkHKarHckpaam55.0)21(粘性土mp的取值应不小于0.2H。图中地表均布荷载引起的侧压力取为：qkpaq其中：q：地表荷载，最小取为15KPa；)245(tan2aK；为土的重度，H为基坑深度；上式中的、和c值可取各层土按其厚度加权的平均值求出。1.3.2.3土钉设计内力验算各层土钉的设计内力应满足：ykdsfdNF41.12,其中：dsF,：土钉的局部稳定性安全系数，取1.2~1.4，基坑深度较大时，取大值；N：土钉设计内力；d：土钉钢筋直径；ykf：钢筋抗拉强度标准值，按《混凝土结构设计规范》（GBJ10-89）取用。各层土钉极限抗拉承载力R需满足：RldNFiids20,图1.3.2.3-1支护内潜在破裂面其中：il2：土钉在破坏面以外稳定土体第i层土中的长度；0d：土钉孔径；τ：土钉与土体之间的界面粘结强度，按表1.3.2.4-1选取。表1.3.2.4-1界面粘结强度标准值土类粘性土砂土素填土状态软塑可塑硬塑坚塑松散稍密中密密实τ（kpa）15～3030～5050～7070～9070～9090～120120～160160～20030～60注：表中数据为低压注浆时的极限粘结强度标准值。1.3.2.4各层土钉长度验算各层土钉的长度l应满足下列条件：0,1dNFllds1.3.3土钉支护的整体稳定性分析土钉支护的内部整体稳定性分析是指边坡土体中可能出现的破坏面发生在支护内部并穿过全部或部分土钉。破坏模式如图1.3.3-1所示，破坏面为一圆弧面，并考虑土钉的拉力，采用普通圆弧条分法对支护作整体稳定性分析。图1.3.3-1内部整体稳定性分析安全稳定性系数计算公式如下：costan(/)sintan(/cos)(/)ssiniiijkhkkjjiikhkksiiiwQRScRScoFwQiw、iQ：分别为作用于土条的自重和地面荷载；i:土条i圆弧破坏面切线与水平面的夹角；i：土条i的宽度；j：土条i圆弧破坏面所处的第j层土的内摩擦角；jc：土条i圆弧破坏面所处的第j层土的粘聚力；kR：破坏面上第K排土钉的最大抗力，按1.3.3.3条确定；k：第k排土钉轴线与该处破坏面之间的夹角；hkS：第k排土钉的水平间距。需要收索所有可能破坏的圆弧面，并计算其安全稳定性系数（此工作量较大，一般由计算机完成），安全稳定性系数最小值所对应的圆弧面为最可能破坏的圆弧面，该安全稳定性系数最小值要求大于表1.3.3-1中的值。表1.3.3-1支护内部整体稳定性分析基坑深度（m）≤66～12≥12安全系数最小值1.21.31.4土钉支护还应验算施工各阶段的内部稳定性。土钉支护的外部整体稳定性分析是指整个土钉沿底面水平滑动、绕基坑底角倾覆、沿深部的圆弧破坏面失稳。土钉支护的外部稳定性分析与重力式挡土墙的稳定性分析相同，可将由土钉加固的整个土体视为重力式挡土墙，分别验算其底面抗水平滑动验算、基坑底角抗倾覆验算和整体稳定性验算。1.3.3.4混凝土面层：按构造要求设计。1.4施工与检测土钉墙施工之前先确定基坑开挖线、轴线定位点、水准基点、变形观测点等，并妥善保护；编制好基坑支护施工组织设计，周密安排支护施工与基坑土方开挖、出土等工作的关系，使支护施工与土方开挖密切配合；准备土钉等有关材料和施工机具。1.4.1施工前应具备下列文件1．岩土工程勘察报告；2．土钉墙支护结构施工图；3．降水系统施工图，以及需要工程降水时的降水方案设计；4．施工方案和施工组织设计，规定基坑分层、分段开挖的深度和长度，边坡开挖面的裸露时间限制等；5．支护整体稳定性分析计算书；6．现场测试监控方案和应急措施。1.4.2施工工序1．基坑开挖：基坑要按设计要求严格分层分段开挖，在完成上一层作业面土钉与喷射混凝土面层达到设计强度的70％以前，不得进行下一层土层的开挖。每层开挖最大深度取决于在支护投人工作前土壁可以自稳而不发生滑动破坏的能力，实际工程中常取基坑每层挖深与土钉竖向间距相等。每层开挖的水平分段宽度也取决于土壁自稳能力，且与支护施工流程相互衔接，一般多为10～20m长。当基坑面积较大时，允许在距离基坑四周边坡8~10m的基坑中部自由开挖，但应注意与分层作业区的开挖相协调。挖方要选用对坡面土体扰动小的挖土设备和方法，严禁边壁出现超挖或造成边壁土体松动。坡面经机械开挖后要采用小型机械或铲锹进行切削清坡，以使坡度及坡面平整度达到设计要求。2．喷射第一道面层：每步开挖后应尽快做好面层，即对修整后的边壁立即喷上一层薄混凝土或砂浆。若土层地质条件好的话，可省去该道面层。3．设置土钉：土钉的设置，对于钢筋钉通常是先在土体中成孔，然后置入土钉钢筋并沿全长注浆。对于钢管钉可击入土体再由钢管内注浆。(1)钻孔钻孔前，应根据设计要求定出孔位并作出标记及编号。当成孔过程中遇到障碍物需调整孔位时，不得损害支护结构设计原定的安全程度。钻孔可用锚杆钻机，它能自动退钻杆、接钻杆，适合上中钻孔。钻孔时，在进钻和抽出钻杆过程中不得引起土体坍孔。而在易坍孔的土体中钻孔时宜采用套管成孔或挤压成孔。成孔过程中应由专人做成孔记录，按土钉编号逐一记载取出土体的特征、成孔质量、事故处理等，并将取出的土体及时与初步设计所认定的土质加以对比，若发现