修改第8讲土钉墙.

挡土结构与基坑工程木林隆博士岩土大楼820室[e-mail]第八讲土钉墙•概述•土钉的工作机理及工作特性•土钉墙及复合土钉墙的设计计算•土钉墙施工质量控制•土钉墙案例钢板桩加土钉围护结构土钉（锚管）申德公寓基坑土钉及喷射混凝土面层申德公寓基坑土钉及喷射混凝土面层土钉墙剖面1—喷射混凝土面层；2—土钉a)()/22q01ROq1WiTujb)21Tujhl1bih土钉是土体中原位加筋技术的一种，是由水平或近于水平设置于天然边坡或开挖形成的边坡中的加筋杆件及面层结构形成的挡土体系，用以改善原位土体的性能，并与原位土体共同工作，形成一重力式挡墙作用的轻型支挡结构，从而提高整个边坡的稳定性。土钉墙的概念定义组成构件土钉粘附于土体表面的钢筋混凝土面层土钉之间的被加固土体概述土钉技术的发展历史1972年，法国承包商Bouygues在法国Versai11es附近的一处铁路边坡开挖工程中，采用了喷混凝土并在土体中置入钢筋(土钉)作为临时支护，开挖的边坡坡度为70º，长965m，最大坡高21.6m，共用了25000多根钢筋。这是有着详细记载的第一个土钉工程。概述广泛应用土钉支护仅次于法国的是德国，到1981年西德已成功完成了20个以上的土钉支护工程项目，1986年发表的一份报告估计，当时西德每年进行的土钉支护工程约为法国的1/4。美国最早记载土钉支护的应用是1976年在Oregon州波特兰市一所医院(GoodSamaritanHospital)扩建工程中的基础开挖。但在北美、加拿大的西部地区早在60年代末期已经用过土钉作为房屋基础开挖的临时支护。美国另一项有名的土钉支护工程是匹次堡PPG工业总部的深基开挖，与其紧挨的有已建建筑物，所以开挖时对土层作了注浆处理，并且对土钉区内的已有房屋基础用微型桩(micropiles)作了托换。美国联邦公路管理局现在已有土钉支护技术设计与施工的指南性文件。我国应用土钉的首例工程是1980年山西柳湾煤矿的边坡加固。土钉技术的发展历史概述一般按施工方法将土钉分为三种类型：钻孔注浆型，直接打入型和打入注浆型。钻孔注浆型土钉：先在土坡上钻的孔，然后插入钢筋、钢杆或钢铰索等小直径杆件，再用压力注浆充实孔穴，形成与周围土体密实粘合的土钉，最后与面层结构构成一个具有自撑能力且能够支挡其后末加固体的加筋域。土钉的类型概述打入型土钉：将钢杆件直接打入土中。其提供的摩阻力较低，因而所要求的钉杆表面积和设置密度均需大于钻孔注浆型土钉，其长期防腐工作也难以保证，因而，目前多用于临时性支挡工程中。打入注浆型：在钢管中部及尾部设置注浆孔成为钢花管，直接打入土中后压灌水泥浆形成土钉。它具有直接打入土钉的优点且抗拔力较高，应用较为广泛，缺点是造价比钻孔注浆土钉略高，防腐性能较差不适用于永久性工程。土钉机（气动冲击锚杆机）每步开挖后应尽快在开挖面上做好支护，可以先在开挖面上打入短钢筋，控上钢筋网，然后喷50mm~100mm厚面层。土钉支护中的面层不是主要受力部件，并不需要很厚，也可以用预制混凝土板拼起来作为面层，在块状岩体或硬土中甚至可以仅设焊接网。在稳定性良好的土体中也可以先设置土钉，然后做喷混凝土面层。土钉的附属结构概述面层排水系统为了防止地表水渗透对喷混凝土面层产生压力和侵蚀，防止土体因饱和而降低其强度和土钉之间的粘结力，土钉支护必须有良好的排水系统。•能合理利用土体的自稳能力•结构轻型，柔性大，有良好的抗震性和延性，破坏前有变形发展过程•密封性好，完全将土坡表面覆盖，没有裸露土方，防止地下水渗出，雨水渗入•土钉数量众多靠群体作用，个别土钉破坏影响不大•施工所需场地小，移动灵活•施工速度快•施工设备及工艺简单，不需要复杂的技术和大型机具，施工对周围环境干扰小•孔径小，与桩相比，穿透卵石、漂石及填石能力更强•边开挖边支护便于信息化施工•材料用量及工程量少，便于信息化施工土钉墙的特点概述土钉墙+预应力锚杆土钉墙+隔水帷幕土钉墙+微型桩土钉墙+隔水帷幕+预应力锚杆土钉墙+微型桩+预应力锚杆土钉墙+搅拌桩+微型桩土钉墙+隔水帷幕+微型桩+预应力锚杆复合土钉墙概述类型与普通土钉墙相比•对土层的适用性更广、更强，几乎可适用于各种土层•整体稳定性、抗隆起及抗渗稳定性更高•增加了支护深度•有效控制水平变形•保持了土钉墙造价低、工期快、施工方便、设备简单等优点复合土钉墙概述特点土钉与锚杆的比较概述锚杆土钉拉力分布自由段不与土接触，拉力从自由端交界处向尾端单调递减拉力沿全场分布，中间大两端小对土体的约束机制通常施加预应力，主动约束挡土结构变形需借助土体变形，是被动受力密度及施工要求密度小，每根都是重要部件密度大，允许个别破坏设计承载力与锚头结构设计承载力较大，锚头构造复杂设计承载力小，结构简单施工规模长度一般不小于15m，直径不小于130mm，施工机械设备大长度小，直径小，设备简单挡土墙机理视主动区土体为荷载，通过锚杆传递至稳定区通过加筋将最危险滑动面主动区的土体改良为复合土体，将复合土体的荷载传递至滑移面后施工顺序自上而下或自下而上自上而下注浆工艺通常在锚固段二次注浆，高压注浆重力一次注浆墙底压力挡墙下设置基础垂直分力小筋杆长度长短重力式挡土墙及加筋土挡墙均先构筑挡土墙后开挖，土钉墙先开挖后筑墙重力式挡墙一般视为刚性墙，土钉墙是柔性复合结构重力式挡墙墙趾压力较大会导致沉降或倾覆，而土钉墙墙趾压力较天然土没有显著增加土钉与重力式挡墙的比较概述理论上土钉密集到一定程度就会形成墙，达到重力式挡墙的效果，但实际上，实践工程中，土钉无法达到这个密集程度。含水丰富的粉细砂、中细砂、中粗砂、砾砂及卵石层过于干燥的砂层、相对密度较小的均匀度较好的砂层淤泥质土、淤泥等软弱土层膨胀土强度过于低的土对变形严格要求的基坑较深的基坑地基灵敏度较高的土层对用地红线有严格要求的基坑土钉墙适用条件概述地下水位以上或经人工降水后的人工填土、粘性土和弱胶结砂土。不适合淤泥质土、淤泥等软弱土层太深厚时超过20m的基坑对变形严格要求的基坑地基灵敏度较高的土层对用地红线有严格要求的基坑复合土钉墙适用条件概述不适合土钉的工作机理及工作特性土钉置入现场土体后，如果土体不变形，土钉就不会受力。随着往下开挖或地表上施加荷载，土体发生变形，于是通过土体与土钉或土体与钻孔注浆之间的界面作用使土钉参与工作。试验表明，土体只要微小的变形就可使土钉受力。土钉在支护中所起的作用显然与土体变形的运动方向有关。为能充分发挥土钉的作用，土钉的设置方向宜与土体可能发生的剪切滑移面成某一角度，使土钉受拉并能充分提高土体的抗剪强度；如果土钉方向与土体剪切滑移面之间的角度使土钉受压，此时甚至会降低土体的抗剪强度。土钉墙的工作机理土钉的工作机理及工作特性1、箍束骨架作用：制约土体变形，并使复合土体构成一个整体。2、分担作用：由于土钉有较高的抗拉、抗剪强度以及土体无法比拟的抗弯刚度，当土体进入塑性状态后，应力逐渐向土钉转移。当土体开裂时，土钉分担作用更加突出，这时土钉内部出现弯剪、拉剪等复合应力，从而导致土钉体中浆体碎裂，钢筋屈服。3、应力传递与扩散作用：在同等荷载作用下，由土钉加固的土体内的应力水平比素土边坡土体内的应力水平大大降低，从而推迟了开裂的形成和发展。4、坡面变形的约束作用：坡面鼓胀变形是开挖卸荷、土体侧向变位以及塑性变形和开裂发展的必然结果，面层对此有很好的约束作用。土钉墙的工作机理设计参数1.土钉墙的几何形状和尺寸2.土钉的几何参数3.土钉的抗拔力4.杆体5.注浆6.面层7.连接件8.防排水系统9.隔水帷幕10.锚杆11.微型桩土钉墙及复合土钉墙的设计计算设计参数及一般设计原则土钉墙的几何形状和尺寸土钉墙及复合土钉墙的设计计算确定平面尺寸时要考虑到桩基础形式及施工工艺，，为桩基施工留出足够的工作面土钉墙高度由开挖深度决定应尽可能采用较缓的坡率以提高安全性及节约工程造价，土钉墙的坡比不宜大于1：0.2有条件应考虑分级放坡应尽量避免尖锐的转角及减少拐点设计参数及一般设计原则土钉的几何参数土钉墙及复合土钉墙的设计计算直径钻孔注浆型土钉直径d一般根据成孔方法确定。孔径越大，越有助于提高土钉的抗拔力，增加结构的稳定性，但是，施工成本也会相应增加长度土钉越长，抗拔力越高，基坑位移越小，稳定性越好，当土钉达到临界长度lcr（非软土中一般为1.0~1.2倍的基坑开挖深度）后，再加长对承载力的提高并不明显，土钉越长，施工难度越大，效率越低，单位长度的工程造价越高间距（包括水平间距sx和竖向间距sz）密度越大基坑稳定性越好，土钉越长，土钉密度越小，一方面排距因受到开挖面临界自稳高度的限制不能过大，土钉间距过小可能会因群钉效应降低单根土钉的功效，故纵横间距要适合设计参数及一般设计原则土钉的几何参数土钉墙及复合土钉墙的设计计算倾角理想状态下土钉轴线应与破裂面垂直，以便能充分发挥土钉提供的抗力。钻孔注浆型土钉的倾角以15°~20°效果最好。钢管土钉的最佳倾角为10°~15°空间布置①最上一排土钉与地表的距离（0.5~2m）②最下一排土钉距坑底位置（2/3排距距离0.5m）③同一排土钉一般在同一标高上布置④在深度方向上，土钉的布置形式大体有上下等长、上短下长、上长下短、中部长两头短、长短相间5种设计参数及一般设计原则土钉的抗拔力土钉墙及复合土钉墙的设计计算破坏模式①土钉整条从土层中拔出（抗拔强度破坏）②筋体在破裂面附近拉剪断裂（抗拉强度破坏）③筋体从注浆体中拔出（筋体抗拔强度破坏）④面层与土钉脱落（钉头强度破坏）计算方法isikulqdN设计参数及一般设计原则杆体土钉墙及复合土钉墙的设计计算dN/dl=πτdNfAys土钉内力沿土钉全长分布（a)粘结应力；（b）拉力设计参数及一般设计原则注浆土钉墙及复合土钉墙的设计计算土钉一般采用一次注浆。采用二次及多次注浆可明显提高土钉的抗拔力，但是，也提高了工程造价。钻孔注浆土钉通常采用重力式注浆，注浆量较小，可根据孔径计算出来，水泥用量一般10~20kg/m。打入钢管注浆钉需要较高的注浆压力才可将浆液注入土中，开孔压力可达2.0MPa。灌入水泥量一般要求不小于15kg/m。面层面层太厚固然用处不大，太薄也不合适，应能覆盖住钢筋网片及连接件。一般临时性工程50~150mm，永久性工程120~300mm。混凝土的设计强度，按构造即可，一般为C15~C25。设计参数及一般设计原则连接件土钉墙及复合土钉墙的设计计算skzuiqdlNT土钉（锚索）与面层连接构造图（a)螺母垫板连接；（b）L筋连接；（c）角钢连接；（d）锚索与喷射混凝土腰梁、面层连接设计参数及一般设计原则稳定性计算土钉墙及复合土钉墙的设计计算iiiiiiissWWlcKKsintancos0设计参数及一般设计原则土钉抗力计算土钉墙及复合土钉墙的设计计算。）排土钉的垂直间距内的距离应计入最上（下至坡顶（脚））。最上（下）排土钉倍（层土钉垂直间距的层至第—平均值，局部间距不均匀时取层土钉水平间距第—），按相关规定计算强度标注值（层土钉处的主动土压力第—分布调整系数层土钉处的主动土压力—第—压力折减系数—坡面倾斜时的主动土—）层土钉的倾角（—第—）值（层土钉的轴向荷载标准第—式中：mjjsmjskPajejjkNjNsseNjzjjakjjjkjzjxakjjjk5.011)(cos1,,x,,,,,245tan/cot2cot2tan245tan212tancot2cot212tan222''2mmmmaammmsrHEEErHWE土钉墙施工流程土钉墙施工质量控制开挖工作面→修整坡面→喷射第一层混凝土→土钉定位→钻孔→清孔→制作、安装土钉→浆液制备、注浆→加工钢筋、绑扎钢筋网→安装泄水管→喷射第二层混凝土→养护→开挖下一层工作面，重复以上工作直到