土钉墙-课件

土钉墙技术概述土钉的适用地层及可行性评价土钉支护的应用范围及优缺点土钉与锚杆、加筋土及抗滑桩支护方法的比较土钉的工作机理土钉支护的结构参数土钉墙的设计内容土钉墙的设计步骤土钉墙设计的一般原则土钉墙的设计方法及稳定性分析土钉墙施工概述土钉墙是由被加固土体、锚固于土体中的土钉群和面板组成，形成类似于重力式的挡土墙，以此来抵抗墙后传来的土压力或其他附加荷载，从而保持土体的稳定。组成：土体+土钉+面层面层：钢筋网+喷射砼土钉：注浆型打入型射入式概述土钉墙的发展国外：上世纪70年代，德国、法国我国：1980年开始山西柳湾煤矿边坡稳定上世纪80年代北京工业大学插筋补强上世纪90年代初在北京国家体委办公楼等试点1991年以后陆续使用目前比较成熟，支护深度达到21m概述土钉墙的施工步骤开挖上层土体到一定深度然后设置土钉并构筑混凝土面层继续向下开挖并重复上述步骤，直到所需深度土钉的适用土层及可行性评价土钉支护适用于有一定粘性的砂土、粘性土、粉土、黄土及杂填土，当场地同时存在砂、粘土和不同风化程度的岩体时，应用土钉支护特别有利。当存在地下水时，地下水应低于土坡开挖段，否则应进行降水处理。当用于粘结力很差或处于软塑状态的土体，应首先进行预注浆加固处理。对标贯击数小于10的砂土边坡，采用土钉法一般不经济。对不均匀系数小于2的级配不良的砂土，不能采用土钉支护；对塑性指数IP20的土，必须详细评价其蠕变特性，当蠕变性很小时，才能将土钉用作永久性支护。土钉不适应在腐蚀性土中作为永久性支护。土钉支护深度一般不宜超过12m，当场地土层特别好时，可放宽到14～16m土钉支护的应用范围与优缺点土钉支护的应用范围很广，主要有：土体开挖时的临时支护、永久挡土结构、现有挡土结构和支护的修理、改建和抢险加固等。土钉支护的优点：材料用量和工程量少，施工速度快。施工设备轻便、操作方法简单。对场地土层的适用性较强。结构轻巧、柔性大、有良好的抗震性能和延性安全可靠，信息化施工程度高经济。一般土钉支护比灌注桩可节约造价1/3～2/3土钉支护的应用范围与优缺点土钉支护的缺点和局限性：需要较大的地下空间土钉支护的变形较大。土钉属柔性支护，其变形大于预应力锚撑支护，当对基坑变形要求严格时，不宜采用土钉支护土钉不适宜在软土及松散砂土地层中应用土钉支护如果作为永久性结构，需要专门考虑锈蚀等耐久性问题。土钉与锚杆、加筋土及抗滑桩支护方法的比较土钉与锚杆：二者的工作机理不同，锚杆一般施加预应力，在其末端的锚固段内作为受力段与周围土体接触，提供锚固力。土钉一般不施加预应力或加很小的预应力，土钉只有在土体发生变形后才能被动受力，土钉受力沿长度分布也是不均匀的，一般是中间大、两头小，并且在主动区和抗力区内土钉叠加后使土钉自身趋于力平衡状态，因此土钉面层不属于主要受力构件，它的主要作用是稳定开挖面上的局部土体，防止其塌落和受到侵蚀。同时锚杆的数量远少于土钉，土钉依靠群体起作用，在施工精度和质量要求上没有锚杆那样严格。土钉与锚杆的受力比较图土钉与锚杆、加筋土及抗滑桩支护方法的比较土钉墙与加筋挡土墙：土钉支护属于土体加筋技术中的一种，其形式与加筋挡土墙类似，但土钉施工是从上到下分段边挖土边支护，而加筋土则与之相反，从下而上分层施工，因此二者受力状态相差较大。再者加筋杆件一般水平设置，而土钉则与水平面有一定的夹角。土钉墙与抗滑桩：抗滑桩的直径一般大于土钉，因而起到抗滑挡土的作用，只要抗滑桩不被剪断，就能保持土坡的稳定，抗滑桩主要发挥抗剪作用。而土钉直径较小，起不到挡土的作用，土体破坏时可绕过土体继续滑动，而土钉则不需要被剪断，土钉只要不被拔出就能继续工作，因而土钉主要发挥抗拉作用。土钉的工作机理挡墙的被动制约机制：防止土体坍塌破坏的传统方法是用挡土结构支护法，依靠挡土结构自身强度、刚度、支撑条件及嵌入深度形成抗力维持稳定，其作用是利用外部支挡形成的抗力被动地支挡要下滑破坏的边坡土体。土钉墙是在土体内设置一定长度与分布密度的钢筋，与土体共同工作，以弥补土体自身强度的不足，增强土坡坡体自身的稳定性，属于主动制约支挡体系。试验表明，采用土钉后的边坡比天然土坡的承载力提高一倍以上。采用土钉支护后边坡的变形发展阶段有：弹性变形阶段、塑性变形阶段、渐进变形阶段和破坏阶段。而天然边坡则没有渐进变形开裂阶段，而由塑性变形进入破坏阶段，其失稳形式为突发性滑塌。土钉的工作机理土钉墙的作用机理主要有以下三点：复合土体作用：土钉与土共同作用，共同承担外荷载和土体自重应力，形成了强度较高的复合土体。由于土钉有较高的抗弯、抗剪、抗拉强度，当土体变形进入塑性变形阶段后，应力逐渐向土钉转移，这样就减少了土体中的应力集中，避免了塑性区的进一步扩大，提高了土体的承载力。类重力墙的作用：由于土钉数量众多，间距较小，土钉与土的共同作用使之形成了类重力式复合土体挡墙，以抵抗土体侧压力，保持土体稳定。土拱作用：受土钉约束，邻近土钉的土体变形较小，离土钉较远的土体变形较大，土钉与钉间土形成了土拱作用，保持钉间土的稳定。主动约束机制与被动约束机制a—开挖前的弹性平衡状态；b—开挖卸荷造成的剪切破坏；C—被动支挡提供侧向平衡力——被动制约；d—内部补强提供侧向约束——主动制约；土钉支护的结构参数主要有4个参数指标：长度比L/H，L为土钉长度，H为支护高度或土体挖深；粘结比D×L/A，D为孔径，A为每一土钉名义上承担的土体竖向面积，即为水平间距和竖向间距的乘积；强度比d2/A，d为土钉钢筋直径，如果土钉和钉孔为非圆断面，则以钢材面积相等来确定等效d，并以粘结面积相等来确定等效D；性能比δ/H，δ为支护土体向外移动的最大水平位移，发生在支护面层顶端上。土钉墙的设计内容确定土钉墙的平面、剖面尺寸及分段开挖深度确定土钉的布置方式和间距确定土钉的直径、长度、倾角及在空间的方向确定土钉钢筋的类型、直径和构造注浆配比、注浆方式设计混凝土面板设计及坡顶防护设计进行整体和内部稳定性分析施工图设计监测、质量控制与保证设计土钉墙的设计步骤（1）根据边坡高度、土质条件及工程性质，初步确定土钉墙的结构尺寸、土钉布置方式和间距，分段开挖深度；（2）根据现场抗拔试验结果、土压力分布、土抗剪参数，并结合已往经验，确定土钉类型尺寸、土钉直径和长度；（3）进行内部稳定性分析，包括不同开挖阶段、不同位置处沿最危险破裂面的滑坡破坏、土钉本身的强度破坏，拔出破坏以及喷射混凝土面板的破坏等；（4）进行外部稳定性验算。把土钉视为挡土墙，进行抗滑、抗倾、底部地基承载力验算；（5）进行第（3）、（4）项的稳定性验算，如不满足，修改（1）、（2）项的设计内容。重复上述过程直到取得满意结果。（6）进行施工图设计、构造设计及质量控制设计。土钉墙的一般原则（1）土钉墙一般用于高度在15米以下的基坑和边坡，常用高度为6~12米，坡角70～90度。（2）土钉长度一般为：注浆式土钉为0.5～1.0H，打入式土钉为0.5～1.2H。（3）土钉一般均匀布置在坡面中，为使土钉与周围土体形成一个组合整体，土钉间距不宜过大。对注浆式土钉，间距一般为1～2m，对打入式土钉，间距一般为0.5～1.5m。土钉与水平面的夹角一般取为5～20度。（4）土钉钢筋为Ⅱ级以上螺纹钢筋，钢筋直径一般为φ16-32mm，常用φ22-25mm，钻孔直径一般为70-120mm，常用100-110mm。土钉墙的一般原则（5）土钉面层不是主要受力构件，并不需很厚，一般满足构造要求即可。通常用50～100mm厚的喷射混凝土加钢筋网组成，混凝土强度应在C18以上。土钉与面层应进行连接。对于永久性土钉支护，面层混凝土厚度至少取150～250mm。（6）土钉墙施工是分层开挖的，每层的开挖厚度一般与土钉垂直间距相同，或允许超挖20～50cm。（7）注浆材料常用水灰比不大于0.5的水泥浆，用常压注浆或用0.5MPa的压力注浆，当土层较差抗拔力达不到要求时，可采用二次注浆。土钉墙的设计方法及稳定性分析关于土钉墙的设计方法有很多种，按其基本原理可分为极限平衡方法和有限元方法。目前在工程上多采用极限平衡分析法，如法国圆弧形破裂面方法、德国双线性破裂面方法、运动学方法、王步云方法、Bridle方法等。关于土钉设计方法，目前还没有一个公认统一的计算方法。这里主要介绍一些较为成熟的方法，如王步云方法、Bridle方法和圆弧滑动分析法等。土钉墙的设计方法及稳定性分析（1）土钉长度：抗拔试验表明，当土钉长度达到一倍坡高时，再增加长度对承载力无显著提高。因此，初选土钉长度为：L=mH+S0，其中，m为经验系数，取0.7～1.0；H为土坡垂直高度；S0为止浆器长度，一般为0.8～1.5米。（2）土钉钻孔直径及间距布置：土钉钻孔直径dh可取为110～200mm，按（6～8）dh初选土钉间距，且应满足：Sx×Sy=K1dhL。其中，Sx、Sy分别为土钉水平、垂直间距，K1为注浆工艺系数，取1.5～2.5。（3）土钉钢筋直径：土钉钢筋直径db按下式计算：db=（20～25）×10-3×Sx×Sy，其中，间距单位为m，db单位为mm。有时计算结果偏大，则上式可修改为：db=20×10-3×（Sx×Sy）1/2。一、王步云方法土钉墙的设计方法及稳定性分析（4）土钉内部稳定性分析①土钉抗拉断裂极限状态验算：在面层土压力作用下，不使土钉端部产生过量的伸长或屈服，应满足：5.142iybEfd式中：fy为钢筋抗拉强度设计值；Ei为第i层单根土钉作用范围内面层上的土压力，Ei=q0SxSy。验算时，应取最大值。土钉墙的设计方法及稳定性分析②土钉抗拔出验算：为使土钉不被拔出，应满足：式中：Fi为第i层土钉的有效锚固力；Lai为滑面外的土钉锚固段长度；Fs为抗拔出安全系数，取1.3～2.0；τ为土钉与土的界面摩阻强度，无实测值时，可用τ=c+γhtgφ。aihisiiLdFFEF土钉墙的设计方法及稳定性分析Bridle方法只适用于均质土，并且假定：滑动面为对数螺旋线，滑动面通过坡脚。根据不平衡力矩进行分析二、Bridle方法王步云法和Bridle方法只适用于均质土，王步云法假定破裂面距坡面的距离为0.3H，对软土可能不安全，并且上部土钉计算拉力值可能偏低。对北京地区而言，用王步云方法则偏于保守。Bridle方法假设条件较多，计算出的土钉拉力呈上小下大分布规律，与实测结果不符，并且算出的钉长偏短。因此，在设计时常采用圆弧滑动法。土钉墙的设计方法及稳定性分析该方法是一种分析边坡滑动的经典方法，适用于多层土、任意超载及有地下水的情况，滑弧经搜索确定，无任何限定条件。土钉主要以受拉为主，因此在进行分析时，只考虑土钉提供的拉力作用。三、圆弧滑动法土钉墙的设计方法及稳定性分析如图所示，由土体重力产生的抗滑力矩和滑动力矩分别为：ORWiqibiiαiαjROABNTjjθjβj圆弧滑动面条分法示意图土钉的抗拔力nixiiiiiiirRStgbqWLCM1cosnixiiiiSRSbqWM1sin土钉墙的设计方法及稳定性分析如图所示，设第j根土钉产生的有效抗拔力为Tj，其可进一步分解为Tnj和Ttj，且由它们产生的抗滑力矩为MrjORWiqibiiαiαjROABNTjjθjβj圆弧滑动面条分法示意图土钉的抗拔力jjjjjtjjjnjjajhjjTTTTLdT090sincosRtgTRTMjnjtjrj土钉墙的设计方法及稳定性分析根据瑞典条分法原理，考虑钉土相互作用的圆弧滑动安全系数为：njxiiiimjjnjtjnixiiiiiiisnjrjrsSbqWtgTTStgbqWLCMMMF1111sincos式中：n、m分别为总土条数和总土钉数。这种方法考虑了钉土间的相互作用，是一种值得提倡的好方法。土钉