[教学]复合型土钉支护

复合型土钉支护 演讲人：李象范第一章 土钉支护概述 所谓土钉，是指置于原状地层中，并通过注浆与地层密实联系的细长金属杆（管）件，起到加固边坡并约束地层变形的作用。土钉支护则是以密集分布的土钉作为土体加固措施，并辅以钢筋网片和喷射混凝土面层的边坡原位加固支护技术。它由土钉、原状土体、钢筋网片和必要的防排水系统组成。土钉支护的原理及特点土钉的工作特点是沿通长与周围土体接触，以群体起作用，与周围土体形成一个组合体，在土体发生变形的条件下，通过与土体接触面上的粘结力或摩擦力，使土钉被动受拉，并主要通过受拉工作给土体以约束加固或使其稳定。土钉墙充分利用了土体的自承能力，通过喷、锚、网，进一步增强土体的强度和稳定性，形成一种自稳性结构的主动支护体系。土钉支护的发展 现代土钉技术始于70年代，许多国家几乎都在同一时期内各自独立提出这种支护方法并加以开发土钉技术在许多方面与隧道修建的新奥法施工类似，可看成是新奥法概念的延伸。60年代初期出现的新奥法施工，将喷射混凝土技术和全粘结注浆锚杆结合起来并首先用于硬岩中的隧道断面开挖，使得开挖后的土体很快得到稳定。新奥法的特征就在于充分利用围岩的自承作用，喷射砼、锚杆起加固围岩的作用，把围岩看作是支护的重要组成部分，并通过监控量测，实行信息化设计和施工，有控制地调节围岩的变形，以最大限度地利用围岩的自承作用。该技术最早出现在法国，随后，德国、美国等国家也进行了一系列研究和工程实践，取得了一些有益的成果。我国土钉支护的实践最早是山西太原煤矿设计院王步云在1980年用于山西柳湾煤矿的边坡支护工程。90年代以后，国内高层建筑和基础设施建设大规模兴起，基坑开挖项目愈来愈多，使原位土的各种加筋技术得到很快发展。尽管起步稍晚，但由于国内的建设规模巨大，基坑土钉支护的应用数量估计已超过其他国家。但与国外相比，迄今对土钉技术还缺乏深入系统的研究，设计计算方法也比较粗糙，许多工程只经过简单的设计计算，大多凭经验确定支护参数，稳定分析也不够完善，表现出理论研究落后于工程实践的现状。土钉支护的施工工艺 土钉施工的流程图（1）开挖（2）置钉注浆（3）喷混凝土面层（4）下步开挖土钉与锚杆的比较 相似处都是维持垂直边坡的结构体系。土方开挖及施工顺序都是由上而下。土钉与土层锚杆施工方法都是钻孔、钢筋杆插入、通过注浆将钢筋杆与地层黏结在一起。不同处受力机制，锚杆支护是被动受力机制，土钉支护是主动受力机制。锚杆设置的数目有限，单根锚杆的失效极易造成整个结构失稳破坏；土钉由于设置较密，单根土钉的破坏不会对整个结构的功能产生影响。锚杆端头部承受的荷载很大，必须安装适当的承载装置；土钉的面层主要作用在于保持土体的局部稳定性，利用喷射混凝土和小尺寸垫板即可满足要求。锚杆需要大规模机械施工，土钉则相对规模较小。锚杆仅在锚固端才与周围土体紧密结合，将荷载传递给稳定土体；土钉则是在全长范围内与土体接触，其荷载传递是沿着整个土钉进行的，且其受力是变化的，主动区对土钉产生向外的拉拔力，抗力区产生反方向的抗拔力，拉力在滑裂面处最大，往两端逐渐减小。土钉与加筋土挡墙的比较 相同处均处于无预应力状态，只有当土体产生位移后方可发挥作用。受力机理都是由加筋体与土之间产生的界面摩阻力提供对土体的约束力。土体本身处于稳定状态，可支承其后的侧向压力，类似于重力式挡土墙的作用。面层都较薄，在支挡结构的整体稳定中不起主要作用。不同处施工顺序不同。前者由下向上填土铺设；而后者是由上至下开挖土体。应用范围不同。前者用于填方区，后者是一种原位加筋技术。变形形式及设置不同。前者上部变形大，下部变形小；而后者正好相反。前者摩擦力是直接产生于筋条和土层之间的；而后者通常包含使用灌浆技术，使筋体和其周围土体粘结起来，荷载通过浆体传递到土层。土钉与加筋土施工顺序比较土钉与加筋土变形比较 土钉支护的应用范围（1）作为土体开挖的临时支护，用于高层建筑、地下建筑等深基坑开挖、土坡开挖等。（2）作为永久性挡土结构，一般与施工开挖时的临时支护相结合，如隧道洞门的上端挡墙和洞口两侧挡墙，路堑路堤的土坡挡墙、桥台挡墙等。（3）现有挡土墙的修理加固和各类临时支护发生失稳时的抢险加固。（4）边坡加固。土钉支护的特点 优点主动制约支挡体系，充分利用了土体自身强度 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 对场地土层的适应性强 结构轻巧、柔性大，有很好的延性 经济安全，控制变形性能良好 缺点现场需有允许设置土钉的地下空间 在松散砂土、软塑、流塑粘性土以及有丰富地下水源的情况下不能单独使用土钉支护，必须与其他的土体加固支护方法相结合 如果作为永久性结构，需要专门考虑锈蚀等耐久性问题 第二章 复合土钉支护的概念和形式所谓复合土钉支护即土钉支护与其他形式的加固手段相结合，以满足不同地质条件和工程要求的土钉支护方式。对于地下水位较高，土层软弱地层中应用土钉支护所遇到的问题可用增加防渗帷幕方法加以解决。防渗帷幕形成封闭开挖空间，基坑内部降水不影响周边地下水位，有利保护环境；防渗帷幕同时又是超前支护，对开挖面土体位移起到限制作用，有利减少水平位移；防渗帷幕形成相对干燥的开挖面，有利于提高喷射混凝土面层的施工质量；防渗帷幕或超前支护插入基坑底部开挖面一定深度，增加边坡抗滑移能力，防止基坑底部隆起和管涌的产生。防渗帷幕可以采用水泥土搅拌桩或高压旋喷桩施作，也可在防渗帷幕中插入钢管或型钢。防渗帷幕土钉支护当地层松软但地下水位很低或地层透水性很差时，可不设防渗帷幕，但可用微型桩组成超前支护。微型桩的作用可防止开挖过程中局部坍塌，也有利阻止基坑底部隆起。土钉支护一般水平位移偏大，当周边环境对位移有较高要求时，可根据需求将一、二排土钉按预应力土层锚杆要求施工，并施加预应力，以减少水平位移量。对于按设预应力锚杆的部位，应施作微型桩作为超前支护 当基坑开挖深度很深时，全部采用复合土钉支护风险太大。这时，往往浅层部分采用复合土钉支护，深层部分采用桩锚结构。该形式既提高了基坑支护的安全等级，又最大限度地节省造价。当浅层地层土性较好，而下层地层为深厚的淤泥地层时，在浅部土性较好的地层中采用土钉支护，而深层采用排桩支撑的形式。该种组合形式充分利用上层地层较好的特点施作复合土钉支护，节省了围护桩的工程量，省掉一道支撑，使大部分土方在无支撑覆盖的情况下开挖，提高挖土效率，有利于缩短工期。第三章 复合型土钉支护受力变形性状土钉支护是随开挖随支护、逐层开挖、逐层支护，直到预定的开挖深度，支护完成。下层土体的开挖肯定引起上层土钉内力和侧向变形的增加，但上一层土体已不是原状土体，而是由土钉、注浆体及土体组成的复合加筋土体，该加筋土体抵抗侧向变形的能力要比原状土体大得多，因此开挖引起下层土体的侧向位移并不能使上层土体产生同样的位移。越下层土体承受上层土体的压力越大，当挖出侧向土体时，产生的压缩量、侧向变形量越大。根据以上分析，土钉支护边坡位移量应是上面较小，而下面较大，呈现“鼓肚子”现象。土钉支护“鼓肚子”现象 土钉受力过程可分为三个阶段。（1）土钉打入并注浆，浆液凝固之前，起不到约束土体变形的作用，因此内力为零。（2）土钉打入地层并注浆，且注浆体凝固，地层成为加筋复合体。如果进一步开挖下一层土体，下一层土体侧向位移并影响到上层的加筋复合体，该加筋复合体在下层土体的牵动下，产生继续侧向变形的趋势,但拉力集中在土钉的端部，且沿土钉长度快速衰减。（3）随着基坑继续开挖，深度增加，产生土体侧向位移的范围也在增加。加筋复合地层中的土钉拉力也逐步增加，且拉力的最大值也往后移动，拉力峰值出现的位置随土钉所处位置不同而不同。通常情况下，越靠上的土钉，其拉力峰值越靠后，越靠下的土钉其拉力峰值越靠前。将各排土钉拉力峰值联系起来，即是该边坡的潜在滑裂面。可见土钉的作用是：初始阶段约束、限制面层进一步产生侧向位移；基坑开挖到底以后，形成的“土钉组”联系滑动土体和稳定土体，使其不在潜在滑裂面处分离，与桩锚结构中锚杆的受力是完全不同的。锚杆是将支挡结构（桩）所承受的水土压力以拉力的形式，通过自由段传递到锚固段，锚固段以剪应力的形式将拉力分布到稳定土层中去。土钉支护基坑边坡变形破坏过程 第条裂缝是指土体与超前支护的水泥土搅拌桩等之间的裂缝，该裂缝是可以避免的。只要及时封堵，不使地表水渗入地下，引起土体强度恶化，通常情况下不会危及基坑安全。第组地表裂缝的位置与 的滑移面与地表面的交线位置一致。该裂缝的出现表明：由于最危险滑移区产生向下滑移趋势，而土体的抗剪强度已接近充分发挥。由于土钉群的存在，土体强度的不足部分由土钉作用补充，所以该裂缝一般不会发展成危险破坏面。该危险滑移面应该就是土钉拉力峰值的连线。2/45产生于土钉末端的地表裂缝。如果土钉支护设计有足够安全度，土钉较长，且施工中注浆饱满，该裂缝不一定会出现。该裂缝的位置与土钉端部位置十分一致，表明：由土体、土钉及注浆体形成的加筋复合土体在自重应力作用下产生整体向下、向外滑移的趋势。如果设计安全度偏低，土钉长度不足，且施工中注浆质量得不到保证，产生的裂缝于土钉末端部的裂缝进一步加宽，且裂缝的两侧土体出现高差，同时基坑底部土体产生岭状隆起，表明：产生于土钉末端部的裂缝往深层发展，并于基坑底部的隆起连通，形成了贯通的滑移面。伴随着超前支护桩体的弯折，土钉支护边坡产生整体滑移，地表大幅度沉降（有时达12m），基坑底部隆起12m，在新的状态下取得平衡。土钉支护边坡构不成重力坝体的破坏模式 国内外有一些研究者把土钉支护边坡看成是由加筋土体组成的重力坝结构认为土钉支护的基坑边坡，经过土钉加固后形成了宽度为L（土钉长度）、高度为H（土钉支护高或基坑深度）的类似重力坝的结构体。在坝后土压力作用下，坝体有绕趾部转动的可能性，因此会发生0的地表裂缝。这样的破坏模式有两点必须满足：被加固体必须接近为刚体；重力坝的基面必须是十分坚硬的基岩或比上部坝体显著坚硬的地层。实际上，要满足以上两条是做不到的。因此，在中国已施工的数千个土钉支护基坑中，从没有发生类似重力坝的破坏模式即发生绕趾部转动和沿基面滑移。在分析土钉支护的破坏模式时，必须注意到开挖引起的地层应力的变化。当开挖至基坑底部以后，若发生上部位移大、下部位移小而发生绕趾部转动的趋势时，趾部的应力集中必须首先使趾部基底面产生塑性变形，由于趾部地层三维受力的解除而强度大幅度降低，所以趾部塑性变形区会很快的扩展。其结果是坝体的底部和坝体的前部塑性变形区连成整片，必然是坝体下沉而坑底隆起，表现为整体滑移破坏。重力坝整体滑移失稳 土钉支护整体滑移破坏第四章 复合型土钉支护设计所需要收集的资料（1）地质勘查报告（2）总图及周边环境（3）地下结构底板平面图和基础图及桩位图（4）场地施工布置图土钉支护设计准则土钉支护适用于二、三级基坑围护工程。土钉支护施工过程，存在着一段非支护、自由变形期，土钉支护基坑的位移量有一半左右来自该自由变形阶段。因此，土钉支护基坑的位移量很难满足一级基坑的变形要求。复合型土钉支护可以满足一级基坑的变形要求，即复合型土钉支护可以用于一级基坑支护工程。用于基坑工程的土钉支护采用分项系数表示的极限状态设计表达式进行设计，该极限状态又可分为承载能力极限状态和正常使用极限状态。前者是承载力控制，后者是变形控制。设计方法的选择建立在极限平衡状态的土钉支护设计方法可分为“荷载法”和“滑动面”法。计算出的水土压力总和，如果采用相同的 强度假定，两种方法应该得出相同设计结果。“土压力”法（即“荷载法”）即假定水土压力垂直作用于竖直临空面上，以此为基础设计内部的加固构件（如土钉），并验算其外部稳定性。对于传统的悬臂式结构或重力式挡墙结构多采用此方法，假定墙后土体的土压力的分布形式作用于挡墙上。设计土压力的大小、分布形式和作用位置根据试验、经验或经典土压力理论确定。土压力法用于土钉支护设计却不十分合适，因为土钉支护所安设的地层是复杂多变的，一般情况下为非均质的，并且土体抗剪强度和土体与水泥浆的粘结力变化范围很大。tan3.013.0tan1HHH作用于挡墙的土压力分布“滑动面”法（即稳定分析法）滑动面极限平衡设计方法考虑潜在破坏面以外土体在各种力作用下的极限平衡条件，以求取该滑动土体的稳定性。这种稳定分析方法已广泛地应用于加固土坡的稳定分析中，并且应用实践证明能够得到与实际情况相一致的结果。用滑动面极限平衡分析土钉支护边坡的最大好处是：(1)该方法考虑了被加固边坡的内部、外部和混合形式的潜在滑移面，并评估了每一个滑移面的滑弧稳定性；(2)这种方法不需要事先确定最大张力线（即土钉最大拉力的连线）；(3)这种方法对非均质成层地层，不同形式的附加超载、不同形式几何断面有很好的适用性，比简化土压力模式更方便、更准确。用滑动面法设计土钉支护的局限性表现为满足平衡条件的各种土钉布置方式不能给出优化的方案，更不能给出变形值。滑动面方法还须与其他合适的方法相结合，以完成一完整的设计。复合土钉支护设计步骤一、超前支护的形式、排数和插入深度 在高地下水位场区超前支护发挥防渗帷幕作用，形成基坑内外隔绝，在坑内部实施降水措施时，不影响坑外部地下水位，因降水引起坑外地下水位下降而影响周边环境；超前支护又是超前加固，增加土体自立性和稳定性；超前支护的坑底土体加固，减少或避免基坑底部的管涌和隆起，克服了土钉支护没有插入深度的缺点。根据基坑所处场地土质及水文条件的不同，超前支护有时需要同时满足以上需求，有时仅要求满足以上一项或两项。根据超前支护发挥作用的不同，发展了多种形式的超前支护。多种形式的超前支护形式 1防渗止水超前支护(1)尽量使防渗帷幕插入渗透性较小的淤泥质土1.0m以上。(2)当不能进入隔水层时，应按渗流理论分析产生动水压力的大小及产生涌土、流砂的可能性 抗管涌验算 2防止土体坍塌，坑底隆起的超前支护当基坑开挖面在地下水位以上或虽在地下水位以下但地层本身几乎不透水，但土质松散、强度低，在开挖过程中会出现边坡的局部塌漏，会存在基坑底部隆起风险，或整体稳定不能满足要求，这时，开挖前打入一定量的预制桩、微型桩（如树根桩）、钢管或木桩，对解决以上问题是有效的。3兼有防渗效果和土体加固作用的超前支护在水泥土搅拌桩中打入或插入微型桩或型钢，水泥土桩形成防渗帷幕，微型桩或型钢对水泥土桩起加固作用，以免弯折或剪断，该类超前支护形式适用于透水性较强，土体强度很低，但又开挖较深（如挖深6.010.0m）的基坑工程。当开挖至下一层而还没有施作土钉及喷射混凝土面层时，已暴露出来的水泥土桩发挥临时支护作用，防止帷幕后的泥土被挤出。为此，要验算水泥土桩发生冲剪破坏和弯折破坏的可能性。水泥土桩跟部强度验算 4超前支护与预应力锚固复合型式有些复合土钉支护或者有超前支护与土钉的复合形成的土钉支护；或者为预应力锚杆与土钉的复合形式。其中一排、二排或多排采用预应力锚杆。如果超前支护是刚性桩，则是桩锚结构与土钉的复合型式。在该形式中，如果桩锚结构为主，则土钉的利用仅是为减少桩、锚的工程量，降低造价；如果土钉支护为主，预应力锚杆采用是为了施加预应力以约束支护体系的变形。二、土钉的形式和布置1.土钉的形式常用土钉有两种形式：当地层条件可以钻倾斜孔，并能短时间（如数小时）内维持孔壁稳定时首先应选用钻孔注浆的成钉方式。该类土钉与土体有较好的结合，因此有较高的抗拔能力。另一种形式土钉为钢管打入式，该类土钉施工方便，但注浆效果不确定，质量较难控制。该类土钉适用与淤泥、软黏土或松散的粉细砂地层。2.土钉的布置方式边坡失稳作为土钉支护的主要破坏模式，则应上长下短或统一长度布置。土钉布置还应顾及地层的分布不同，因此在统一长度的基础上，发展出了中间较长而上小端较短的布置方式。3.土钉的间距和长度土钉的间距是指竖向排间距和水平向的土钉之间的间距。土钉的间距是由加固地层的性状决定的。土层的整体性越好，可采用越稀疏的土钉；土体完整性越差，必须采用较密的土钉，使之相互影响起到约束土体变形的作用。土钉长度是由滑移面的位置决定的。滑移面的位置又取决于基坑开挖深度和被加固边坡土性的力学特性。因此土钉长度主要决定因素为：基坑开挖深度、土体的力学特性以及基坑边坡的位移要求。间距（ab）（m）代表性地区流塑粘土软塑粘土可塑粘土硬塑粘土0.81.01.01.01.21.21.51.52.53.02.02.51.01.50.71.0台州、温州、上海松江上海苏州、昆山、无锡无锡、北京粉质粘土砂质粘土1.51.51.21.21.21.2松散砂土中密砂土密实砂土1.01.01.21.31.51.52.01.50.81.0土钉长度与间距经验值HL基坑深度土钉长度比4.规范方法确定的土钉长度目前我国关于土钉支护的现行规范确定土钉长度的方法是借鉴土层锚杆的方法，认为土钉像土层锚杆那样承受墙后的水土压力，滑裂面以外的锚固段长度范围与地层的粘结力（或摩阻力）平衡土钉对应面积所承受的水土压力。据此土钉长度为：各字母表示的意义可参见书中相关内容。DKTLL1hiviwiwiiaSShrqrhKT5.土钉的倾角安设土钉的方向以水平方向最好，它与地层水平位移方向一致，能最大程度地发挥对土体变形的约束作用。但水平安设土钉是困难的，困难表现在水平成孔无法进行土钉孔的注浆。因此，土钉墙中的拉筋时常以一定的角度（）设置。2556.土钉支护面层设计土钉支护的面层多为配以钢筋网片的喷射混凝土组成。之所以采用喷射混凝土面层，是由于喷射混凝土能很好地适应各种开挖面的形状,与开挖岩（土）有很好的粘结强度。喷射混凝土最大的优点是早强，能尽快封闭开挖面。喷射混凝土的凝固时间可以通过掺入一定量的早强剂进行调整凝结时间。面层喷射混凝土的厚度一般为100200mm。面层中的钢筋网片是至关重要的构造措施，多采用 直径4、6.5、8mm的钢筋双向间距200 x200mm焊接或绑扎而成。面层中设有加强钢筋，是采用较粗的钢筋将土钉头部联系起来。土钉墙典型设置形式 7.土钉头部设计土钉头部指土钉与面层直接的联接构件。由于土钉无须施加预拉力，因此头部构造与土层锚杆头部相比要简单一些。只要保证土钉支护服务期间土钉不与面层及面层中的网片不脱开即可，其构造会因为采用土钉材料不同而有差异。土钉 网片 联系筋 井字架 喷射混凝土面层 自钻式土钉 网片 联系槽钢 楔形槽钢 螺帽第五章 土钉支护稳定性验算土钉支护边坡是人工加固边坡。所谓土钉支护基坑边坡的安全性是指人工加固边坡的稳定性及边坡变形控制在工程环境要求的范围之内。土钉支护的特点是分层开挖分层支护，因此土钉支护稳定性包括开挖和支护的每一步骤和最终工况均处于稳定状态，才能讲土钉支护边坡处于稳定安全状态。土钉稳定性分析又需按工况进行，如第i排土钉设置之前和设置之后都需进行稳定性分析。建筑基坑支护技术规程的整体稳定分析方法建筑基坑支护技术规程的整体稳定分析方法是基于滑移面假定为圆弧状，并考虑土钉的加固作用。采用传统的圆弧滑动简单条分法，按下式进行整体稳定计算:ikjjjjminjikiniiiniisiktgTtgbqwSLCsin21coscos11010sin00iikbqwrsr上式中第一项 为土体内聚力产生的抗滑力；niisikLC1第二项 为土体内摩阻力产生的抗滑力；ikiniiitgbqwScos10第三项 为土钉处于滑裂面以外部分的抗拔力产生的抗滑力，其中前一项为土钉抗拔力的切线分力，后一项为土钉法向分力作用在滑裂面上，而使得滑裂面上产生的附加摩擦力；ikjjjjminjtgTsin21cos1 为土体自重力和超载产生的下滑力。iikbqwrsrsin00简单条分法国外常用的稳定分析方法 1.德国Stocker等提出的极限分析方法 该方法是Stocker等于1979年提出，亦属于极限平衡法。破坏滑裂面假定为双直线并通过土坡的坡脚。土钉仅考虑受力工作。土的剪切强度用莫尔库伦准则确定，并假定在破坏滑移面上达到极限状态，整体稳定安全系数定义为所提供的拉力Rl，与保持极限平衡所需的土钉拉力Rm之比，即FS=Rl/Rm,且建议FS在1.52.0之间。Stocker法计算示意图 2.法国Schlosser提出的极限分析方法该方法有Schlosser于1983年提出，属于极限平衡方法。该方法仍然假定体系的各部位安全系数相等，采用条分法求解，滑移面的形状可以任意。这是假定土钉达到极限状态，但它不仅考虑土钉的受拉，同时考虑土钉的受剪、受弯以及土钉与其周围土的挤压作用。Schlosser法计算示意图 法国方法的基本思路是，首先根据土钉本身的强度及抗拔出强度，确定土钉滑移时土体所能施加的最大作用力；然后，将该作用力用于条分法，考虑滑移土体的极限平衡求出土体抗剪切破坏的安全系数，并要求所求出的安全系数不小于1.5。3.其余常见的分析方法美国加州大学Daris分校沈智刚提出的极限分析方法、美国交通部联邦公路总局推荐的方法等。复合型土钉支护的稳定分析 目前稳定分析方法存在的问题 整体稳定性分析方法应用于复合型土钉支护稳定分析时存在着一些问题。1.无法考虑作为复合土钉支护的超前支护的作用复合型土钉支护的超前支护不仅约束了土体即时变形而减小了边坡的位移值，而在整体稳定中发挥比较显著作用。在收集和分析了大量复合土钉支护工程的设计与施工资料，特别是发生整体滑移工程事故后，我们认为“超前支护水泥土桩为抗剪能力被加固而提高的土体”。根据这样的认识，提出了复合型土钉支护的分析方法。即在复合型土钉支护稳定性分析考虑超前支护（水泥土桩）的抗滑作用。整体稳定系数 ORViTnjHhK通常取1.251.30，当K1.4时将有效地控制位移量。iiikhPKiiiiikhpkiiiiiiiwSTDCtgSTtgvtgwKsincoscossincoscos2.圆弧滑动简单条分法自身的不足 如果按圆弧滑动简单条分法搜索最危险滑裂面，当圆心在特定的区域时，就会出现不合理的现象。按圆弧滑动简单条分法，A滑裂面是一种“可能”的圆弧面。但是，在基坑底部形成A滑裂面是不太可能的。按照经典的土压力理论，被动区的破坏面基本上在与最大主应力夹角 的地方。因此在摩擦角较小（一般小于 ）的软土地区，坑底的滑裂面不会扩展到如此之远的地方。从能量耗散的观点来看，B圆弧所耗散的能量比A圆弧小得多，因此B圆弧会“抢先”在A圆弧之前出现。这一点，可由工程实际中，基坑墙趾前23m左右隆起，可推测滑裂面在基坑底部的露头就在附近，从而排除了出现A圆弧的可能性。B2/45153.圆弧滑动简单条分法与工程实践的矛盾 根据上海地区多个土层中工程实例的计算结果，整体稳定系数一般都有1.72.0（视土层情况和土钉布置而定），已经大于复合土钉支护整体稳定性的建议值1.41.5，应该说是很“安全”的。但是，实际上在很多工程中土钉墙边坡上出现了裂缝，而且裂缝没有出现在按传统方法搜索到的“最危险滑裂面”上，而是基本上出现在Rankine主动滑裂面的位置上。实际工程中裂缝出现的位置 对圆弧滑动法初步改进的尝试 针对出现的不合理的滑裂面尝试提出改进方法作出如下假设：（1）坑底（被动区）的滑裂面也是一个圆弧，但是和滑动区的圆弧不是同一个圆心；（2）坑底圆弧的直径小于滑动区圆弧的直径；（3）坑底圆弧和滑动区圆弧光滑相接，不存在“角点”。圆弧0和圆弧1在坑底B点处相切，在坑底处用圆弧1取代了圆弧0。由于两圆相切，且R1R0，故可知圆弧1的圆心在AB上滑动，且以A、B两点为界点。针对具体的工程实例，得到如下结论：(1)计算所得的稳定系数随着半径比例（Ratio of R1 to Ro）的增大而增大；(2)不同开挖深度对应的曲线形状基本相似。在半径比例（Ratio of R1 to Ro）比较大时曲线比较平缓，比例比较小时曲线比较陡；(3)当半径比例（Ratio of R1 to Ro）较小时，计算所得的最小稳定系数可能小于1.0；(4)计算所得的最小稳定系数对半径比例是比较敏感的；(5)随着半径比例增加，圆弧总体上趋于平缓；前面叙述过复合土钉支护地表裂缝产生的三个阶段，根据地表裂缝的发展模式，结合圆弧搜索法，可较好的计算整体稳定性系数。（1）根据第二阶段的裂缝搜索“起初最危险”滑裂面利用地表裂缝的位置，可确定主动区滑裂面位置。根据计算实例得出的结论，初步可确定RO/R10.20.3的范围内时，滑裂面的位置与第二阶段的滑裂面比较吻合。改进方法的计算模型（2）根据第三阶段的裂缝搜索“最终最危险”滑裂面a.基本上出现在上排土钉的末端（如果上两排土钉长度相差较大，取两者的平均值），滑裂面已经不可能由土钉往后“移动”；b.滑动区的滑裂面基本上是一个圆弧，且半径比较大，滑裂面比较平缓；c.坑底的土体已经被抬起，基本上已经完全破坏。以上几点，可以通过限制圆心的搜索区域来实现。按照上海地区的工程经验，可以近似地把搜索区域限制在 的上方。2yx 搜索第三裂缝发展阶段滑裂面和稳定系数的计算模型 强度析减法确定的复合土钉支护整体稳定系数简介对于边坡，稳定系数F可定义为土体的实际强度与土体抵抗破坏所发挥出的最小强度的比值。土体真实强度除以稳定系数F后，边坡就达到了破坏的边缘。因此，强度折减法可以定义为：在外荷载保持不变的情况下，边坡内土体所发挥的最大抗剪强度与外荷载在边坡内所产生的实际剪应力之比。这里定义的稳定系数，即强度折减系数，与极限平衡分析中所定义的土坡稳定系数在本质上是一致的。所谓强度折减法就是将土体的强度指标c、，用一个折减系数Fs进行折减，然后用折减后的虚拟抗剪强度指标CF标和F取代原来的抗剪强度指标c、，即CF=C/Fs F=tan-1(tan)/Fs)F=CF+tanF折减系数Fs的初始值取得足够小，以保证开始时是一个近乎弹性的问题。然后不断增加Fs的值，折减后的强度指标逐步减小，直到某一个折减强度下整个土坡发生失稳，那么在发生整体失稳之前的那个折减系数值，即土体的实际强度指标与发生虚拟破坏的折减强度指标的比值，也即为这个土坡的稳定安全系数。第六章 按抗拔力计算土钉土钉支护或复合型土钉支护作用于喷射混凝土面层的土压力不是全部土压力，仅是土压力释放以后的残余值。该残余土压力体现为土钉对开挖面位移的约束作用。残余土压力的大小是多个因素决定的：（1）地层特性。通常情况下土层越松软残余土压力越大；（2）开挖面暴露时间。暴露时间越长残余土压力越小，但产生局部塌陷或整体滑移的风险越大；（3）超前支护的刚度。超前支护刚度越大所承受的残余土压力越大，但对位移的约束作用越明显；（4）开挖面的坡度。土钉支护、复合土钉支护的面层只承受土压力释放后的残余土压力，残余土压力又是无法准确分析，因此取经典土压力并根据地层和坡度进行折减是解决工程应用的方法之一。图中，由土体自重引起的土压力峰值。对于 的砂土和粉土：对于 的一般黏性土：同时对于黏性土取值不应小于0.2rh。05.0rHcrHKPam55.005.0rHcrHkrHkrHckPaaam55.0121但对有一定自立性、地下水较低的地层，人们往往采用放坡开挖再以土钉加固的方案，如我国北方及内陆地区的基坑做法。该类放坡开挖再打设土钉的做法，土钉受力取决于放坡的平缓程度，放坡越平缓土钉受力越小，当坡角即水平面与放坡线之间的夹角小于或等于休止角时，土坡自身即可稳定，不必再进行土钉加固。当大于休止角时，土钉加固维持边坡稳定。土钉受力随坡角的大小而变化。土钉所受荷载即前面修正的土压力，再乘以与坡角有关的折减系数。折减系数 2451122tgtgtgtg单根土钉所承受的土压力为cosvhSpST 土钉抗拔力的决定因素用密实注浆法锚固于地层中的土钉其抗拔能力取决于：（1）土钉材料自身强度；（2）土钉与水泥浆体的粘结力；（3）水泥浆体与地层之间的粘结力。土钉的设计抗拔力应取以上三者的最小者。1.土钉自身的抗拉强度钢筋作为土钉元件时 钢筋作为土钉元件时 ykfdR41.121ykfdR1.113.水泥注浆体与地层之间的粘结强度的确定（1）考虑地质勘察报告提供的钻孔灌注桩的侧壁摩阻力值。（2）采用经验公式计算。（3）查阅相关规范、规程提供的经验值。（4）通过现场拉拔试验确定土钉注浆体与地层之间的摩阻力强度。iisikrHtgCqdLNqisk土钉的极限承载力设计土钉极限承载力设计就是使每一根土钉的极限抗拔力大于它所应分担的外荷载并满足一定安全度要求，即满足下式要求：ujjkTTr025.1提高土钉抗拔力的技术措施为：（1）增加土钉长度，特别是增加破裂面以外部分土钉长度，可有效地提高土钉抗拔力。（2）增大注浆体的直径，当采用钻孔土钉时增大钻孔直径，一般钻孔直径取80mm，最大可增大到110150mm。当采用击入式钢管作为土钉时，加大注浆体直径的方法可通过增加注浆量和注浆压力实现。（3）提高注浆体为土体之间的摩阻力。采用二次压力注浆可使该摩阻力提高1.31.5倍。条件允许时，可改变土钉的倾角，以使土钉埋置于强度较好的地层中。第七章 土钉及复合土钉支护的位移复合土钉支护的变形主要发生在开挖过程中的无支护时间，由原位应力释放所引起。对于完整性较好的土体，基坑下层土体的变形会对上层已经稳定土体和下一层开挖区被动土体有“牵连”位移的作用。基坑周边超载也可引起较大的变形。原位土体在土钉加固后，会产生一些流变变形（在软土地区尤为明显），且会持续37 d后方达到稳定位移。在土钉注浆体已经和周围土体紧密结合、共同作用的情况下，这部分变形相对于前述变形较小。同时，在较大注浆压力、持续注浆压力较长情况下，土钉支护开挖面也会向前平移。注浆压力的影响为不确定因素，施工中应尽量避免，文中方法暂不考虑其影响。复合土钉支护的变形，随着层层往下开挖而逐渐增加。开挖至第一排土钉标高时，基坑临空面发生最大水平位移为；至第二排土钉标高时，最大水平位移为；依此类推，至最后排土钉，最大位移累计为。复合土钉支护的变形复合土钉支护变形的发展过程UibUiaUiFvi土钉支护位移产生机理复合土钉支护的变形复合土钉支护变形的发展过程iiiiiviDqhKF)(0现假定“释放力”为原位应力（一般是静止土压力）的函数 viF（式1）为开挖层的“释放力”调用系数，与土体的泊松比、应力历史、结构性等有关，可结合当地有实测数据的工程试算或者反演分析得出。如无工程经验，对于比较松软的地层可取0.84。i复合土钉支护的变形开挖面处位移的估算 “变形模量”的假定“m”法计算变形模量复合土钉支护的变形开挖面处位移的估算“释放力”引起的变形区域 ttLrhiDiFv卸载影响区域的计算模型复合土钉支护的变形开挖面处位移的估算（1）“释放力”被土体两侧呈线性分布的摩擦力（土体调用的强度）所平衡；（2）开挖面处，土体达到极限状态，且遵守摩尔库仑强度准则。irivitLF （式2）iiiiiqhcttan)(（式3）复合土钉支护的变形开挖面处位移的估算回弹区影响宽度，由式2、3可得：iiiiiiiiiriqhcDqhKLtan)()(0 （式4）“释放力”在开挖面上引起“释放区域”的平均应变 iiiiiiEqhKmod,0)(（式5）复合土钉支护的变形开挖面处位移的估算故开挖面法向的位移为 iiiiiiiiiiriiEqhcDqhKLUmod,20tan)()(（式6）复合土钉支护的变形开挖面以上“牵连”位移的估算（1）当前开挖面的“释放力”对上部土钉加固体的“牵连力”按照上部土体与土钉的弹簧系数的比例关系分配；（2）“牵连力”作用在上层开挖面处而非上、下层土体的剪切面上；（3）上层土体的变形计算区域为上层松动部分的土体范围。复合土钉支护的变形开挖面以上“牵连”位移的估算土体弹簧，Ksoil土钉弹簧，KnailF计算“牵连力”分配的模型复合土钉支护的变形开挖面以上“牵连”位移的估算上部土体分配到的“牵连力”由下式计算：1,1,1,inailisoilisoilisisoilKKKFF （式7）“牵连力”为“释放力”的函数，故“牵连力”可用下式计算，ivisFF,（式8）复合土钉支护的变形开挖面以上“牵连”位移的估算土体弹簧系数可用下式计算：土钉的弹簧系数可用如下公式计算：BDEKiiisoil11mod,1,（式9）cos1,barsteelinailAEK （式10）复合土钉支护的变形开挖面以上“牵连”位移的估算开挖面以上的牵连位移可用下式计算 1mod,11,cosiibarsteeliriviaBEDAELFU （式11）复合土钉支护的变形由开挖面位移引起的开挖面以下“牵连”位移（1）开挖面的“释放力”引起的坑底以下土体的“牵连力”按照主动区土体与被动区土体弹簧系数的比例分配；（2）“牵连力”作用在上层开挖面处而非上、下层土体的剪切面上；（3）变形计算区域为开挖处土体松动范围。复合土钉支护的变形由开挖面位移引起的开挖面以下“牵连”位移被动区土体弹簧KpassiveF主动区土体弹簧Kactive计算下层土体“牵连力”分配的模型复合土钉支护的变形由开挖面位移引起的开挖面以下“牵连”位移主动区弹簧系数（与卸载模量相关）和被动区弹簧系数（与压缩模量相关）的比例关系 11,1mod,1,1,)(/iisiipiazEEKK （式12）故开挖面以下的位移为：（式13）iiiibUzzU11)(1)(计算实例南京市玄武湖隧道基坑土钉支护6自钻式土钉=150001000自钻式土钉=180001000-9.09.0+8.5回填土标高-0.15山坡隧道中线单位 +10.8车道砖胎模+7.0深搅桩梁州段基坑断面示意图(段建立，2004)计算实例南京市玄武湖隧道基坑土钉支护6totalUmainUaUbU开挖面113.137.325.800215.287.166.151.95316.027.476.561.99416.967.856.962.14517.898.237.332.32618.768.587.682.50719.578.908.002.67820.319.198.292.83921.009.458.562.981012.829.7003.12计算实例南京市玄武湖隧道基坑土钉支护6-10-8-6-4-201213141516171819202122Displacement(mm)Depth(m)Duans Calulate土钉支护开挖面位移计算值和实测值计算实例上海兆丰城污水处理池基坑土钉支护7totalUmainUaUbU开挖面129.3915.8213.570215.645.326.004.31339.2717.6420.111.50432.8027.6405.16计算实例上海兆丰城污水处理池基坑土钉支护7-5.0-4.5-4.0-3.5-3.0-2.5-2.0-1.5-1.0-0.50.00.5152025303540 Calculate ChensDisplacement(mm)Depth(m)土钉支护开挖面位移计算值和实测值弹性方法计算土钉支护边坡位移条件：地层坚硬，岩层需接近弹性材料在没有更精确计算方法的情况下，有人提出对于地层较好的地段的土钉支护，采用弹性理论计算，认为边坡任一处的水平位移，有两部分组成；其一为开挖引起的水平应力释放（）引起的，另一部分为上部地层自重压力下，本层的侧向位移（）即其中：-开挖引起的应力释放值 -引起水平位移的地层宽度 -上覆自重压力 -被压缩岩层的厚度 、-地层相应部位的水平向，垂直向变形量iZIziziiixixixiEhELuuu21xi2uxixiLzixiEziEzih -泊松比 -产生水平延伸的地层宽度问题关键是合理确定，有人认为半限体，有人认为土钉长度范围，有人认为土钉长度的几倍等。根据以上分析，土钉支护边坡位移应该上层较小，下层较大ixiL另一途径是先求沉降，再求水平位移。如图32111E1231-E广义虎克定律 、3不变，仅-负号表示下沉1hhhS1qiiHHHAEdhEdhhS311当单元体在方向，厚度为时，则引起沉降 当基坑边坡高度为H时，坡顶沉降 有了坡顶沉降，即可计算皮顶平位位移IhiSS1qiiihAESS111 qiiiiAES)200280(2125000025.020)60200(2110000025.066021300003.0cm1.115)280400(2150000002.010cmAESSsiih26.41141例：结论与展望从位移模式上看，文中方法可得出土钉支护开挖面“鼓肚子”的位移模式 从计算数值上看，位移计算值与开挖深度的比例比较符合当地工程经验 结论与展望文中方法采用了较多的假设和经验的参数取值文中为解决“增量应力释放”引起“增量变形”问题而提出“释放力”和“牵连力”的可行性尚欠理论上的证明公式中没有体现搅拌桩的作用计算位移的简化方法广州杨光华按半无限弹性体位移的解析公式计算各组合荷载引起边坡的水平位移进行迭加，得到基坑顶部的水平位移可近似为：qiiihAESS11iE、第i土层弹性模量土层内释放的侧压力在第i土层范围内的和 qiA通过具体的广州地区的几个具体实例，该式对于估算土钉支护的水平位移是基本可行的，可为设计提供一个近似的估算值。根据上海地区的经验，挑选超前支护刚度和土钉支护长度作为主要因素，绘制复合土钉支护位移图，可由图表查的位移量。复合土钉支护位移 影响土钉支护位移量因素及减少位移的技术措施 复合土钉支护的超前支护可有效减少水平位移；增加土钉长度对位移有约束作用；提高整体稳定系数有利于土钉支护的水平位移；坑底加固可有效减少边坡位移；采用预应力锚杆控制土钉支护的水平位移；利用时间空间效应减少支护位移量。足够的土钉注浆量。第八章 土钉及复合土钉支护施工与监测作为基坑围护的土钉或复合土钉支护，一般可按下图工序流程组织施工。主要的施工工序有：（1）防渗帷幕或超前支护施工采用深层搅拌机械按照相应要求进行操作（2）土钉植入 按照土钉的形式不同可分为钻孔注浆钉和击入钉（3）喷射混凝土面层复合土钉支护的监测与验收监测标准以复合土钉支护形式支护的基坑工程主要为二三级基坑，应参照二三级基坑的监测要求布置。监测内容1.复合土钉支护基坑围护水平位移和沉降观测测点沿基坑周边布置，间距2025m，视周边环境情况而定。挖土及土钉支护期间及施工完成但尚未稳定期间，每天观察一次。变形趋向稳定以后观察次数相应减少，如隔天一次或三天一次。2.深层土体位移量测复合土钉支护滑移多为沿深层滑移面产生，深层土体位移监测多用测斜孔仪测量。3.坑外地下水位观察 复合土钉支护的水泥土桩形成防渗帷幕，坑内降水，降水原则上不应引起坑外地下水位下降。因此坑外需设水位观察孔，水位观察孔每边布置一孔即可，通常以坑外地下水位下降500mm作为报警值。4.土钉的拉拔试验通过拉拔试验，检验土钉与土体的联结效果，进一步验证土钉的注浆质量。除以上的测试内容外，还应宏观观测土钉支护及周边环境变化，如地面裂缝的观测、坑底隆起观测、面层裂缝观察等。这对于保证土钉支护安全，及时预防工程危险方面是十分重要的。对于监测结果，应以书面报告的形式，呈递管理、施工、设计、监理各方。支护工程竣工后，应由工程发包单位、监理和支护施工承包单位共同按设计要求进行工程质量验收，认定合格并予以签字。在支护竣工后的有效使用期限内，支护施工的承包单位应继续对支护的变形进行监测并对其功能负全部责任。