9th深基坑与边坡工程

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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Soil Nailing，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,法国和美国就各,自,自开始了土钉支,护,护的研究与应用,，,，但土钉诞生的,原,原因并不相同。,在,在德国是基于土,层,层锚杆和加筋土,挡,挡墙发展起来的,，,，在法国却是基,于,于新奥法的原理,发,发展起来的，新,奥,奥法在,60,年代主要用于岩,石,石隧道的支护，,70,年代初被成功的,用,用于土质隧道和,土,土质边坡的支护,。,。美国最早的土,钉,钉墙用于,1974,年匹茨堡,PPG,工业总部的深基,坑,坑支护。目前该,技,技术在法国、德,国,国、英国、美国,和,和日本得到广泛,应,应用。,我国应用土钉支,护,护的首例工程可,能,能是,1980,年山西柳湾煤矿,的,的边坡工程。最,近,近十多年来，冶,金,金建筑研究总院,、,、北京工业大学,、,、清华大学、总,参,参工程兵三所等,单,单位在土钉支护,的,的研究开发中做,了,了不少工作。目,前,前，这一新技术,已,已经在北京、深,圳,圳、广州、武汉,等,等全国各地得到,了,了广泛应用。,5.1.3,土钉支护的特点,及,及应用范围,一、特点,与其它支护类型,相,相比，土钉支护,具,具有以下一些特,点,点或优点：,1.,土钉与土体共同,形,形成了一个复合,体,体，土体是支护,结,结构不可分割的,部,部分。从而,合理的利用了土,体,体的自承能力,。,2.,结构轻柔，有良,好,好的延性和抗震,性,性,。,1989,年美国加州,7.1,级地震中，震区,内,内有,8,个土钉墙结构，,其,其中有三个位于,震,震中,33km,范围内，估计至,少,少遭到了约,0.4g,的水平地震加速,度,度作用，均未出,现,现任何损害迹象,。,。,3.,施工设备简单,。土钉的制作与,成,成孔、喷射混凝,土,土面层都不需要,复,复杂的技术和大,型,型机具。,4.,施工占用场地少,。需要堆放的材,料,料设备少。,5.,对周围环境的干,扰,扰小,。没有打桩或钻,孔,孔机械的轰隆声,，,，也没有地连墙,施,施工时污浊的泥,浆,浆。,6.土钉支,护,护是边开挖边支,护,护，流水作业，,不,不占独立工期，,施,施工快捷。,7.,工程造价低,，经济效益好，,国,国内外资料表明,，,，土钉支护的工,程,程造价能够比其,它,它支护低1/2 1/3。,8.,容易实现动态设,计,计和信息化施工,。根据现场位移,或,或变形监测反馈,的,的信息，很容易,调,调整土钉的长度,和,和间距，也容易,调,调整面层的厚度,。,。既可以避免浪,费,费，又能够防止,出,出现工程事故。,二、适用范围,土钉支护适用于,地,地下水位以上或,经,经人工降水措施,后,后的杂填土、普,通,通粘土或弱胶结,的,的砂土的基坑支,护,护或边坡加固。,一,一般认为可用于,标,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,用于深度不大于,12m,的基坑支护或边,坡,坡维护，当土钉,墙,墙与放坡开挖、,土,土层锚杆联合使,用,用时，深度可以,进,进一步加大。,土钉支护不宜用,于,于含水丰富的粉,细,细砂岩、砂砾卵,石,石层和淤泥质土,。,。不得用于没有,自,自稳能力的淤泥,和,和饱和软弱土层,。,。,5.2 土钉支,护,护的基本原理,5.2.1 土,钉,钉的作用机理,总的说来，土钉,在,在复合土体中有,以,以下几种作用机,理,理：,1.箍束骨架,作,作用,该作用是由土钉,本,本身的刚度和强,度,度，以及它在土,体,体内分布的空间,所,所决定的。它在,复,复合体中起骨架,作,作用，使复合土,体,体构成一个整体,，,，从而约束土体,的,的变形和破坏。,2.分担作用,在复合体内，土,钉,钉与土体共同承,担,担外荷载和自重,应,应力，土钉起着,分,分担作用。由于,土,土钉有很高的抗,拉,拉、抗剪强度和,土,土体无法相比的,抗,抗弯刚度，所以,在,在土体进入塑性,状,状态后，应力逐,渐,渐向土钉转移。,当,当土体发生开裂,后,后，土钉的分担,作,作用更为突出，,这,这时土钉内出现,了,了弯剪、拉剪等,复,复合应力，从而,导,导致土钉中的浆,体,体碎裂、钢筋屈,服,服。土钉墙之所,以,以能够延迟塑性,变,变形，并表现出,渐,渐进性开裂，与,土,土钉的分担作用,是,是密切相关的。,3.应力传递,与,与扩散作用,北京工业大学的,研,研究表明：当荷,载,载增加到一定程,度,度，边坡表面和,内,内部裂缝已经发,展,展到一定宽度，,坡,坡脚应力达最大,。,。此时，下部土,钉,钉位于滑裂区域,以,以外土体中的部,分,分仍然能够提供,较,较大的抗力。,土钉通过它的应,力,力传递作用可将,滑,滑裂区域内的应,力,力传递到后面稳,定,定的土体中，分,布,布在较大范围的,土,土体内，降低应,力,力集中程度。,4.对坡面变,形,形的约束作用,在坡面上设置的,与,与土钉连在一起,的,的钢筋网喷射混,凝,凝土面板是发挥,土,土钉有效作用的,重,重要组成部分。,喷,喷射混凝土面板,对,对坡面变形起到,约,约束作用，面板,的,的约束力取决于,土,土钉表面与土之,间,间的摩阻力，当,复,复合土体开裂面,区,区域扩大并连成,片,片时，摩阻力主,要,要来自开裂区域,后,后的稳定复合土,体,体。,5.2.2 土,钉,钉墙的工作性能,国内外大型模拟,试,试验结果及许多,实,实际工程测试结,果,果表明土钉墙具,有,有以下几点工作,性,性能：,1.土钉墙的,变,变形一般是微小,的,的，但比锚杆挡,墙,墙的水平位移要,大,大一些。最大水,平,平位移发生于墙,体,体顶部，越往下,越,越小。最大水平,位,位移与开挖深度,之,之比一般在1,3。这,种,种位移值不会影,响,响工程的适用性,和,和长期稳定性，,它,它对整个土钉墙,来,来说，不应当是,控,控制设计的主要,因,因素。墙体内的,水,水平位移随离开,墙,墙面的距离增加,而,而减小。,2.土钉只有,在,在土体产生微小,变,变位后才能受力,，,，开始开挖时，,土,土钉上的最大拉,力,力位于喷射混凝,土,土面板附近，随,着,着开挖深度的增,加,加，最大拉力的,位,位置将从面层附,近,近逐渐向深部土,体,体中转移，因此,，,，越靠基坑底部,的,的土钉，其最大,受,受力点距离面板,就,就越近。同一土,钉,钉内的内力分布,一,一般呈现中间大,，,，两端小的规律,，,，在破裂面临近,处,处达到最大。,3.土钉墙上,的,的土压力以及不,同,同土钉上的最大,拉,拉力沿基坑深度,的,的分布都是中间,大,大、上下小，接,近,近梯形而不是三,角,角形。,4.,采用密集土钉加,固,固的土钉墙的性,能,能类似于重力式,挡,挡墙，破坏时明,显,显地带有平移和,转,转动的性质，故,设,设计时除了要验,算,算土钉墙的内部,稳,稳定性（局部滑,动,动破坏），以保,证,证土钉有足够的,锚,锚固长度、直径,及,及合理间距外，,还,还必需验算外部,整,整体稳定性，即,验,验算土钉墙体的,抗,抗滑与抗倾覆安,全,全性。,5.,根据大比例足尺,试,试验结果看，在,土,土钉墙整体破坏,之,之前，并未发现,喷,喷射混凝土面板,和,和锚头产生破坏,现,现象，在实际工,程,程中也未见任何,锚,锚头破坏现象。,所,所以，在设计中,，,，对面板和锚头,不,不要进行单独设,计,计，只要满足结,构,构上的构造要求,即,即可。,5.3,土钉支护设计,5.3.1,确定土钉墙结构,尺,尺寸,在初步设计时，,应,应先根据基坑环,境,境条件和工程地,质,质资料，确定土,钉,钉墙的适用性，,然,然后确定土钉墙,的,的结构尺寸，土,钉,钉墙高度由工程,开,开挖深度决定，,开,开挖面坡度可取,60,0,90,0,，在条件许可时,，,，尽可能降低坡,面,面坡度。,土钉墙均是分层,分,分段施工，每层,开,开挖的最大高度,取,取决于该土体可,以,以自然站立而不,破,破坏的能力。在,砂,砂性土中，每层,开,开挖高度一般为,0.52.0m,，在粘性土中可,以,以增大一些。开,挖,挖高度一般与土,钉,钉竖向间距相同,，,，常用,1.01.5m,；每层单次开挖,的,的纵向长度，取,决,决于土体维持稳,定,定的最长时间和,施,施工流程的相互,衔,衔接，一般多用,10m,长。,5.3.2,参数设计,土钉支护参数主,要,要包括土钉长度,、,、间距、布置、,孔,孔径和钢筋直径,等,等。,一、土钉长度,在实际工程中，,土,土钉长度,L,常采用坡面垂直,高,高度,H,的60%70%。土钉,一,一般下斜，与水,平,平面的夹角宜为5,0,20,0,。Bruce和Jewell(1987)通过,对,对十几项土钉工,程,程的分析表明：,对,对钻孔注浆型土,钉,钉，用于粒状土,陡,陡坡加固时，,L,/,H,一般为0.50.8；对打入,型,型土钉，用于加,固,固粒状土陡坡时,，,，其长度比一般,为,为0.50.6。99,规,规程要求,L,/,H,一般为0.51.2。其实，,只,只有在饱和软土,中,中才会取,L,/,H,大于1。,二、土钉直径及,间,间距,土钉直径,D,一般由施工方法,确,确定。打入的钢,筋,筋土钉一般为16 32mm,，,，常是25mm,，,，打入钢管一般,是,是50mm；人,工,工成孔时，孔径,一,一般为70 120mm，机,械,械成孔时，孔径,一,一般为100 150mm,。,。,土钉间距包括水,平,平间距,(,列距,),S,x,和垂直间距,(,行距,),S,y,，其数值对土钉,的,的整体作用效果,有,有重要影响，大,小,小宜为12m,。,。对钻孔注浆土,钉,钉，可按612倍土钉直,径,径,D,选定土钉行距和,列,列距，且宜满足,：,：,S,x,S,y,=,K,D,L,(5-1),式中：,K,注浆工艺系数，,一,一次压力注浆，,K,=,1.5 2.5,；,D、L,土钉直,径,径和长,度,度，,m；,S,x,、,S,y,土钉水,平,平间距,和,和垂直,间,间距，,m。,5.3.3,稳定性,分,分析,一、内,部,部稳定,分,分析,土钉墙,内,内部稳,定,定性分,析,析是为,了,了保证,土,土钉墙,本,本身的,稳,稳定，,这,这时的,破,破裂面,全,全部或,部,部分穿,过,过加固,土,土体的,内,内部，,部,部分穿,过,过加固,土,土体时,又,又称为,混,混合破,坏,坏。对,内,内部稳,定,定性的,分,分析国,内,内外有,数,数种不,同,同的方,法,法。下,面,面仅介,绍,绍二种,方,方法,冶,冶建,总,总院方,法,法和,Schlosser,方法。,1.,冶建总,院,院方法,力,矩,矩极限,平,平衡法,（1）,基,基本假,定,定,破裂面,为,为圆弧,形,形，破,坏,坏是由,圆,圆形破,裂,裂面确,定,定的准,刚,刚性,区整体,滑,滑动产,生,生的；,破坏时,，,，土钉,的,的最大,拉,拉力和,剪,剪力都,在,在破裂,面,面处；,沿着破,裂,裂面的,土,土体抗,剪,剪强度,能,能够全,部,部发挥,，,，并且,符,符合,库仑公,式,式；,假定小,土,土条两,边,边的水,平,平作用,力,力大小,相,相等、,方,方向相,反,反、,且作用,于,于一条,直,直线上,；,；（与,瑞,瑞典条,分,分法假,设,设相同,）,）,土体强,度,度参数,取,取加权,平,平均值,。,。,（2）,土,土钉受,力,力简化,土钉墙,中,中的土,钉,钉受力,状,状态非,常,常复杂,，,，一般,同,同时有,拉,拉应力,、,、剪应,