四川美术馆新馆建设项目基坑降水及护壁设计

毕业设计说明书目：四川美术馆新馆建设项目 基坑 降水及护壁设计 学院（直属系）：交通与汽车工 程学院年级、姓学指-兀专业名号师目录摘要 4 .Abstract 错. 误！未定义书签。1前言 6 .2 工程概况 8.2.1 地理位置及交通条件 82.2 气象、水文特征 82.3 地形地貌 82.4 场地区域地质构造特征及场地稳定性 82.5 现场工程概况 91.1 降水设计 101.1.1 降水井结构与技术要求： 101.1.2 降水，排水方案 101.1.3 基坑降水对周边的影响评价 101.2 土钉墙支护结构 111.3 土钉分类及土钉墙的特点与适用范围 121.3.1 土钉分类 121.3.2 土钉墙的特点 121.3.3 土钉墙的适用条件 131.4 土钉墙的构造 131.5 土钉支护原理与方案设计概则 151.5.1 土钉支护原理 151.6 土钉方案设计的必要条件 171.6.1 工程地质及区域地质勘察数据 171.6.2 工程条件及周围环境 181.6.3 确定拟建工程基坑边壁破坏模式 181.6.4 工程保养期 181.6.5 基坑边壁最大允许变形量 181.6.6 现场试验资料 18191.6.7 确定边壁临界自稳高度、临界自稳长度和临界自稳时间1.6.8 降雨和疏水条件 191.6.9 监控与回馈设计 191.7 土钉墙设计的基本程序 191.7.1 非支护条件下边壁稳定性分析 191.7.2 计算确定支护参数 201.7.3 支护条件下边壁稳定性校核 201.8 设计注意事项 201.8.1 稳定性系数 201.8.2 拉应力 211.8.3 超前土钉 211.8.4 预应力土钉 211.8.5 基坑壁脚移位,基础隆起防治 221.8.6 附加荷载 221.8.7 边壁滑塌防治 221.8.8 水患防治 224 土钉墙设计 2.4.4.1 影响土钉墙设计的因素 244.2 土钉墙设计步骤 244.2.1 土钉设计计算 244.2.2 喷射混凝土面层设计 334.3 土钉墙设计和计算 344.3.1 土钉设计计算 344.3.2 喷射混凝土面层设计 425 土钉施工工艺和方法 4.4.6 结论 4.6.总结与体会 4.6.谢辞 4.7.【参考文献】4.8.四川美术馆新馆建设项目基坑降水及护壁设计摘要土钉墙设计中， 由于工程现场下部土层较好， 通过朗肯主动土压力计算确定只 需在上层填土部分进行土钉墙支护。计算出土钉使用状态下的土体侧压力，并由此进行土钉墙参数设计，最后对土钉墙的局部稳定性、内部整体稳定性和外部整体稳定性进行了验算。土钉墙内部稳定性验算较为复杂，本设计采用了简化算法，即把最危险滑裂面简化成了平面。关键词：基坑，土钉墙，强度，稳定性，排水，沉降In the design of the soil-nail wall, as the project of the lower soil is better, accordingto the Rankine active earth pressure calculation to determine the required soil nailing wall in the upper layer of fill section. Calculation of soil nailing lateral soil pressure state, and thus to the parameter design of soil nailing wall, the local stability of soil nailing wall, the internal stability and external stability checking. Soil nailing wall internal stability computation is more complex, the design uses a simplified algorithm, namely the most dangerous sliding surface is simplified into a plane.Keywords: excavation, soil nailing wall, strength, stability, drainage, settlement1 前言随着高层建筑和城市地下空间利用的发展，促进了基坑工程设计和施工技术 的创新与发展。各地根据当地的工程地质水文地质条件和当地的施工经验， 发展了许多新的基坑支护方式，达到了预期支护效果。但是也有相当一部分基坑支护工程，特别是深大基坑由于设计或施工过程中的失误，导致了支护 失效，造成了重大的经济损失，并延误了建设周期。据有关资料报道，近年来，深基坑工程事故时有发生， 一般的发生率约占基坑工程数量的 20% 左右， 有的城市甚至达30% 左右，造成了重大的损失和严重后果1 。北京做为一个 国际化的大都市，高层及地下建筑多，规模大，在这方面问题尤为突出。因 此，如何保证基坑支护工程既安全可靠，又经济合理，也成为北京当前城市 建设的一项重要问题。本文在总结北京地区工程地质、水文地质条件以及基坑工程的一些主要特点的基础上，对所搜集的北京地区 141 个基坑工程实例 进行分析，讨论、总结了一些当地常用的支护技术，从中可以对北京地区基坑支护的设计与施工技术有一个概要的了解。对监视的对象和物体（ 简称变形物 ） 进行测量，以确定其垂直位置随时间的变化特征。是测定建筑物顶部由于地基有差异沉降或受外力作用而产生的垂直偏差。通常在顶部和墙基设置观测点，定期观测其相对位移值，也可直接观测顶部中 心点相对于底部中心点的位移值，然后推算建筑物的倾斜度。通过对建筑物（构筑物）的沉降和倾斜进行跟踪观测，可以获得建筑物准确 可靠的沉降和倾斜数据，了解建筑物在施工及运营期间变形的实际情况，掌握被检测对象在不同荷载作用下随时间的沉降及倾斜规律，为建筑物施工和 安全运行提供数据保证。层建筑物的增高和荷载的增加，在地基基础上和上部结构的共同作用下，建 筑物发生不均匀沉降， 轻者将使建筑物产生倾斜和裂缝， 影响正常使用， 重 者将危机建筑物安全。 因此，建筑物稳定性和可靠性已经成为人们关注的焦 点，只有定期对高层建筑物和重要建（ 构）筑物进行变形观测，掌握其变形规律，才能合理预测未来变形的大小，及时采取预防和善后措施，确保建筑物 的安全使用。高层建（构）筑物的变形观测包括沉降观测、倾斜观测和裂缝 观测。其中沉降观测和倾斜观测是变形观测的重点， 在变形观测工作实践中 , 应根据实际情况选用最有效的观测方法， 并可科学分析、处理变形观测结果, 对变形观测中常见的问题提出合理的解决方法，准确掌握建筑物的沉降变化 规律，为建（构）筑物设计和防灾减灾提供科学依据。避免因变形原因造成 建筑物主体结构的破坏或产生影响结构使用功能的裂缝，造成巨大的经济损 失，具有重要的意义。2 工程概况2.1 地理位置及交通条件 成都美术馆新馆项目位于成都天府广场西侧。该地块现已拆迁完毕，场 地比较平整，四面临街，交通发达，为成都市中心的核心中心区，区位优势明显。2.2 气象、水文特征成都地区气候温和，降水丰沛，水网密布，土地肥沃。素有“天府”之称。据成都气象台多年观测资料表明，成都地区多年平均气温为162C ，极端最高373C,极端最低-5.9C ;多年平均降水M 947.0mm ,日最大195.2mm ;蒸发M多 年平均值1020.5mm ；相对湿度多年平均值82%; 多年平均风速1.35m/s , 最大风 速为 14.8m/s（ NE 向），瞬时最大风速为 27.4m/s , 主导风向为 NNE 向，出现频率为 11%; 年日照时数为 1200? 1300 小时，日照最小年份只有960 小时。流经成都市的主要河流有府河、南河及沙河，均属岷江水系。岷江在都江 堰分流以后分出许多支流呈扇形流入成都平原。其中府河、南河和沙河顺着地势从西北向流入成都市，府河与南河在合江亭汇合，沙河在市区东南角汇入府南河，并向南流至彭山县境内再次汇入岷江主河道。在府、南河治理前，每到 洪水期，暴雨成灾，洪水泛滥。 1981 年岷江特大洪水时本场地曾遭淹没。上个世纪 90 年代成都市政府对府南河进行整治后， 将成都市原来十年一遇的防洪标准提高到两百年一遇的标准，周边环境大为改善。2.3 地形地貌场地位于成都市天府广场西侧， 地形有一定的起伏。 该场地地貌单元属岷江水系 I级阶地。2.4 场地区域地质构造特征及场地稳定性该区域构造属新华夏系第三沉降带四川盆地西部，成都坳陷中部东侧，处于北东走向的龙门山断裂带和龙泉山断裂带之间（见图 2-1 ）。由于受喜马拉雅山造山运动的影响，两构造带相对上升，在坳陷盆地内堆积了厚度不 等的第四系冰水堆积层和冲洪积层，形成现今平原景观。在成都平原下伏基岩内存在北东走向的蒲江一新津断裂和新都一磨盘山断裂及其它次生断裂。 但除蒲江一新津断裂在第四纪以来有间隙性活动外，其它隐伏断裂近期无明 显活动表征。场地稳定性的影响因素主要取决于场地区域隐覆断裂的活动情况和龙门 山、龙泉山构造带的活动对成都市的影响。蒲江-新津断裂和新都- 磨盘山断 裂是影响成都盆地区域稳定性的主要断裂，其性质、延伸方向、发育特征及其具体位置有待于进一步的深入研究，但从数百年来的历史地震记载已经证 实，对成都市有影响地震烈度都没有超过6度。也有资料预测，在考虑穿过市区的主要断裂如进一步活动并同时考虑浅埋地下水影响的情况下，在成都市区地震烈度超过 7 度的可能性不大，从龙门山构造带和龙泉山构造带的活 动情况看，从获取的成都市区影响最大的场地浅层地震勘探资料，结合本次 波速测试、钻探资料，也进一步证实，场地内无断裂通过，该区域地质构造稳定，未发现新构造活动形迹，亦可不考虑隐伏断裂以及龙门山断裂带和龙泉山断裂的影响，属相对稳定地块。2.5 现场工程概况四川省美术馆新馆位于成都市天府广场北侧，其基坑开挖深度7 米。上层为 杂填土 ，18， c=17.0kPa=18.0KN/m ，厚度 3.0 米以内，下层为冲粉质粘土 ，=25， c = 71.0kPa ， =19.4 kN/m 3，地基承载力标准值I - 280kPa 。3 降水及土钉墙支护结构3.1 降水设计3.1.1 降水井结构与技术要求：降水井采用内径为 300mm 的钢筋混凝土井馆。井结构为：每口井上部 7 根 井壁管，下部 3 根滤水管（注：每根井管长度均为 2.5m ）。成井时要求井孔应圆切垂直，井孔直径600m m 。井管焊接牢固，安装垂直。填砾采用规格612mm 砾石。洗井采用活塞和空压机联合洗井，确保洗井质量，达到出水含砂率小于 1/20000 ，最终抽水设备正常运行群井出水含砂率小于 1/10000. 2.2 抽水设备选择根据计算结果和设计降深，降水时选择QS 型潜水泵，流量60m2/h ，扬程40m 。3.1.2 降水，排水方案（1） 基坑开挖前完成抽、排水系统安装。排水主管口径 22cm,支管口径12cm,均为铁管。（2） 根据现场条件在适当的位置设置3 个沉沙池。沉沙池长3.5m, 宽 2.0m ， 高1.6m ，中间设两道隔墙。井内抽出的地下水经过沉砂池沉淀后流入业主指定的排水口。地表排水系统保证无泄漏。（ 3 ）出水口设在南边大门处（东，西侧各一眼）和西华门街基础东北角。（ 4 ）降水期间，现场安排专人看守，负责降水、排水系统的正常运转、台班记录及日常维护。3.1.3 基坑降水对周边的影响评价基坑降水对周边影响，主要表现在两个方面，其一，地下水位下降会引起地基土有效应力增加，使土体产生附加压缩变形，但这种变形应具备的条件是基底以下有效厚的常处于地下水位以内的高压缩性土。根据本场地岩土 工程勘察报告表明，地基土为地压缩性的沙卵石土层，因而基坑降水引起的 土体有效应力增加产生的地基土附加变形非常小，可忽略不计。其二，地下水位的降低在基坑附近形成较大的水力坡度，致使地层中的 细小颗粒将随水流流失，产生潜蚀嗯和管涌现象，引起地面沉降变形。本工程设计最大降深18.0m （位于井内，基坑以外地下水位逐渐抬高），降水产 生的水力坡度较大，但只要控制好降水井施工质量（特别是滤料质量及填砾厚度），确保降水井出水含沙率满足规范要求就能消除因降水导致临近地基士下沉现象。3.2 土钉墙支护结构士钉墙概述士钉墙(士钉支护、喷锚支护)是由密集的士钉群、被加固的原位士体、喷射混凝士面层及必要的防水系统组成的，是近年来发展起来用于士体开挖和边坡稳定的一种新型挡士结构。士钉则是采用士中钻孔，置入变形钢筋(即带助钢筋)并沿孔全长注浆的方法做成。士钉依靠与士体之间的接口粘结力或摩擦力，使士钉沿全长与周围士体紧密连接成为一个整体，形成一个类似 于重力挡士墙结构，抵抗墙后传来的士压力和其它荷载，从而 保证开挖面的 安全。具典型结构如图 3-1 ( a)所示。 士钉主要作用是约束和加固士体，从而使士体保持稳定和整体性。士钉也可用钢管、角钢等采用宜接击入的方法置入士中。 士钉墙是用于基坑开挖和边坡稳定的一种新的挡士技术。由于其经济可靠且施工简便快捷，已在我国得到广泛应用。(b)图3-1 土钉墙与重力式挡土墙3.3 土钉分类及土钉墙的特点与适用范围3.3.1 士钉分类士钉主要可分为钻孔注浆钉与打入钉两类。钻孔注浆钉是最常用的士钉类型。即先在士中钻孔，置于钢筋，然后沿全长 注浆，为使士钉钢筋处于孔的中心位置，周围有足够 的浆体保护层，需沿钉 长每隔23m设对中支架。士钉外露端宜做成螺纹并通过螺母、 钢垫板与配 筋喷射混凝士面层相连，在注浆体硬结后用扳手拧紧螺母，使在钉中产生约 为士钉设计拉力10%左右的预应力。土体间的粘结打入钉，在土体中直接打入角钢、圆钢或钢筋等，不再注浆。由于打入钉与 摩阻强度低，钉长又受限制，所以布置较密，可用人力或振动 冲击钻、液压锤等机具打入钉。打入钉的优点是不需预先钻孔，施工快速， 但不宜用于砾石土和密实胶结土，也不宜用于服务年限大于 2 年的永久支护 工程。3.3.2 土钉墙的特点 与其它支护类型相比，土钉墙具有以下一些特点或优点：（ 1）能合理利用土体的自承能力，将土体作为支护结构的不可分割的部分。（ 2）结构轻型，柔性大，有良好的抗震性和延性。 1989 年美国加州 7.1 级 地震中，震区内有 8 个土钉墙结构估计遭到约 0.4g 水平地震加速度作用，均 未出现任何损害现象，其中 3 个位于震中 33km 范围内。（ 3）施工设备简单， 操作简便， 土钉的制作与成孔不需复杂的技术和大型机具。（ 4）施工不需单独占用场地， 对于施工场地狭小， 放坡困难，有相邻地层建 筑或堆放材料， 大型护坡施工设备不能进场时， 该技术显示出独特的优越性。（ 5）有利于根据现场监测的变形资料， 及时调整土钉长度和间距。 一旦发现 异常不良情况，能立即采取相应加固措施，避免出现大的事故，这就能提高 工程的安全可靠性。（ 6）工程造价低， 经济。据国内外数据分析，土钉墙支护工程造价比其它支 护类型的工程造价低 1/3 左右。（ 7）防腐性能好。 土钉由低强度钢材制作， 与永久性锚杆相比，大大地减少 了防腐的麻烦。（ 8）施工速度快，基本不占用施工工期。3.3.3 土钉墙的适用条件土钉墙适用于地下水位元以下或经人工降水后的人土填土、粘性土和弱 胶结砂土的基坑支护或边坡加固。土钉墙宜用于深度不大于 15m 的基坑支护或边坡维护，当土钉墙与有限边坡、预应力锚杆联合使用时，深度可增加。土钉墙不宜用于含水丰富的粉细砂层、沙砾卵石层和淤泥质土，不得用于没有自稳能力的旖旎和饱和软弱土层。3.4 土钉墙的构造（ 1 ） 土钉墙可用于高度15m 以下的基坑和边坡，常用高度为 512m ，斜面 坡度为1 ： 0.1 。60 90 ，土钉墙墙面坡度不宜大于 2） 2） 土钉墙均是分层分段开挖，每层开挖高度一般为 0.52.0m ，常与土钉竖向间距相同。每层开挖的纵向长度，由施工方案确定，常用 10m 长。 3） 土钉的长度由计算确定，一般情况下注浆式土钉长度为 0.51.2H, 打入式土钉为 0.50.7H 。（ 4 ） 土钉经常均匀布置在坡面中，间距宜为 12m ，土钉的倾角一般为 5o 20 。（ 5 ） 土钉钢筋宜为 U 级以上变形钢筋，钢筋直径在1632mm 之间，常用25mm ; 钻孔直径一般为 70120mm , 常用 100mm 。(6) 注浆材料宜用 1: 0.5 水泥浆，强度等级不宜低于 M10 ，可加入各种外 加剂。(7) 喷射混凝土面层厚度一般为 80200mm , 常用 100m m , 喷射混凝土强 度不宜小于C15。面层中宜配置宜径 610mm的钢筋网，间距宜为150300mm 。(8) 为保证士钉与喷射混凝士面层的连接和锚固，常采用设置承压垫板和焊接钢筋骨架等方法，垫板下常配置分布钢筋和加强连接钢筋，以分散喷射混 凝士面层的应力。(9) 沿士钉长度应设置定位器，定位器件距宜为12m。(10) 士钉可为临时性士钉和永久性士钉。对永久性士钉来说，要做好防腐工作，因此其构造与临时性士钉有所不同。 打入式士钉一般用于临时性工程， 其端头构造与注浆士 钉相似。具典型的构造如图 3-2所示。喷射混凝土螺母垫板钢筋网(a)临时性土钉构造第二层喷射混凝土第一层喷射混凝土螺帽垫板水泥注浆套管定位器(间距2m)塑料套管(内空距50mrti钻孔钢筋网(b)永久性土钉构造图3-2 土钉的典型构造3.5 土钉支护原理与方案设计概则3.5.1 士钉支护原理在非支护与支护条件下士体单层、多层及整体稳定性分析、校核基础上 ,通过逐层下挖基 坑，逐层进行士钉超前支护，以尽可能保持、显著提高、最大限度地利用基坑边壁士体固有力学强度，变士体荷载为支护结构体系的一部分，最终达到安全、经济的围护深基坑边壁整体稳定性之目的。临空面后，非支护假设一般士层是由较均匀、疏松的各向同性介质所构成。基坑开挖产生式为圆弧型。层状结构岩体稳定主要条件下的边壁士体随后产生变形宜至滑移破坏、具破坏模受层面结构面控制，可能产生平面或崩塌破坏模式。节理裂隙岩体的稳定主要受裂隙结构面所控制，可能产生契形破坏模式等。实验研究证明，圆弧滑移面的最终形成有一个萌生一发展一完成的演变过程，它受控于介质物理学性质，并与掘支方法及效率、基坑空间尺度、水患条件、施工质M和管理水平等密切相关。由地幔形成机制及地层地质历史差异的原因，任一深基坑边壁几乎都不 是由莫单一介质所构成。但坑壁的稳定主要为莫一层或莫几层相对最软弱介质的稳定所制约，故任一深度基坑边壁均可以该介质为基础进行近似的偏于安全的稳定性分析。在莫一开挖深度条件下，坑壁产生滑移具有莫种随机性，即可能出现滑移线簇。但最危险和最先产生的滑移线只有一条，称之为优势滑移线，相应的滑移面称为优势滑移面。如图3-3:优势滑移线图3-3滑移线簇优势滑移线随基坑下挖而转移，因而在不同开挖深度上具有不同的优势滑移线，从而形成优势滑移线簇。但任一确定深度的基坑边壁之最先产生、也是最危险的优势滑移线只有一条，称之为优势滑移控制线，相应的滑移面称为优势滑移控制面。如图 3-4:产生初期，以地面出现滑移性裂缝和区间高变形速率为先导，并以一定的变形速率发展变化。采用具有足够“缝合强度”的士钉（管、索、栓）逐次超前“缝合”优势滑移控制面，则此滑移面将不会萌生，或不致发展和形成（如图）。如图3-5:下图是由优势滑移线簇与士钉（管、索、栓）共同组成的一张网格图，称为经纬图。y优势滑移控制面的（n-1）次超前缝合:钉（管、索、t图3-5经纬图稳定性分析是做出工程支护参数设计及典型经纬图的基础。稳定分析要考虑单层、多层和整体稳定性，前者依次为后者所包容。多层稳定和整体稳定均须考虑（n-1）次超前缝合效应。监控是深基坑士钉支护法不可或缺的组成部分。监控的目的是验证设计的科学性和合理性，以及施工的可行性和可靠性。具综合目标是达到基坑边壁满 足设计要求的整体稳定性，以便 必要时进行设计、施工修改。检测参数有多种：支护结构应力、应变、士体压力、边壁变形以及临近建筑物倾斜等。其中边壁变形是控制性的。依参照点设在地面或坑内，理想的变形时程曲线有对称的两支，如图3-6 （a）所示。否则就是反常的或不收敛的,如图3-6 （b）所示。对此，需引起设计施工人 员充分注意。地面 坑内（a）收敛（b）不收敛图3-6理想（反常）变形时程曲线3.6 土钉方案设计的必要条件3.6.1 工程地质及区域地质勘察数据它包括2.02.5倍基坑深度范围内各类岩、士层的物理力学性质，主要是介质类别、岩性、天然含水M （ W）、天然密度（p）、饱和度（St）、孔隙 比（e）、液限（WI）、塑 限（3p）、塑性指数（Ip）、液性指数（II）、压缩模M （ ES、粘聚力（c）、内摩擦角 （?）、波速（vs）、标准贯入（N）、地下水状况及其渗透性、岩石结构面充填状况及其性 质、区域地震的震级及 地震烈度资料等。这些是方案设计的最基本集料。3.6.2 工程条件及周围环境它包括：基坑几何尺寸或特征尺寸；地下管线分布情况（尺度、埋深、距边壁的距离等）；邻近已建高层建筑物或民房分布状况及相应基础形式；邻近市政工路等级，最大车载及其它特殊建筑如铁塔、高压电线杆、 桥墩等的情况；邻近山体或江河湖泊条件等。3.6.3 确定拟建工程基坑边壁破坏模式不同的介质、不同的工程环境及地下水条件，可产生不同的边坡破坏模 式。不同的破坏模式决定不同的稳定分析方法和不同的支护参数设计。 因此， 在方案设计之前，须认真分析并确定相应的边壁（坡）破坏模式。3.6.4 工程保养期工程保养期由投资方根据拟建工程需要提出。保养期与支护参数密切相 关。保养期愈长，支护参数一般应愈强，因而造价愈高。基坑边壁保养期一 般较短， 为 36 个月，最长不宜超过12 个月。边坡保养期一般较长，通常是永久性的。这是基坑边壁与岩土边坡支护的重要区别之一。3.6.5 基坑边壁最大允许变形量一般城建管理部门对基坑边壁最大允许变形量有明确要求， 特殊情况下， 投资方可根据本身工程需要提高或放宽这一要求，已达到特定目的或获得更好的经济效果。一般而言，工程愈需要，环境愈复杂，允许变形量便愈小， 支护参数因之愈强，工程造价愈高。3.6.6 现场试验资料它包括土钉或锚杆（管、索、栓）拉拔试验数据，喷射混凝土抗压强度试验数据，喷层圆盘拉拔试验数据，钢筋抗拉强度试验数据，砂、石筛分曲 线，预应力松弛和蠕变数据以及外加剂凝结时间、 效果数据等。 一般情况下， 上述数据应从现场试验获得。特殊情况下，经论证、协商认可，也可取自类似工程的试验成果。3.6.7 确定边壁临界自稳高度、临界自稳长度和临界自稳时间 这是设定一次开挖深度和一次开挖长度的基础，由计算和试验确定。一般一次开挖高度要小于或等于边壁临界自稳高度；一次开挖长度要小于或等于临界自稳长度； 临界自稳时间过短或为零时， 须先作超前支护， 而后开挖。 这是设定一次开挖深度和一次开挖长度的基础，由计算和试验确定。一般一次开挖高度要小于或等于边壁临界自稳高度；一次开挖长度要小于或等于临 界自稳长度；临界自稳时间过短或为零时，须先作超前支护，而后开挖。3.6.8 降雨和疏水条件 它包括年降雨量值，雨季最大降雨量值，基坑所处地形、地貌、排 水、 疏水条件等。历史经验表明，水患是许多基坑边壁（坡）失事的主要原因或 重要原因。方案设计中重视水患作用是工作成功的极重要因素。水患包括地 上水及地下水，这里仅是强调地上水危害。实际上，对地下水的处理是同等重要的。3.6.9 监控与回馈设计鉴于工程地质条件千差万别，设计不可能一成不变。通过监测，将所得 信息回馈于原设计中， 必要是对其进行修改， 使之更加科学合理、 安全经济。 检测参数和方法很多，其中最重要的是位移及质点运动速率的检测和相应的 稳定性判断准则。3.7 土钉墙设计的基本程序该设计在具备方案设计必要条件基础上进行。3.7.1 非支护条件下边壁稳定性分析非支护条件下的稳定性分析包括单层、多层和整体稳定性分析。（ 1 ）单层稳定性分析 单层稳定性分析的目的在于保证开挖过程中的稳定，并为相应的支护参数设 计提供依据。单层稳定性分析方法是以该层深度为依据，考虑其它附加荷载 和不利因素， 通过计算和试验确定单层临界深度、 临界长度、临界自稳时间、 优势滑移线、优势滑移半径和优势滑移角等（ 2 ）多层稳定性分析多层稳定性分析的目的在于保证掘支过程中边壁的稳定，并为相应的支护参数设计提供依据。多层稳定性分析的方法是以多层深度为依据，考虑其它附加荷载和不利因素， 计算确定相应的优势滑移面、 优势半径和优势滑移角等。（ 3 ）整体稳定性分析整体稳定性分析的目的在于确保基坑挖至底板时整个边壁的稳定性，并为支护体系的总体设计提供依据。整体稳定性分析的方法是以基坑深度为依据，考虑其它附加荷载和各种不利因素，计算确定相应的优势滑移控制面、优势半径和优势滑移角等。3.7.2 计算确定支护参数根据非支护条件下单层、多层和整体稳定性分析结果，计算确定相应的 土钉（包括锚管和面层、喷层和钢筋网）支护参数。3.7.3 支护条件下边壁稳定性校核支护条件下边壁稳定性校核，按单层、多层和整体稳定性状况分别进行。（ 1 ）单层稳定性校核所设计的支护参数，在保证单一土层稳定同时，尚须保证对所确定的优势滑移面和优势滑移控制面以内的不稳定体满足一定安全系数的超前缝合强度。（ 2 ）多层稳定性校核所设计的支护参数， 应满足多层土体的稳定， 即保证施工过程中边壁的稳定。其强度校验需考虑此前支护的（ n-1 ）次超前缝合效应（ 3 ）整体稳定性校核所设计的支护参数，应满足整个边壁的稳定，即：使相应的优势滑移控制面不致产生、发展和形成，其强度校验需考虑此前支护的（ n-1 ）次超前缝合效应。3.8 设计注意事项3.8.1 稳定性系数（ 1 ）稳定性系数原则上应根据设计必要条件选定。（2）对一般使用要求的边壁,稳定性系数可不小于1.3;对于中等要求的边壁, 稳定系数可取 1.5? 1.8;对中等以上使用要求的边壁， 稳定系数可取2.0? 2.5; 对特殊使用要求的边壁 ,稳定性系数不小于 2.5 。3.8.2 拉应力（ 1 ）在任意两根高预应力长锚索之间,会产生拉应力区域,设计时必须予以考虑。（ 2） 在拉应力区域,设置非预应力土钉短锚杆,可消除该区域的拉应力集中效应。（ 3 ） 非预应力短锚杆等应设置与拉应力的土钉及位于该区域设置在拉应力区 的对称中心。3.8.3 超前土钉（ 1 ）超前土钉用于单层自稳时间为零或极短, 即随挖随塌的场合。（2） 超前土钉的长度不小于单层开挖深度的2 倍,其与垂直壁面的夹角以5o 10o 为宜。（ 3 ）超前土钉的中上部须与已完成的支护连成一体。（ 4 ）超前土钉的间距应根据现场试验确定。（ 5） 用作超前土钉的材料可以是角钢 ,槽钢,钢管,螺纹钢筋 ,预制钢筋 ,混凝土 杆件等。3.8.4 预应力土钉土钉一般不施加预应力,这样工序更加快捷。预应力土钉一般用于对边壁变形需严格控制的场合。 施加预应力的方式可以是张拉式或螺旋式。在土质边壁（ 坡） 宜采用低预应力张拉吨位;在岩石中可设计较高的张拉吨位。 一般而言 , 设计预应力吨位宜控制在每延米极限抗拔力的 30% 左右。对土钉预应力损失或超载情况,应密切注意观察,或分区域采用应力传感器进行监测 ,必要时应对语言能够里进行调整 ,或作加强支护。预应力土钉的张拉段必须能自由伸缩。 应根据不同的地层选择预应力土钉的型式。3.8.5 基坑壁脚移位,基础隆起防治基坑壁脚移位,地基隆起是壁脚附近土层介质在上覆土体自重荷载及侧压力作用下 ,连续置换邻近底板下部土层 ,并将其置于底板上部空间的塑流现象。在基坑壁脚附近采用垂直或近乎垂直向下的土钉截断塑流线,可防止地 基隆起现象发生。设置防地基隆起的土钉的 （ 密度 ,长度 ） 材料及其上部处理。3.8.6 附加荷载 附加荷载指在基坑边壁优势滑移线以内可能滑移体外的一切地面荷载和 其它 荷载。各类附加荷载均应纳入边壁稳定性分析和相应的支护参数强度校核。 各类附加荷载均 按等效静载考虑。3.8.7 边壁滑塌防治 边壁滑塌防治方案设计应在分析确定滑塌成因及破坏模式基础上进行。边壁滑塌防治应按设计程序 ,进行非支护条件下的单层,多层和整体稳定分析 , 以及相应支护条件下的稳定性校核。采用自上而下逐层清渣到底。在清理滑塌区前 ,须在关键部位设置监控点 ,进行监测 ,并于必要时进行回 馈设计。滑塌区是否回填视使用要求而定。3.8.8 水患防治 水患是基坑边壁稳定的大忌 ,方案设计中须慎重考虑。 优势滑移控制线以内及其附近的各种积水或水源均可能对基坑边壁稳定 构成危害。这些水患指 :地面雨水 ,生活用水 ,施工用水等所构成的地面积水,地 下由正使用或已废弃的污水管或清水管之渗漏水, 以及初始地下水所构成的 综合地下水,基坑内各种水渠所构成的积水等。对水患须采用全方位的构造防治措施, 以把水患影响减少到最低程度。 水患防治措施主要是：排、挡、降、封、抽。排 :通过设置排水沟排除地面积水； 挡 :对地处低洼地的基坑,在边壁的附近地面可设置水墙挡水 ,不使水流入坑内；降 :设降水井降低地下水位； 封 : 采用喷射混凝土封闭基坑壁面及附近地面； 抽 :在基坑内设置积水坑 ,有水泵及时抽出坑内积水。特殊情况下 ,基坑附近不允许设置降水井时,支护参数需作加强设计,以维 护基坑边壁的稳定。4 土钉墙设计4.1 影响土钉墙设计的因素土质边坡（ 边壁 ） 的变形破坏特征和破坏形态：如果地下不存在洞穴，地表面一般不可能无故出现塌陷。即使是软土地面，无任何人为施作和自然因 素存在时，通常也不可能出现一部分土体相对于另一部分土体的运动，造成 地面的裂缝或塌陷。因其本处于一相对静止平衡状态中，若在地平面下开挖深基坑形成边坡（ 边壁 ） ,出现了临空面，被挖除土体不再对基坑边壁（ 边坡 ） 和底 板起约束作用，土体的静止平衡状态刚被打破，基坑边壁（ 边坡 ） 就可能产生变形，表现为一定范围内的土壤质点产生运动。当质点运动速率达到某一临 界值时，土壁（ 坡 ） 就可能出现滑坡现象。土壁 （ 坡 ） 的滑动现像是指土壁（ 坡 ） 在一定范围内整体地沿某一滑动面向临空面方向移动或转动而丧失其稳定性。土壁（ 坡 ） 的失稳常常在外界的不利 因素影响下触发和加剧。一般有以下几中原因：（ 1 ）土坡作用力发生变化；（ 2 ）静水力和动水力的作用；（ 3 ）土体的性质变化；（ 4 ）坡角增大，边坡稳定性变差；（ 5 ）坡高越大，稳定性越差。常见的粉土、粘性土等一般粘土边坡，由于其剪切滑动面大多为曲面， 破坏前坡顶常有张拉裂缝的先兆，破坏时滑移体将沿该曲面产生整体滑动。 根据土体极限平衡理论，可以推导出滑动面近似为对数螺线曲面，为简化常假设为圆弧。4.2 土钉墙设计步骤土钉墙的设计步骤如下：4.2.1 土钉设计计算土钉设计计算遵循下列原则：(a)只考虑士钉的受拉作用;(b) 士钉的尺寸应满足设计内力的要求，同时还应满足支护内部整体稳定性的要求。(1)计算基坑边壁(坡)所受的主动士压力：1)主动士压力可利用朗肯士压力理论计算。当粘聚力c的影响较小时，有时可以略去，这既可使计算简化,也可使计算结果偏于安全。但台匕目匕c值较大时不忽略，以图4-1所示为例,计算如下:Poh1Ph1上h2Ph1下,C2,Ph2上h3,C3,Ph2下图4-1朗肯士压力计算图图中士分三层,上有均布荷载q作用,顶面处:cp_Ka1 an2 （45 -寸）-2CA Ka1P0 qKa12G、Ka1 ；h 处.Ph1 上=（q 1h Ka1 - 2C1; Ka1 Ka2-tan2 （45 -）， 2Ph1 下=（q.1h1）K2_2C2Ka2 .7h1+h2处：q山2咏2-纶人2, ?3七(45冷),Ph2下（q 10hz） ? -2C 3 .K；.h1+h2+h3 处：Ph3= (q 1h一士层容重；2h23h3）Ka3-2C3 尺内摩擦角。2）使用状态下有士体自重和地面超载q引起的每一士钉内力可按图 4-2所示 得侧向士压力分布图形按下式求出：N = p S h Sv / cos _： 式 N 士钉轴向压力；中：p 士钉上下各距 Sv/2范围内士压力p得平均值;Sv、$ 分别为士钉竖向间距和水平间距；士钉与水平线夹角为4-2 土侧压力P的分布图 4-2 中，p = ppq , P和Pq值取为：c0.05对于（H）砂士和粉士 ：p, =0.55?Hc对于（h0.05）粘性士 ：0.2?H 兰 p, =Ka 1-HL 5HK式中：。边坡士体自重引起的士压力P2地面超载引起的侧压力;2?士的主动士压力系数，Ka an （45 -/2）;士的重度；H 士钉支护深度；c 均为士的抗剪强度指标。对性能相差不远的分层士体，上式中的及c值可取各层士的参数tan及G按其厚度取加权平均值。（2）确定士钉设计各参数按构造要求，士钉一般采用 U级以上变形钢筋，钢筋宜径在1632mm之间,常用25mm,间距宜为12m , 士钉的倾角一般为 5o20o。可通过先求士压力来计算士钉宜径和士钉长度（即局部稳定性中内容）。并且：士钉的长度，可参照表 4-1选取。表4-1 土钉长度的经验设计参数粉士硬黏士注浆钉打入士钉注浆钉L=(0.5- 0.8)HL=(0.5- 0.6)HL=(0.5- 1.0)H注：H一基坑的垂宜高度（m）2）士钉的水平距离在（Sh）和竖向间距（）。一般取Sh= s= (6? 8) D式中：D -钻孔宜径（m）;常用Sh= Sv= （1.0? 2.5） m,并需满足:0.3 0.6 （粉土、注浆钉）（硬粘土、注浆钉0.6 1.1 (粉土、打入土钉)Sh Sv 0.15 0.203）钉体宜径（d）, 一般取:注：L一士钉长度（m）d=(2050) 10=,& Sh并满足:（0.4 0.8） 10-（粉土、注浆钉）dQ =? （0.13 0.19 ）灯0 虫（粉土、打入土钉）Sh S（0.1 0.25 ）灯0山（硬粘土、注浆钉）（3 ）局部稳定性计算局部稳定性的分析是考虑到士钉中钢筋不至于被拉坏。1） 士钉钢筋宜径应满足（强度检算）QN _1.1f.式中：Fs,d士钉的局部稳定性安全系数，一般取 1.21.4,基坑深度大时取高值；d 士钉钢筋宜径（m）;fy钢筋抗拉强度设计值（kN/m2）。2） 士钉长度L应满足（抗拔承载力检算）各层士钉长度尚应满足如下要求：Fs,d N二 D式中：Lf士钉轴线与倾角等于 q （4八72）斜线交面点至士钉墙外端点的距离，如图 4-3所示；.。LaD 士钉孔径（m）;t士钉与士体间的抗剪强度标准值（k 士钉，其取值详见表4-2。、+ ）2I其余符号意义同前。图4-3 土钉长度确定表4-2 土钉与土体之间粘结度标准值士层种类士的状态1 (kPa)淤泥质士20 ? 25粘性士坚硬 硬塑可塑软塑60 ? 8050 ? 6040 ? 5030 ? 4030 ? 60粉土中密、密实60 ? 110稍密90 ? 150砂性十中密120 ? 160密实220? 300(4 )内部稳定性验算士钉墙整体稳定性分析是指边坡士体中可能出现的破裂面发生在士钉墙内部并穿过全部或部分士钉。根据士力学中边坡稳定性分析得基本概念，边 坡分为主动区和被动区，士钉得作用是将主动区产生的拉力传递到被动区，增加滑动面上的压应力，提高士的抗剪强度，达到抵抗主动区滑动、稳定边坡的目的。假定破裂面上的士钉只承受拉力且达到最大抗力。按圆弧破裂面采用普通条分法对士钉墙作整体稳定性分析，取单位长度士钉墙进行计算1)确定最危险圆弧滑动面(a)按比例尺绘制基坑边壁剖面图；(b )任选一以r为半径的可能滑动面AC,将滑动面上的士体分成 n条垂宜士条(一般 n=812);(C)计算每个士条的自重 Qi = ihbi和地 面荷载qbi,沿圆弧AC分解成法向力Ni和 切向力To其中N二W COS耳图4-4条分法计算图sin? W =Yjhbj+qb式中二i为法向分力N与铅垂线之夹角。(d)滑动力矩： nMt m Wsin * i 4式中r滑动圆弧半径。(f)抗滑动力矩：nMn =r (Ni tan - cl)i 4式中L第i个士条滑弧长。(g)稳定安全系数n(Ni tan GLJ yn、？ (Wi sinp)i吕(h)求最小安全系数 Km*即找出最危险的破裂面。重复(至U(g),选不同的圆弧，得到相应的安全系数K、Kj, A。其中最小值 tn即为所求。为节省计算工作M ,可用电子计算机进行计算2) 士钉墙应根据施工期间不同开挖深度及基坑底面以下可能滑动面采用圆弧滑动面简单条分法(此时圆弧滑动面就是上述部分求得的最危险圆弧滑动面)，按下式进行整体稳定性检算：m Fn ncosj +j) 1 sin(: j =)tan S C - S W qb)cos 弓 tan ikj 12i=1 i=1n S g (W+q)sinq 0i =式中n 滑动体分条数；m 滑动体内士钉数；yk滑动体整体分项系数，可取1.3；y0基坑侧壁重要性系数；第i分条士重;ikCk第i分条滑裂面处士体固结不排水(快)剪粘聚力标准值;第i分条滑裂面处士体固结不排水(快)剪内摩擦角标准值刁第i分条滑裂面处中点切线与水平面夹角i 士钉与水平面之间的夹角；lis第i分条滑裂面处弧长；S计算滑动体单元厚度；Tnj 第j根士钉在圆弧滑裂面外锚固体与士体的极限抗拉力，可按下列公式计算，并取其中的最小值：按士钉的受拔条件：h YDL-;兀,d2按士钉的受拉强度条件：，册叱= 一式中：Lb 士钉在破坏面一侧伸入稳定士体的长度，当 ：500mm时，取注：因为本设计中上层士体抗剪强度指标较小，故采用简化算法，即把最危 险滑面简化 当成平面，从而计算公式简化如下：最危险滑动面稳定安全系数：Sr (W+Q) cos8+迟(g/Sh sin%) tan?+cH/sin 8+ Z (Tnj/Sh co。) K SW sin 71整体稳定性检算公式：m . 1T cos( j 刁 sin(j Rta nclS S(W qB)coAtanj #_2-S k o(W qb)sin)-0(5)外部整体稳定性验算土钉墙的外部整体稳定性验算包括了抗隆起验算，土钉加固后土体作为墙体 的抗滑移、抗倾覆验算等。1) 前述的内部稳定性验算保证了土钉墙面层与土钉紧密结合， 而在土钉墙的 工作中还要保证加固后的土体不会产生整体滑动面，这个滑动面可能是沿墙 脚部，也可能是沿基坑开挖面以下某一软弱土层而形成，因此，在计算中应图 4-5 土钉墙计算模型 当注意，进行土钉墙整体稳定分析时，滑动面不仅要验 算墙脚，还要验算墙脚以下任意可能滑动面。由前分析可知，当上述要求验 算的整体稳定性满足要求时，抗隆起也就自然满足要求了。整体稳定性分析 仍采用上述条分法计算。考虑整体滑动面以外的土钉抗拔力对滑动面土体产 生的抵抗滑动作用而求得安全系数。2) 抗滑移与抗倾覆验算把土钉加固后的土体作为土钉墙的整体，可视为一重应进行抗滑移和抗倾覆验算，如图所示的土钉墙，当作为重力式挡土墙计算时，墙高取长，墙宽从横向取力式挡土墙。4-5H, 墙厚取最下层土钉的水平投影nzrmiEaFtS=S 计算。(a) 抗滑移安全系数： 图 4-5 土钉墙的整体KhFL -1.3 EaxFt 简化土墙底断面上产生的抗滑合力：Ft - 1( H B q B)tan : C B 1 S h ；Eax 简化土墙后主动土压力水平分力。(b)抗倾覆稳定性验算：抗倾覆安全系数KAMW -1.5Mo式中Mw由墙体自重和地面荷载产生的抗倾覆力矩：MW =( H B q B) S h ；由士压力产生的倾覆力矩:H -hM =Eax3 Ho=q/ 为地面超载等效高度。422 喷射混凝土面层设计喷射混凝土面层的作用除保证土钉之间局部土体的稳定以外，还要使土钉周 围的土压力有效地传给土钉，这就要求土钉钉头与面层连接牢靠。（ 1 ）内力计算在土体自重及地表超载作用下，喷射混凝土面层所受侧压力 PoPo = P01 - Poqc _o 5P01 =0.7 （0.5） pN0.7pi5式中 S 土钉水平和竖向间距中的较大值（ m ） ;P1 土钉长度中点处有支护土体自重产生的侧向土压力；Poq 地面超载引起的侧压力， Poq = Ka q。上面计算的压力应乘以分项系数1.2。尚应考虑结构重要性系数为 1.11.2 （2 ）强度计算1 ） 喷 射混凝土面层喷射混凝土面层可按以土钉为支点的连续板进行强度计算。作用于面层的侧 向压力在同一间距内可按均布考虑，其反力作为土钉的端部拉力。验算的内 容包括板在跨中和支座截面的是受弯、板在支座截面的冲切等。2 ） 土 钉与喷射混凝土面层的连接土钉与混凝土面层的连接，应能承受土钉端部的拉力作用。当用螺纹、螺母和垫板与面层连接时，垫板边长及厚度应通过计算确定。当用焊接方法通过不同形式的部件与面层相连时，应对焊接强度作出验算。此外，面层连接处 尚应应验算混凝土局部承载作用。1)计算朗肯主动士压力In区：地面超载按经验取1m厚填士，即q=18kN/m2,所以计算如下Kai =tan (45 地表处：Cp 218-) =tan (45- H 0.52822po 二 qKa1 -2S =18 0.528-2 18s.0.528 二-15.20kPa ;73.0m 处:P3.0 上=(4+丫柑)心 1_2位=(18 + 18 汇 3.0)0.528 -2 170.528 =13.31kPa ；Ka2 二 tan2(45 - J ) =tan 2(45208120.5P3.。下(q10)2 -2C2、，K7 = (18 18 3.0)0.481-2 71 1 0.481 二-63.85kPa ;70m 处.P7.0(4 十？ 10+?20)?2_20 =(18 十 18 江 3.0 十 19用 4.0)-2 710.481 二26.53kPa川区：开挖处上部有四层住宅楼，取地面超载q = 70kN/m 2,所以计算如下：4.3 土钉墙设计和计算4.3.1 士钉设计计算(1 )计算基坑边壁所受主动士压力基坑开挖深度分别为7米、4.8米和7米，上层为填士，厚度 3.0米,巴=18 Ci3g =71kPa 2 =19.4kN /moKai =tan2 (45 一独)=tan2 (45,一型)=0.528地表处:P0 二 qKa1 -2