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1、基坑与边坡工程,第2章 土钉墙支护技术,制 作 人 ：周 勇,一、土钉墙支护的概念,土钉墙,安西路中石油高层住宅深基坑,报业大厦深基坑支护,施工中的下西园超高边坡,土钉墙主要由土钉、面层、被加固的原位土体以及必要的防排水系统组成，如下图。,约束坡面的变形，并将土钉连成整体。,土钉墙支护的防排水系统,地表防水,坡面泄水,坡底排水,土钉,成孔注浆型,直接打入型,打入注浆型,二、土钉墙的基本结构,土钉类型,面层 土钉墙的面层不是主要受力构件，但可以约束坡面的变形，并将土钉连成整体。面层一般采用喷射混凝土，并在其中配置钢筋网，也可采用现浇，或用水泥砂浆代替混凝土。,面层及连接件,当基坑较深、土的抗减强
2、度较低时，宜取较小坡度。坡度越小，土的稳定性越好，算出的土钉墙越经济。对砂土、碎石土、松散填土，确定土钉墙坡度时尚应考虑开挖时坡面的局部自稳能力。土钉墙墙面坡度不宜大于10.2。,土钉墙的墙面坡度（墙面垂直高度与水平宽度的比值）需要视场地环境条件而定。,面层的构造要求：（土钉墙高度一般不大于12m） 喷射混凝土面层厚度宜取80mm100mm； 喷射混凝土设计强度等级不宜低于C20；, 喷射混凝土面层中应配置钢筋网和通长的加强钢筋：,钢筋网宜采用HPB235级钢筋钢筋直径宜取6mml0mm钢筋网间距宜取150mm250mm钢筋网间的搭接长度应大于300mm加强钢筋的直径宜取14mm20mm,当充
3、分利用土钉杆体的抗拉强度时，加强钢筋的截面面积不应小于土钉杆体截面面积的二分之一。,土钉与面层的连接一般采用螺栓连接或钢筋焊接连接，其连接应满足承受土钉拉力的要求，当在土钉拉力作用下喷射混凝土面层的局部受冲切承载力不足时，应设置承压钢板或井字形加强钢筋等构造措施，如下图：,连接件,防排水系统,土钉墙支护的防排水系统,基坑四周支护范围内的地表应加以修整，采用水泥砂浆或混凝土护面，并修筑散水坡和排水沟，防止地表水向下渗透。,在边坡面层中可根据具体情况设置导流管，将面层的积后面水引到坑内排走。导流管的直径一般不小于40mm，长度为400mm600mm，间距为1.5m2.0m。,基坑底面设置排水沟和集
4、水井，以排除集聚在基坑内的渗水和雨水。排水沟一般距离坡脚0.5m1.0m，内部砂浆抹面，防止渗漏。当土中地下水高于基坑底面时，应采取降水或截水措施。,地表防水,坡面泄水,坡底排水,国内发展,二、土钉墙支护的发展,土钉与锚杆的联合应用,土钉,土体,复合土体,有效地提高了土体的整体刚度，弥补了土体抗拉、抗剪强度的不足。,将突发性的脆性破坏,相互作用,应力重分布,塑性破坏,主动制约机制,支护后,支护前,一、土钉墙支护的基本原理,整体作用机制,土钉的作用,箍束骨架作用,承担主要荷载作用,应力传递与扩散作用,对坡面的约束作用,加固土体作用,一、土钉墙的受力过程分析,初期土钉基本不受拉力或承受较小的力,主
5、动土压力一部分通过钉与土摩擦作用直接传递给土钉,受力特征：土钉拉力在水平及竖直方向上均表现为中间大、两头小的枣核状,各排土钉的受力继续加大下排土钉分担了更多的荷载,受力特征：离面层近处受力较大，越远越小；最下边23排土钉离开挖面较近，承担了主要荷载,开挖,继续开挖,土钉承受主要荷载，土钉在弯剪、拉剪等复杂应力状a态下注浆体破裂，钢筋屈服,土体进入破坏阶段,土体进入渐进性开裂破坏阶段,土体进入塑性变形阶段,土压力主要由土体承担阶段,土钉墙支护的工作性能,支护面位移沿高度呈线性变化，类似绕趾部向外转动,土钉在土体内空间排列形成空间骨架，起约束土体变形的作用，并与土体共同承担外荷载,同一深度处土钉的
6、拉力沿其长度变化，最大拉力部位随着基坑的开挖，从开始时靠近面层的端部，逐渐向里转移，最大值一般在土体可能失稳的破坏面上,拉应力沿深度变化，中间大、两头小，接近梯形分布,墙体后的土压力沿高度分布呈中间大、上下小的形态,土钉墙破坏时明显带有平移和转动性质，类似于重力式挡墙，其破坏形式有内部稳定破坏（局部滑动面破坏）和外部整体稳定破坏（滑移与倾覆）,1.土钉墙的优点,提高土体刚度延时性提高施工安全性操作轻便缩短基坑施工工期经济效益较好,2.土钉墙的局限性,位置限制须进行验算与监测软土地区不宜单独使用变形略大,土钉的适用范围,土钉墙支护适用于地下水位以上或经降水后的杂填土、黏性土、粉土及有一定胶结能力
7、和密实程度的砂土层。,不适用,淤泥质土、淤泥等软弱土层。,缺少黏聚力、过于干燥的砂层及相对密度较小、均匀度较好的砂层。,膨胀土。,强度过低的土，如新填土。,一、土钉墙的设计内容,二、土钉墙的设计参数与构造设计,基坑侧壁平、剖面尺寸以及分段施工高度设计,土钉墙墙面坡度不宜大于1:0.2,土钉水平间距和竖向间距宜为1m2m,分段施工高度必须大于土钉竖向间距，一般低于土钉300mm500mm,土钉布置方式、间距以及直径、长度、倾角设计,土钉可采用矩形或梅花形布置；土钉钢筋宜采用HRB400、HRB500钢筋，直径宜为16mm32mm，钻孔直径宜为70mm120 mm；土钉与水平面夹角宜为520,土钉
8、水平间距、竖向间距及长度经验值,注浆设计,注浆材料宜采用水泥浆或水泥砂浆，水泥浆的水灰比宜为0.50.55，水泥砂浆的水灰比宜取0.40.45，同时，灰砂比宜取0.51.0，拌合用砂宜选用中粗砂，按重量计的含泥量不得大于3%；施工时加入适量的速凝剂和减水剂，水泥浆或水泥砂浆的强度不宜低于20MPa；水泥应采用普通硅酸盐水泥，强度不低于42.5级。,当采用重力无压注浆时，土钉倾角宜大于15。当土质较差，土钉倾角水平或较小时，可采用低压注浆或高压注浆，此时应配有排气管。当必须提供较大的土钉抗拔力时，可采用二次注浆。,喷射混凝土面层及土钉和面层的连接设计,土钉墙高度一般不大于12m，面层喷射混凝土强
9、度等级不宜低于C20，面层厚度宜取80mm100mm；面层宜配置钢筋网，钢筋直径宜为6mm10mm，间距宜为150mm250mm；钢筋保护层厚度不宜小于20 mm；坡面上下段钢筋网搭接长度应大于300mm。,土钉必须与面层有效连接，应设置承压板或加强钢筋等构造措施。承压板应与土钉螺栓连接，承压板一般采用厚度不小于70mm、内配构造钢筋的多边形混凝土预制板；加强钢筋应与土钉钢筋焊接连接，加强钢筋一般采用长度不小于0.4 m，直径宜取14mm20mm，当充分利用土钉杆体的抗拉强度时，加强钢筋的截面面积不应小于土钉杆体截面面积的1/2。,坡顶防护及防排水设计,土钉墙墙顶应采用砂浆或混凝土护面，坡顶护
10、面在坡顶1m内应配置与墙面内相同的钢筋，1m外在地表做防水处理即可。当地下水位高于基坑底面时，应采取降水或截水措施。,坡顶和坡脚处应设置排水措施，排水措施主要是设置排水沟。坡顶排水沟应设置在最可能产生滑动面的位置；坡脚排水沟应设置在基坑内离坡脚0.5m1.0m处；排水沟的尺寸视现场实际情况确定。,三、土钉墙支护设计的计算,单根土钉的极限抗拔承载力标准值,单根土钉的轴向拉力标准值,主动土压力折减系数,土钉轴向拉力调整系数,1-土钉 2-喷射混凝土面层,土钉杆体的受拉承载力计算应满足,作用在支护结构外侧的主动土压力强度标准值、支护结构内侧的被动土压力强度标准值的计算可以选择水土合算、水土分算。,水
11、土合算,水土分算,1-滑动面 2-土钉 3-喷射混凝土面层,土钉墙整体稳定性验算,第i个圆弧滑动体的抗滑力矩,第i个圆弧滑动体的滑动力矩,Ks为圆弧滑动稳定安全系数；安全等级为二级、三级的土钉墙，分别不应小于1.3、1.25 。,土钉墙基坑坑底抗隆起稳定性验算,土钉墙支护外部稳定性验算,土钉墙与土体组成复合土体，其整体工作性能类似于重力式挡墙，可将土钉加固的整个土体视做重力式挡土墙分别验算。验算时，墙体宽度等于最下一排土钉的水平投影长度，验算项目如下：,土钉墙支护外部稳定性验算,抗水平滑移的安全系数应不小于1.2；抗整体倾覆的安全系数应不小于1.3，且此时的墙体底面最大竖向压力应不大于墙底土体
12、作为地基持力层的地基承载力设计值的1.2倍。,单纯土钉墙支护技术在许多情况下受到限制,如土质较差、开挖深度较大、地下水位较高时，其变形往往无法达到要求。,攻克,复合土钉墙支护技术,解决,复合土钉墙是将土钉墙与其它的一种或几种支护技术（如有限放坡、截水帷幕、微型桩、水泥土墙、锚杆等）有机组合成的复合支护体系，它是一种改进或加强型土钉墙。,(a),(b),(c),(d),(e),(f),(g),一、复合土钉墙的类型,与单纯土钉墙相比，对土层的适用性更广、更强，几乎可适用于各种土层，如杂填土、新近填土、砂砾土、软土等。,整体稳定性、抗隆起及抗渗流等各种稳定性大大提高，基坑风险相应降低。,增加了支护深
13、度，能够有效地控制基坑水平位移等变形。,与桩锚、桩撑等传统支护手段相比，保持了土钉墙造价低、工期快、施工方便、机械设备简单等优点。,灵活组合运用多种支护结构，克服土钉墙的缺陷和弱点,保留自身优点,取长,补短,二、复合土钉墙的特点,使用中的下西园超高边坡,复合土钉墙必须进行整体稳定性验算，验算可考虑截水帷幕、微型桩、预应力锚杆等构件的作用，根据复合土钉墙基坑支护技术规范（GB50739）规定，可采用简化圆弧滑移面条分法进行验算。最危险滑裂面应通过试算搜索求得。验算时应考虑开挖过程中各工况，验算公式宜采用分项系数极限状态表达法。,三、复合土钉墙稳定性验算,整体稳定安全系数计算,复合土钉墙稳定性分析
14、计算,注意 整体稳定性安全系数；对应于基坑安全等级一、二、三级分别取1.4、1.3、1.2；开挖过程中最不利工况下可乘以0.9的系数; 整体稳定性分项抗力系数，分别为土、土钉、预应力锚杆、截水帷幕及微型桩产生的抗滑力矩与土体下滑力矩比； 。,复合土钉墙基坑坑底抗隆起稳定性验算,为坑底抗隆起稳定安全系数，对应于基坑安全等级二、三级时分别取1.4、1.2。,坑底抗隆起验算时的地基承载力系数计算,复合土钉墙基坑抗渗流稳定性验算,复合土钉墙基坑抗突涌稳定性验算,当抗突涌稳定性验算不满足时，宜采取降低承压水等措施。,土钉墙应按每层土钉及混凝土面层分层设置、分层开挖基坑的顺序施工。当有地下水时，对易产生流
15、砂或塌孔砂土、粉土、碎石土等土层，应通过试验确定土钉施工工艺和措施。（1）钢筋土钉成孔要求； （2）钢筋土钉杆体的制作安装要求；（3）钢筋土钉注浆时相关规定；（4）打入式钢管土钉施工时相关规定；（5）单纯土钉墙喷射混凝土面层施工相关规定；（6）单纯土钉墙的施工偏差要求。,一、单纯土钉墙各部分的施工规范与要求,施工工艺流程1）按设计要求开挖工作面，修正边坡。2）喷射第一层混凝土。3）安设土钉（钻孔、插筋、注浆、垫板等）。4）绑扎钢筋网，留搭接钢筋，喷射第二层混凝土。5）开挖第二层土，按此循环，直至坑底标高。设置坡顶及坡底排水装置。,支护施工1）开挖，修坡。2）喷射第一层混凝土。3）土钉施工。,（
16、1）复合土钉墙施工应按以下流程进行：1）施作截水帷幕和微型桩。2）截水帷幕、微型桩强度满足后，开挖工作面，修整土壁。3）施作土钉、预应力锚杆并养护。4）铺设、固定钢筋网。5）喷射混凝土面层并养护。6）施作围檩，张拉和锁定预应力锚杆。7）进入下一层施工，重复第2款第6款步骤直至完成。（2）复合土钉墙截水帷幕的施工相关规定；（3）复合土钉墙微型桩施工相关规定；（4）复合土钉墙土钉施工相关规定；（5）复合土钉墙预应力锚杆的施工相关规定；（6）复合土钉墙混凝土面层施工相关规定。,二、复合土钉墙各部分的施工规范与要求,1）钻孔设备。2）混凝土喷射机。3）注浆泵。,三、土钉墙施工机械,一、工程概况,占地面
17、积约6800 平方米共两座高22层的塔楼基坑最大开挖深度约为10.5m基坑周边总长为272m开挖边坡垂直面积为2500平方米,城市主干道,距离基坑不到1m,距基坑边8m,正在施工,距离基坑3m6m,周边环境,二、工程地质条件,根据场地地质勘察报告，场地内岩土层按成因分为：人工填土、第四纪坡残积层、第四纪残积层和震旦纪混合岩、混合花岗岩。从支护设计角度考虑，场地的岩土层情况可简化为：第一层为填土，第二层为砂砾黏土和砂质黏土，由于这两种土的力学计算指标相当近似，故将这两种土简化成一种土。,注,三、设计计算,具体方案为：基坑东侧、北侧采用土钉墙和预应力锚杆联合支护，西侧为土钉墙支护，南侧采用人工挖孔
18、护坡桩（因紧邻中兴大厦地下室、土钉不能施工）。由于开挖部分的土质较好，富水性贫乏，故不采取专门的降水措施，仅在坡面预留一些泄水孔。,支护方案选择,设计参数,土钉长度7m9m，横向间距1.5m，土钉钢筋采用 25螺纹钢筋，成孔直径为100mm；为了减少边坡位移，第三排设置了预应力锚杆，横向间距3.0 m，与9 m长土钉间隔布置，锚杆长20m，其中自由段长5m，设计抗拔力200kN；喷射混凝土厚100 mm，设计强度等级为C20，钢筋网采用 8250mm。,三、设计计算,安全系数计算结果,基坑剖面（b）主要计算结果：（1）整体稳定最小安全系数Kpmin=1.42；（2）单根土钉抗拔力最小安全系数K
19、B=1.53；（3）土钉整体抗拔力安全系数KF=3.24；（4）外部稳定抗滑安全系数Kh=7.83。,基坑剖面（b）主要计算结果：（1）整体稳定最小安全系数Kpmin=1.58；（2）单根土钉抗拔力最小安全系数KB=1.5；（3）土钉整体抗拔力安全系数KF=3.57；（4）外部稳定抗滑安全系数Kh=4.68。,四、施工方法,土钉墙施工与基坑开挖交替进行，即基坑开挖到一定深度后，再进行土钉施作，然后进行下一层开挖。东、北两侧挖土分四层进行，第一层开挖深度为4.0 m，以后每层开挖深度约为2.0 m。西侧开挖分四层进行，每层开挖深度依次为：2.5 m、2.0 m、1.5 m、1.0 m。土钉采用洛
20、阳铲和100型地质钻机成孔，成孔直径为100mm。插入钢筋后，用注浆泵灌注纯水泥浆，水灰比为0.45。根据土钉现场拉拔试验揭示，土钉灌浆密实，抗拔力不小于21 kN/m。喷射混凝土配合比为：水泥：砂：石子=1:2:2。基坑开挖一层后，即喷射4 cm厚混凝土，完成土钉施作后，铺设钢筋网，喷射混凝土至设计厚度，或视具体情况，一次喷射混凝土至设计厚度。东、北侧开挖至8.0 m后，对预应力锚杆进行张拉，张拉锁定荷载为120 kN后，再开挖基坑至设计标高。基坑土钉支护面积共约2500 m2。,五、质量检验与监测,本工程试验土钉长9 m，与水平面倾角为100，土钉位于地面以下3.2 m，杆体为 25螺纹钢
21、筋，成孔直径为100mm，灌注水灰比为0.5的纯水泥浆；土钉设置的地层为砂质黏性土，其力学指标为 =20 kN/m3；c=30 kPa； =240,由上表可知，土钉的平均抗拔力为223 kN，折合每延米为24.8kN，土钉与土体的平均摩阻力为78 kN，且土钉在拉动破坏前，其位移仅为12.3 mm，说明土钉与土体具有良好的协同作用。,土钉抗拔力试验结果,土钉抗拔力原位测试,土钉受力状态监测,监测土钉位置和土层情况如右图,由右下图监测数据可知：土钉沿长度方向受力是不均匀的，大致为中间部分大，两端小，且靠近潜在滑裂面处土钉力最大随着基坑开挖加深、土钉力峰值逐渐向远离坡面处转移。土钉受力较小实测较小
22、的土钉拉力值与土钉钢筋抗拉强度相比，具有较大的安全储备,土钉墙变形监测,土钉墙变形监测采用经纬仪测墙顶水平位移，在基坑南侧和北侧埋设测斜管，使用测斜仪监测土钉墙整体水平位移。监测结果显示，土钉墙最大位移为10mm，部分位移量不大于2mm，基坑处于安全状态。,五、质量检验与监测,基坑开挖至设计标高，坡顶位移仅为10mm，周围居民和道路无任何开裂、下沉迹象，支护系统处于良好的工作状态。特别是基坑暴露期间，曾遭受特大暴雨和台风的袭击，基坑安全稳定，受到东莞市土木建筑界的好评。与其他支挡方案相比，节省工程造价200300万元，并缩短工期两个月，取得显著的技术经济效益。,1 .简述放坡及土钉墙的适用条件。2 . 简述土钉与锚杆的区别以及各自的适用条件。3 .土钉墙稳定性分析的主要方法有哪些？4 .土钉墙的作用机理是什么，进行土钉墙设计时，应进行什么验算？5 .复合土钉墙的类型及特点是什么？6 . 复合土钉墙的稳定性分析包括哪些？7 . 单纯土钉墙与复合土钉墙的区别是什么？8 .某二级基坑深7.5m，采用土钉墙支护，土钉墙坡脚85，土钉与水平面夹角15，土钉竖向和水平面间距均为1.5m，土钉成孔直径d=0.1m，长度L=9.0m，地面无超载，基坑边坡土体=19kN/m3，=22，c=10kPa，试计算各道土钉的抗拔力是多少？,谢谢！,
