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1、放坡与土钉墙支护技术土木工程学院 杨安全,4.1 概述概念土钉墙是由天然土体通过土钉墙就地加固并与喷射砼面板相结合，形成一个类似重力挡墙以此来抵抗墙后的土压力；从而保持开挖面的稳定，这个土挡墙称为土钉墙。土钉墙是通过钻孔、插筋、注浆来设置的，一般称砂浆锚杆，也可以直接打入角钢、粗钢筋形成土钉。土钉墙的做法与矿山加固坑道用的喷锚网加固岩体的做法类似，故也称为喷锚网加固边坡或喷锚网挡墙，(建筑基坑与护坡技术规程JGJ12099)正式定名为土钉墙。,土钉墙是通过钻孔、插筋、注浆锚杆来设置的，也可以直接打入角钢、粗钢筋、钢管形成土钉。,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
2、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1416m,适用范围,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
3、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。,土钉的发展 70年代初，德国、法国和美国就各自开始了土钉支护的研究与应用，但土钉诞生的原因并不相同。在德国是基于土层锚杆和加筋土挡墙发展起来的，在法国却是基于新奥法的原理发展起来的，新奥法在60年代主要用于岩石隧道的支护，70年代初被成功的用于土质隧道和土质边坡的支护。美国最早的土钉墙用于1974年匹茨堡PPG工业总部的深基坑支护。目前该技术在法国、德国、英国、美国和日本得到广泛应用。我国应用土钉支护的首例工程可能是1980年山西柳湾煤矿的边坡工程。最近
4、十多年来，冶金建筑研究总院、北京工业大学、清华大学、总参工程兵三所等单位在土钉支护的研究开发中做了不少工作。目前，这一新技术已经在北京、深圳、广州、武汉等全国各地得到了广泛应用。,土钉墙支护与锚杆的联合支护,4.2 放坡设计与施工,岩质边坡一般按照软弱夹层或结构面计算稳定性。土质边坡按照条分法计算。均质简单边坡，高度在10m范围内可直接查图，计算极限高度。,4.3 土钉墙的工程特性,结土，也不适用于服务年限大于两年的永久支护工程,4.3 土钉墙的应用,基础托换,又称地下托换(Under pinning)，狭义上讲是为了增加现有建筑基础的支持承载能力，在现有基础的下部增加新的永久性支撑物或基。广
5、义上讲是当紧挨着或者是在现有基础建筑物的正下方开挖土方时，为了消除对现有基础建筑物功能与结构等可能带来的影响，对现有基础建筑物进行加固补强、对建筑物的持力层地基进行改良、新基础设置及新旧基础替换等工程。因此在荷载的转移过程中必然存在托梁(或桁架，以下同)拆柱(或墙，或桩以下同)、托梁接柱和托梁换柱等技术过程。,托换技术通常应用于以下两种情况(1)在现有建筑物基础的正下方或近接处修建新建筑物的情况下，防止现有建筑物下沉、倾斜，这是遇到最多的一种情况。(2)由于地震以及地面沉降等原因，造成现有建筑物的下沉及倾斜，对现有基础建筑物进行纠偏复位。由于新设建筑物是在现有建筑物的下面或在近接处，通常情况下
6、，施工场地狭小、施工空间受到极大的限制，在工程质量及承载能力方面容易产生缺陷。随着以城市地铁为主体的地下公共交通设施的建设的大力发展，地下设施越来越拥挤，地下空间的利用不断立体化，城市建设呈现出地上地下表层浅层深度地下大深度地下的发展趋势，因此托换技术在现代城市土木施工中占有越来越重要的位置。,常用的托换技术将拟托换的基础上的荷载传递到桩（或沉井）上。设置桩的方法有：千斤顶压入法、打入法及钻孔灌注法等。桩可能是粗直径的，定向排列的群桩，也可能是细直径的、不定向排列的树根桩。从原结构物基底向下挖坑达到合适的地基持力层，然后用混凝土填充形成墩，使荷载传给墩；或者将基础扩大，以减小基底压力。这些方法
7、适用于地下水位以上的基础。托换基础施工要严格控制质量，保证原有基础与托换部分连接，使荷载能有效传递。同时，施工需分段进行，以避免原有建筑结构的应力变化过大，使安全得到确实保证。有时将基础托换与地基处理措施（如化学灌浆）结合进行，可以得到较好的效果。,4.3.2 土钉墙的特点,（1）土钉与土体共同形成了一个复合体，土体是支护结构不可分割的部分。从而合理的利用了土体的自承能力。（2）结构轻柔，有良好的延性和抗震性。1989年美国加州7.1级地震中，震区内有8个土钉墙结构，其中有三个位于震中33km范围内，估计至少遭到了约0.4g的水平地震加速度作用，均未出现任何损害迹象。,（3）施工设备简单。土钉
8、的制作与成孔、喷射混凝土面层都不需要复杂的技术和大型机具。（4）施工占用场地少。需要堆放的材料设备少。,（5）容易实现动态设计和信息化施工。根据现场位移或变形监测反馈的信息，很容易调整土钉的长度和间距，也容易调整面层的厚度。既可以避免浪费，又能够防止出现工程事故。（6）工程造价低，经济效益好，国内外资料表明，土钉支护的工程造价能够比其它支护低1/2 1/3。,（7）对周围环境的干扰小。没有打桩或钻孔机械的轰隆声，也没有地连墙施工时污浊的泥浆。（8）土钉支护是边开挖边支护，流水作业，不占独立工期，施工快捷。（9）防腐性能好。,4.3.4土钉墙使用的一般规定,4.3.5 土钉墙与加筋土墙的比较,4
9、.3.6土钉墙与锚杆的比较,4.4 土钉墙的作用机理与工作性能,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
10、失稳形式为突发性滑塌。,4.4.1 土钉墙的作用机理,总的说来，土钉在复合土体中有以下几种作用机理：(1)箍束骨架作用该作用是由土钉本身的刚度和强度，以及它在土体内分布的空间所决定的。它在复合体中起骨架作用，使复合土体构成一个整体，从而约束土体的变形和破坏。,(2)分担作用在复合体内，土钉与土体共同承担外荷载和自重应力，土钉起着分担作用。由于土钉有很高的抗拉、抗剪强度和土体无法相比的抗弯刚度，所以在土体进入塑性状态后，应力逐渐向土钉转移。当土体发生开裂后，土钉的分担作用更为突出，这时土钉内出现了弯剪、拉剪等复合应力，从而导致土钉中的浆体碎裂、钢筋屈服。土钉墙之所以能够延迟塑性变形，并表现出渐进
11、性开裂，与土钉的分担作用是密切相关的。,(3)应力传递与扩散作用北京工业大学的研究表明：当荷载增加到一定程度，边坡表面和内部裂缝已经发展到一定宽度，坡脚应力达最大。此时，下部土钉位于滑裂区域以外土体中的部分仍然能够提供较大的抗力。土钉通过它的应力传递作用可将滑裂区域内的应力传递到后面稳定的土体中，分布在较大范围的土体内，降低应力集中程度。(4)对坡面变形的约束作用在坡面上设置的与土钉连在一起的钢筋网喷射混凝土面板是发挥土钉有效作用的重要组成部分。喷射混凝土面板对坡面变形起到约束作用，面板的约束力取决于土钉表面与土之间的摩阻力，当复合土体开裂面区域扩大并连成片时，摩阻力主要来自开裂区域后的稳定复
12、合土体。,4.4.2 土钉墙的工作性能,国内外大型模拟试验结果及许多实际工程测试结果表明土钉墙具有以下几点工作性能：（1）土钉墙的变形一般是微小的，但比锚杆挡墙的水平位移要大一些。最大水平位移发生于墙体顶部，越往下越小。最大水平位移与开挖深度之比一般在1 3。这种位移值不会影响工程的适用性和长期稳定性，它对整个土钉墙来说，不应当是控制设计的主要因素。墙体内的水平位移随离开墙面的距离增加而减小。,（2）土钉只有在土体产生微小变位后才能受力，开始开挖时，土钉上的最大拉力位于喷射混凝土面板附近，随着开挖深度的增加，最大拉力的位置将从面层附近逐渐向深部土体中转移，因此，越靠基坑底部的土钉，其最大受力点
13、距离面板就越近。同一土钉内的内力分布一般呈现中间大，两端小的规律，在破裂面临近处达到最大。,（3）土钉墙上的土压力以及不同土钉上的最大拉力沿基坑深度的分布都是中间大、上下小，接近梯形而不是三角形。,(4)采用密集土钉加固的土钉墙的性能类似于重力式挡墙，破坏时明显地带有平移和转动的性质，故设计时除了要验算土钉墙的内部稳定性（局部滑动破坏），以保证土钉有足够的锚固长度、直径及合理间距外，还必需验算外部整体稳定性，即验算土钉墙体的抗滑与抗倾覆安全性。,（5）根据大比例足尺试验结果看，在土钉墙整体破坏之前，并未发现喷射混凝土面板和锚头产生破坏现象，在实际工程中也未见任何锚头破坏现象。所以，在设计中，对
14、面板和锚头不要进行单独设计，只要满足结构上的构造要求即可。,4.5 土钉墙设计计算,4.5.1 确定土钉墙结构尺寸在初步设计时，应先根据基坑环境条件和工程地质资料，确定土钉墙的适用性，然后确定土钉墙的结构尺寸，土钉墙高度由工程开挖深度决定，开挖面坡度可取600 900，在条件许可时，尽可能降低坡面坡度。土钉墙均是分层分段施工，每层开挖的最大高度取决于该土体可以自然站立而不破坏的能力。在砂性土中，每层开挖高度一般为0.5 2.0m，在粘性土中可以增大一些。开挖高度一般与土钉竖向间距相同，常用1.0 1.5m；每层单次开挖的纵向长度，取决于土体维持稳定的最长时间和施工流程的相互衔接，一般多用10m
15、长。,土钉支护参数主要包括土钉长度、间距、布置、孔径和钢筋直径等。（1）土钉长度在实际工程中，土钉长度L常采用坡面垂直高度 H 的60%70%。土钉一般下斜，与水平面的夹角宜为50 200。Bruce和Jewell(1987)通过对十几项土钉工程的分析表明：对钻孔注浆型土钉，用于粒状土陡坡加固时，L/H一般为0.5 0.8；对打入型土钉，用于加固粒状土陡坡时，其长度比一般为0.5 0.6。99规程要求L/H一般为0.5 1.2。其实，只有在饱和软土中才会取L/H大于1。,4.5.2 土钉支护参数,（2）土钉直径及间距土钉直径D 一般由施工方法确定。打入的钢筋土钉一般为16 32mm，常是25m
16、m，打入钢管一般是50mm；人工成孔时，孔径一般为70 120mm，机械成孔时，孔径一般为100 150mm。土钉间距包括水平间距(列距)Sx和垂直间距(行距)Sy，其数值对土钉的整体作用效果有重要影响，大小宜为12m。对钻孔注浆土钉，可按6 12倍土钉直径D 选定土钉行距和列距，且宜满足：SxSy=KD L 式中：K 注浆工艺系数，一次压力注浆，K=1.5 2.5；D、L 土钉直径和长度，m；Sx、Sy 土钉水平间距和垂直间距，m。,4.5.3 土钉墙内部稳定性分析,冶建总院方法 力矩极限平衡法（1）基本假定 破裂面为圆弧形，破坏是由圆形破裂面确定的准刚性 区整体滑动产生的；破坏时，土钉的最
17、大拉力和剪力都在破裂面处；沿着破裂面的土体抗剪强度能够全部发挥，并且符合库仑公式；假定小土条两边的水平作用力大小相等、方向相反、且作用于一条直线上；（与瑞典条分法假设相同）土体强度参数取加权平均值。,（2）土钉受力简化 土钉墙中的土钉受力状态非常复杂，一般同时有拉应力、剪应力和弯矩。要合理地确定土钉中所产生的拉力、剪力和弯矩的大小往往是比较困难的。力矩极限平衡法在土钉墙稳定性分析计算中仅考虑土钉的抗拉作用，并将土钉与土体界面摩阻力简化成沿土钉全长均匀分布（实际土钉界面摩阻力的分布是非均匀的，一般在破裂面处最大，往两边逐渐减小）。这是因为同激发侧向力相比，激发土钉的抗拉能力所要求的土体变形量要小
18、得多(Juran 1985)，而且只考虑土钉的抗拉作用能使得分析计算大大简化。大量足尺试验认为，土钉剪力的作用是次要的，仅考虑抗拉作用的设计虽有点保守，却是很方便的设计方法(Gassler 1980)。土钉相对弯曲刚度对土钉墙安全系数的提高大约为0%15%之间(Glasgow 1980)。,土钉的抗拉能力Tx可以按照如下几种情况计算：由土钉与破裂面交点之外的土钉与土体间的摩擦力决定，即：Tx1=D LB f（4-3）式中：LB 土钉伸入破裂面外约束区的长度（m）;f 土钉与土体间的抗剪强度（kN/m2），一般应由试验资料确定。,由土钉中的钢筋强度fy决定，即 Tx2=fy As(4-4)式中：
19、As 钢筋截面积（m2）；由土钉与破裂面相交点之外的钢筋与砂浆间的粘结强度g决定，即：Tx3=d(L-LB)g(4-5)式中：d 钢筋直径（m）；g 钢筋与砂浆界面的粘结强度标准值（kN/m2）（当无试验资料时，可用注浆体的抗剪强度代替）。在实际计算中，取（4-3）（4-5）式计算结果中的最小值作为土钉的抗拉能力标准值。一般情况下，土钉破坏均是土钉与土体界面的破坏，即土钉是被拔出的，因此，土钉的抗拉能力标准值通常由式（4-3）决定。,4.5.4 土钉墙整体稳定安全系数计算,整体安全系数计算是改进的稳定性分析条分法。对于施工时不同开挖高度和使用时不同位置，沿破裂面滑动的安全系数等于滑裂面上抗滑力
20、矩与下滑力矩之比(对应于各自的圆心)。一般情况下整体安全系数应大于1.2。,当不考虑土钉作用时，其安全系数Ksi为：(4-6)当考虑土钉作用时，其安全系数Kpi为：(4-7)式中：Li 土条滑动面弧长，m；Txj 某位置土钉的抗拉拔能力标准值，kN；S 计算单元的宽度（一般取S=Sx），m；i 滑动面某处切线与水平面之间的夹角（0）；i 某土钉与水平面之间的夹角（0）。,4.5.5 土钉墙外部稳定性分析,4.5.6 土钉墙变形分析,用极限平衡分析法无法了解变形信息，土钉墙的变形可以用有限元分析方法作出估计，但单纯的有限元计算不一定能得出可信的定量数据；所以，目前对土钉墙变形性能的认识主要来自对
21、监测资料的分析。,Elias和Juran综合工程实测和室内实验，提出了以下几点看法：（1）土钉墙变形引起的地表角变形和位移随L/H增加而减少；（2）粗颗粒土中离开面层水平距离（11.25）H 时，地表角变形(局部倾斜)已不会对周围地表建(构)筑造成影响；（3）顶部最大水平位移与竖向沉降的比值随L/H减少而增加，其最大值为1.0。对于常用的L/H=0.61.0情况，可取为1.00.75。这与一般的内撑式支护相近；,（4）增大土钉倾角，会增加地表变形与支护位移；（5）水平位移过大将导致支护结构的破坏，最大水平位移一般不能大于5H。,Schlosser指出，在土钉墙面层顶部，最大水平位移 h与竖向位
22、移v大体相等。最大水平位移H与墙高H的比值据法国观测资料为13，德国为2.53。地表的水平位移和竖向位移在离开墙面为处接近于零，=k(1-tan)H其中为支护层面与铅垂线的夹角，直立开挖时=0;k为系数，对风化岩层，砂性土和粘性土分别为0.8、1.25和1.5。但是根据有些测斜仪的实测数据来看，上式给出的值可能偏小。,看来对一般非饱和土中的土钉墙支护，如发现h/H大于34就应视为有趋向失常的可能，需密切监视。现在还没有软土中土钉支护的数据，据软土中内撑式支护的量测资料，软土中变形值要比非饱和土中大得多。可以根据传统支护变形的经验来估计土钉墙支护对邻近建筑物的影响，当地表的角变形分别超过1和1.
23、3时，可能导致砖砌承重结构和钢筋混凝土框架结构中的建筑损害（如抹灰层开裂）。角变形如超过7，砖砌承重结构本身就会遭到严重损害。我国在基坑支护设计中，一般要求对土钉墙支护结构的水平位移和沉降进行监测，据一些工程的统计，位移数据一般在550mm之间。,5.1.1 土钉墙应按下列规定对基坑开挖的各工况进行整体滑动稳定性验算：1 整体滑动稳定性可采用圆弧滑动条分法进行验算；2 采用圆弧滑动条分法时，其整体稳定性应符合下列规定(图5.1.1)：,4.6 土钉墙施工方法,施工流程及工艺,土钉墙施工主要包括以下几个方面：4.6.1.作业面开挖基坑开挖应分步进行，分步开挖深度主要取决于暴露坡面的“直立”能力。
24、另外，当要求变形很小时，可视工地情况和经济效益将分步开挖的深度降至最低。在粒状土中开挖深度一般为0.52.0m；对粘性土中每层开挖深度可按下式计算：对超固结粘性土开挖深度可加大。,考虑到土钉施工设备，分步开挖宽度至少要6m，开挖长度则取决于交叉施工期间能保持坡面稳定的坡面面积。当要求变形过于严格时，可分段开挖施工，各段长度一般为10m。使用的开挖施工设备必须能挖出光滑规则的斜坡面，最大限度地减小对支护土层的扰动。任何松动部分在坡面支护前必须予以清除，对松散的或干燥的无粘性土，尤其是当坡面受到外来振动时，要先进行灌浆处理，当采用挖土机挖土时，应辅以人工整修。,边坡开挖：采用反铲挖土机，预留203
25、0cm 人工修坡，开挖深度在土钉孔位下50cm，开挖宽度保证10m 以上，以确保土钉成孔机械钻机的工作面。土方开挖严格按设计规定的分层开挖深度按作业顺序施工，在完成上层作业面的土钉及喷混凝土地以前，不得进行下一层土方的开挖。,边坡修整：采用人工清理，为确保喷射混凝土面层的平整，此工序必须挂线定位。对于土层含水量较大的边坡，可在支护面层背部插入长度为400600mm，直径不小于40mm 的水平排水管包滤网，其外端伸出支护面层，间距为2m，以便将喷混凝土面层后的积水排走。,4.6.2.制作面层一般情况下，为了防止土体松弛和崩解，必须尽快做第一层面层。根据地层的性质，可以在安设土钉之前做，也可在放置
26、土钉之后做。对临时工程，面层一般做一层，厚度为50150mm；而对永久性工程则多用两层或三层，厚度为100300mm。两次喷射作业应留一定的时间间隔。根据工程规模、材料和设备的性能，可进行“湿式”或“干式”喷射混凝土。通常规定最大粒径1015mm，并掺入适量外加剂以利加速固结。少数情况下还可降低固态混凝土的塑性。喷射混凝土的强度等级不应当低于C15，混凝土中的水泥含量不宜低于400kg/m3，速凝喷射混凝土8h无侧限抗压强度应达5Mpa，最好在养护24h后再投入工作。当不允许产生裂缝时进行适当的养护尤为重要。,喷射混凝土通常在每步开挖的底部预留300mm暂不喷射，并做成450的斜面形状，这样会
27、有利于下步开挖后安装钢筋网，和下部450倒角的喷射混凝土层浇接。一般在面层和土钉交接处加一块150mm150mm10mm或200mm200mm12mm的承压板，承压板后放置48根加强钢筋。在喷射混凝土中，应配置一定数量的钢筋网，钢筋网能对面层起加强作用，并对调整面层应力有重要意义。钢筋网间距通常为200mm300mm，钢筋直径为6mm10mm，在喷射混凝土面层中配置12层。有时，用粗钢筋将各土钉相互连接起来，这样面层的整体作用就能够得到进一步加强。,喷射混凝土：喷射混凝土顺序可根据地层情况“先锚后喷”，土质条件不好时采取“先喷后锚”，喷射作业时，空压机风量不宜小于9m3/min，气压0.20.
28、5MPa，喷头水压不应小于0.15MPa，喷射距离控制在0.61.0m，通过外加速凝剂控制混凝土初凝和终凝时间在510min，喷射厚度大于等于100mm。养护：根据八月份的气温，采取洒水养护，每天需三次，持续三天。,4.6.3 降水、排水土钉支护的基坑开挖排水系统一般包括：（1）施工时应提前沿坡顶挖设排水沟，并在坡顶一定范围内用混凝土或砂浆护面以排除地表水。（2）浅部排水：一般使用300mm500mm长的带孔塑料管，上斜50或100，将坡后水迅速排除。这些管子的间距依地下水条件而定。（3）深部排水：用开缝管做排水管，长度通常比土钉长，管径50mm，上斜50或100。其间距取决于土体和地下水条件
29、，一般坡面3m2布置一个就足够了。（4）在坡底设置排水钩和集水井，将排入集水坑的水及时抽出。沟底应比开挖面低30cm，宽度一般不小于30cm，坡度不小于3/1000；集水井井底应比开挖面低70100cm，直径或宽度6080cm。,4.6.4.土钉施工,定位放线：按设计图纸由测量人员用8、长30cm 的钢筋放出每一个土钉的位置。成孔：采用机械螺旋钻机成孔，局部可采用人工洛阳铲成孔。钻孔后进行清孔检查，对孔中出现的局部渗水塌孔或掉落松土立即进行压浆处理，并及时安设土钉钢筋并注浆。,土钉主筋制作及安放：主筋按设计长度加20cm 下料，外端设成90角，长20 cm 的弯勾，主筋每隔2m 焊对中支架，防止主筋偏离土钉中心；安放主筋时，将注浆管与主筋捆绑在一起，注浆管离孔底0.5m 左右。,造浆及注浆：采用搅拌机造浆，应严格控制水灰比为W/C=0.5；注浆采用注浆泵，注浆时，将导管缓慢均匀拔出，但出浆口应始终处于孔中浆体表面之下，保证孔中气体能全部排出。,挂网及锚头安装：钢筋网片用插入土中的钢筋固定，与坡面间隙34cm，不应小于3cm，搭接时上下左右一根对一根搭接绑扎，搭接长度应大于30cm，并不少于两点点焊。钢筋网片借助于井字架与土钉外端的弯勾焊接成一个整体。,4.7 土钉墙质量检验与监测,监测项目和要求,本 章 结 束,
