地下结构工程PPT课件.ppt

3 7土钉墙支护 土钉墙支护是在基坑开挖过程中将较密排列的细长杆件土钉置于原位土体中 并在坡面喷射钢筋网混凝土面层 通过土钉 土体和喷射混凝土面层的共同工作 形成复合土体 土钉墙支护充分利用土层介质的自承力 形成自稳结构 承担较小的变形压力 土钉承受主要压力 喷射混凝土面层 不属于主要挡土部件 在土体自重作用下主要是稳定开挖面上的局部土体 防止其崩落和受到侵蚀 调节表面应力分布 体现整体作用 同时由于土钉排列较密 通过高压注浆扩散后使土体性能提高 在实际施工中是边开挖边支护 施工快捷简便 经济可靠 得到广泛的应用 1 土钉墙的发展 50年代末期通过土层锚杆的使用使挡土结构有了新发展 在基坑开挖前先建造桩 地下连续墙 板桩等利用土层锚杆对其进行背拉从而形成锚杆式挡墙 10年后出现了锚杆构造墙 它是利用砼构件排列在开挖过程中的土层表面 用锚杆进行背拉 这是一种可以与挖方工程同时进行作业的方式 60年代出现了加筋土墙 一般在填方区如筑路 平整场地填方区域形成的挡土墙 在分层回填土方时分层铺放土工织物并于预制砼面板拉结 形成加筋土挡墙 70年代出现了土钉墙 1972年法国承包商在法国凡尔赛市铁路边坡开挖进行了成功应用 1979年巴黎国际土加固会议之后在西方得到广泛应用 1990年在美国召开的挡土墙国际学术会议上 土钉墙作为一个独立的专题与锚杆挡墙并列 使它成为一个独立的土加固学科分支 2 土钉墙适宜于地下水位以上或经人工降水后的人工填土 粘性土和微胶结砂土的基坑开挖支护 不宜用于含水丰富的粉细砂层 砂卵石层和淤泥质土 不应用于没有临时自稳能力的淤泥 饱和软弱土层 土钉墙基坑支护开挖深度适宜于5 12m 当与有效放坡 护坡桩及预应力锚杆联合支护时 深度还可适当增加 最常用的土钉材料是钢筋 钢管等 土钉材料的置入可分为钻孔置入 打入或射入方式 最常用的是钻孔注浆型土钉 土钉墙适用条件 3 钻孔注浆土钉是先在土中成孔 置入钢筋然后沿全长注浆填孔 打入土钉是用机械 如振动冲击钻 液压锤等 将角钢 钢筋或钢管打入土体 打入土钉不注浆 与土体接触面积小 钉长受限制 所以布置较密 其优点是不需预先钻孔 施工极为快速 射入土钉是用高压气体作动力 将土钉射入土体 射入钉的土钉直径和钉长受一定限制 但施工速度更快 注浆打入钉是将周围带孔 端部密闭的钢管打入土体后 从管内注浆 并透过壁孔将浆体渗到周围土体 4 土钉墙支护的施工顺序 1 开挖有限的深度 2 在开挖面上设置一排土钉 3 喷射混凝土面层 4 继续向下开挖有限深度 并重复上述步骤 直至所需的深度 5 土钉墙支护的应用范围 1 作为土体开挖的临时支护 用于高层建筑 地下结构等深基坑开挖 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 6 图3 32土钉墙应用领域a 托换基础 b 竖井的挡墙 c 斜面的挡土墙d 斜面稳定 e 和锚杆并用的斜面防护 7 土钉墙支护的特点 1 土钉墙支护是通过沿土钉全长与周围土体接触形成复合体 在土体发生变形的条件下 通过土钉与土体接触面上的粘结力或摩擦力 使土钉被动受拉 并通过受拉工作面给土体约束加固 提高整体稳定性和承载能力 增强土体变形的延性 2 土钉墙是原位土中的加筋技术 是在从上至下的开挖过程中将土钉置入土中 形成以土钉和它周围加固了的土体为一体的类似重力式挡土墙结构 3 土钉墙支护是边开挖边支护 流水作业 不占独立工期 施工快捷 4 设备简单 操作方便 施工所需场地小 材料用量和工程量小 经济效果好 5 土体位移小 采用信息化施工 发现墙体变形过大或土质变化 可及时修改 加固或补救 确保施工安全 8 土钉墙支护的特点 缺点和局限性 1 现场需有允许设置土钉的地下空间 如为永久性土钉 更需长期占用这些地下空间 当基坑附近有地下管线或建筑物基础时 则在施工时有相互干扰的可能 2 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方法相结合 尤其在饱和粘性土及软土中设置土钉支护更需特别谨慎 土钉在这些土中的抗拔力低 需要有很长很密的土钉 软土的徐变还可以使支护位移量显著增加 3 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 9 土钉墙支护的工作性能 1 随着往下开挖 支护不断向外位移 在均质土中 支护面的位移沿高度大体呈线性变化 类似绕趾部向外转动 最大水平位移发生在顶部 但在非均质土中或地表为斜坡或受有地表重载时 最大水平位移点的位置可能移向下部 从为数极少的支护破坏现象发现 土钉支护的破坏是一个连续发展的过程 2 土钉置入现场土体中 如果土体不变形 土钉就不会受力 随着向下开挖 地表加载 或土体徐变而发生土体变形 于是通过土体与土钉之间的界面粘结力使土钉参与工作并受拉 量测表明 只要土体发生微小的变形就可使土钉受力 土钉在工作阶段很少受到弯剪作用 只在支护最终沿滑移面破坏失稳时 滑移面附近的土钉则同时受到拉弯剪的联合作用 10 土钉墙支护的工作性能 3 同一深度处土钉的拉力沿长度变化 中间大 两头小 最大拉力部位随着向下开挖从开始时靠近面层的端部逐渐向里转移 一般发生在土体的可能失稳破坏面上 当土钉长度较短时 土体破坏面可能移出上部土钉之外 这些土钉的最大拉力一般发生在钉长的中部 4 不同深度位置上的土钉 其受到的最大拉力有很大差别 顶部和底部的土钉受力较小 靠近中间部位的土钉受力较大 但临近破坏时 底部土钉的拉力显著增大 11 土钉墙支护的工作性能 5 土钉墙后的土压力沿其高度分布呈中间大 上下小 压力的合力值远低于挡土墙理论给出的计算值 这表明土钉墙支护不同于一般的挡土墙 土压力的减小体现了土体与土钉的整体作用效果 6 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 12 土钉墙支护设计 土钉墙支护设计应满足规定的强度 稳定性 变形和耐久性等要求 当土钉墙支护用于城市建筑物密集地区的深基坑开挖时 限制支护变形 保证周围建筑物 构筑物的环境安全尤为重要 设计时必须至始至终与施工及现场监测相结合 通过施工中出现的情况和监测数据 及时反馈修改设计 并指导下一步施工 13 1 设计前查明场地周围已有建筑物 构筑物 埋设物和道路交通 工程范围内土层分布 土性指标及地下水变化等情况 判断土钉墙支护的适用性 2 根据基坑开挖深度 工程地质条件及工程性质选择土钉墙支护形式 确定土钉墙支护的平面 剖面尺寸及分段施工高度 3 根据土钉抗拔试验或土体抗剪强度 并参考类似工程的经验 确定土钉类型 直径 长度 倾角及在空间的方向 4 确定注浆方式及浆体强度指标 进行注浆配方设计 5 设计喷射混凝土面层和支护顶预防措施 1土钉墙支护设计的主要步骤 14 6 进行内部稳定性分析和土钉抗拔力验算 7 进行外部整体稳定性分析 包括土钉墙抗滑稳定性验算 抗倾覆稳定性验算和土钉墙基底承载能力验算 8 进行施工图设计 构造设计 编制施工质量控制要求和现场监测要求 设计时根据 6 7 项的计算分析结果 修改第 2 3 项所选参数 再进行第 6 7 计算 重复上述过程直到取得满意的结果 1土钉墙支护设计的主要步骤 15 1 土钉长度 量测表明 在一般土体中 沿支护高度上下分布的土钉 其在使用状态的最大内力相差很多 一般为中部大 上部和底部小中部土钉起的作用大 但顶部土钉对限制支护最大水平位移甚为重要 而底部土钉对抵抗基底滑动 倾覆或失稳有重要作用 另外当支护临近极限状态时 底部土钉的作用会明显加强 因此将上下土钉取成等长 或顶部土钉稍长 底部土钉稍短是合适的 在城市施工中 一般非饱和土 土钉的长度宜为开挖深度的0 5 1 2倍 而在饱和软土中 由于土体抗剪强度低而且土钉内力因水压力作用增加 比值甚至可以超过2 2土钉墙支护各组成部分尺寸与参数的确定 16 2 土钉密度 为使土钉与周围土体形成一个组合的整体 土钉的间距显然不能过大 在非饱和土中为1 2m 而对软土则可小于1m 一般来说 土钉的间距不宜超过2m 3 土钉倾角土钉垂直方向向下倾角一般在0 20 土钉倾角取决于注浆钻孔工艺与土体分层特点等因素 研究表明 倾角越小 支护变形越小 但注浆质量较难控制 倾角越大 支护的变形越大 但倾角大有利于土钉插入下层较好的土层内 一般土钉倾角不宜超过15 其他构造要求见教材 2土钉墙支护各组成部分尺寸与参数的确定 17 3 7 1土钉受拉承载力计算 见教材 1 受拉承载力 18 2 受拉荷载标准值 19 3 荷载折减系数 4 土钉受拉承载力设计值 20 5 土钉在滑裂面内的长度 21 22 3 7 2土钉墙支护内部稳定性分析 土钉墙支护的内部稳定性分析是指边坡土体中可能出现的破裂面发生在支护内部 并穿过全部或部分土钉 采用圆弧破裂面条分法进行分析 如图3 34所示 在破裂面上作用有土体自重 地表荷载 土钉抗力 23 3 7 2土钉墙支护内部稳定性分析 24 Tnj dnj qsiklnj Tnj 第j根土钉在圆弧滑裂面外锚固体与土体的极限抗拉力 j 第j根土钉与滑裂面交点处的切线与水平面的夹角 25 当地下水位高于基坑底面时 应采取降水或截水措施 土钉墙墙顶应采用砂浆或混凝土护面 坡顶和坡脚应设排水措施 坡面上可根据具体情况设置泄水孔 排水措施 1 排水沟2 防水地面3 喷射混凝土护坡4 喷射混凝土面层 1 孔眼2 面层3 泄水孔 26 27 28 下土钉杆体 29 30 31 32 思考 土钉与土锚的区别 33 土钉与土锚的区别 1 锚杆沿全长分为自由段和锚固段 在挡土结构中 锚杆作为桩 墙等挡土结构的支点 将作用于桩 墙上的侧向压力通过自由段 锚固段传递到深部土体上 除锚固段外 锚杆在自由段上受到同样大小的拉力 但土钉所受的拉力沿其整个长度都是变化的 一般是中间大 两头小 土钉支护结构中的喷射混凝土面层不属于主要挡土部件 在土体自重作用下 它的主要作用只是稳定开挖面上的局部土体 防止其崩落或受到侵蚀 2 土钉支护是以土钉和它周围加固的土体一起作为挡土结构 类似于重力式挡土墙 3 锚杆一般都在设置时预加拉应力 给土体以主动约束 而土钉一般是不加预应力的 土钉只有在土体发生变形后才能使它被动受力 4 锚杆的设置数量通常有限 而土钉则排列紧密 锚杆中也有不加预应力并沿通长注浆与土体粘结的特例 在特定的布置情况下 也就过渡到土钉了 34 例题3 5 某