第四章放坡与土钉墙支护技术教材

1、4.1 概述概述 土钉支护亦称锚喷支护，就是逐层开挖基坑，逐层布置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、，它的设置有打

2、入法，旋入法，以及先钻孔、后置入、再灌浆三种方法。再灌浆三种方法。 u概念概念4.2 放坡设计与施工放坡设计与施工4.3 土钉墙的工程特性土钉墙的工程特性4.3 土钉墙的应用土钉墙的应用4.3.2 土钉墙的特点土钉墙的特点（1 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）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。分割的部分。从而合理的利用了土体的自承能力。（2 2）结构轻柔，有良好的延性和抗震性。）结构轻柔，有良好的延性和抗震性。1989年美国加州年美国加州7.1级级地震中，震区内有地震中，震区内有8个土钉墙结构，其中有三个位于震

3、中个土钉墙结构，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，均未的水平地震加速度作用，均未出现任何损害迹象。出现任何损害迹象。（3）施工设备简单。土钉的制作与成孔、喷射混凝土面层都不）施工设备简单。土钉的制作与成孔、喷射混凝土面层都不需要复杂的技术和大型机具。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。）施工占用场地少。需要堆放的材料设备少。（5 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）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，也容易调整面测

4、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。层的厚度。既可以避免浪费，又能够防止出现工程事故。（6 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工程造价能够比其它支护低1/2 1/31/2 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）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。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）土钉支护是边开挖边支护，流水作业，不

5、占独立工期，施工快捷。工快捷。（9）防腐性能好。）防腐性能好。4.3.4土钉墙使用的一般规定土钉墙使用的一般规定4.3.5 土钉墙与加筋土墙的比较土钉墙与加筋土墙的比较4.3.6土钉墙与锚杆的比较土钉墙与锚杆的比较4.4 土钉墙的作用机理与工作性能土钉墙的作用机理与工作性能4.4.1 土钉墙的作用机理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：总的说来，土钉在复合土体中有以下几种作用机理：(1)(1)箍束骨架作用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

6、构成一个间所决定的。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。整体，从而约束土体的变形和破坏。(2)(2)分担作用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

7、、拉剪等复合应力，从而导致土钉中的浆体碎钉内出现了弯剪、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，并表现出渐进性开裂，与土钉的分担作用是密切相关的。进性开裂，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

8、。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。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

9、，当约束作用，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合土体。后的稳定复合土体。4.4.2 土钉墙的工作性能土钉墙的工作性能n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：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）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大

10、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。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。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）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，最大拉力的位置大拉力位于喷射混凝土面板附近，随着开挖深度的增加，最

11、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，两端大受力点距离面板就越近。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。小的规律，在破裂面临近处达到最大。（3 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）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。中间大、上下小，接近梯形而不是三角形。(4)(4)采用密集土钉加固的土钉墙的采用密集土钉加固的

12、土钉墙的性能类似于重力式挡墙，破坏时明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，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即验算土钉墙体的抗滑与抗倾覆安全性。全性。（5 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）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

13、象，在实际工程中也未见任何锚头破坏现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，对面板和锚头不要进行单独设计，只要满足结构上象。所以，在设计中，对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。的构造要求即可。4.5 土钉墙设计计算土钉墙设计计算4.5.1 确定土钉墙结构尺寸确定土钉墙结构尺寸n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，开挖面坡度可取工程开

14、挖深度决定，开挖面坡度可取600 900，在条件许可时，在条件许可时，尽可能降低坡面坡度。，尽可能降低坡面坡度。n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，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，常用钉竖向间距相同，常用1.0 1.5m；每层单次开挖的纵向长度，；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

15、取决于土体维持稳定的最长时间和施工流程的相互衔接，一般多用多用10m长。长。4.5.2 土钉支护参数土钉支护参数4.5.3 土钉墙内部稳定性分析土钉墙内部稳定性分析4.5.4 土钉墙整体稳定安全系数计算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。 iiiiiiisiWWLcKsintancosSWTTSWSLcKiiiiixjiixjiiiiipisintansincostancos4.5.5 土钉墙外部稳定性分析土钉

16、墙外部稳定性分析4.5.6 土钉墙变形分析土钉墙变形分析 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监测资料的分析。监测资料的分析。Elias和和Juran综合工程实测和室内实验，提出了以下几点看法：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）土钉墙变形引起的地表角变形和

17、位移随L/H增加而减少；增加而减少；（2）粗颗粒土中离开面层水平距离（）粗颗粒土中离开面层水平距离（11.25）H 时，地表角变形时，地表角变形( (局部倾斜局部倾斜) )已不会对周围地表建已不会对周围地表建( (构构) )筑造成影响；筑造成影响；（3）顶部最大水平位移与竖向沉降的比值随）顶部最大水平位移与竖向沉降的比值随L/H减少而增加，其最大值减少而增加，其最大值为为1.0。对于常用的。对于常用的L/H=0.61.0情况，可取为情况，可取为1.00.75。这与一般的内撑式。这与一般的内撑式支护相近；支护相近；（4）增大土钉倾角，会增加地表变形与支护位移；）增大土钉倾角，会增加地表变形与支护

18、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）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能大于5H。 Schlosser指出，在土钉墙面层顶部，最大水平位移指出，在土钉墙面层顶部，最大水平位移 h与竖向位与竖向位移移 v大体相等。最大水平位移大体相等。最大水平位移 H与墙高与墙高H的比值据法国观测资料的比值据法国观测资料为为13，德国为，德国为2.53。地表的水平位移和竖向位移在离。地表的水平位移和竖向位移在离开墙面为开墙面为 处接近于零，处接近于零， = k(1-tan )H其中其中 为支护层面与铅垂线的夹角，直立开挖时为支护层面与铅垂线的夹角，直立开挖时

19、 =0;k为系数，对风化岩层，砂性土和粘性土分别为为系数，对风化岩层，砂性土和粘性土分别为0.8、1.25和和1.5。但。但是根据有些测斜仪的实测数据来看，上式给出的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。值可能偏小。看来对一般非饱和土中的土钉墙支护，如发现看来对一般非饱和土中的土钉墙支护，如发现 h/H大于大于34就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。饱和土中大得多

20、。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响，当地表的角变形分别超过1和和1.3时，可能导致砖砌承重结构时，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）。角变形如超过超过7，砖砌承重结构本身就会遭到严重损害。，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，位移数据一般在沉降进行监

21、测，据一些工程的统计，位移数据一般在550mm之间。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：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；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采用圆弧滑动条分法时，其整体稳定性应符合下列规定(图图5.1.1)：4.6 土钉墙施工方法土钉墙施工方法)2/45tan(20ch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。定位放线：按设计图纸由测量人员用定位放线：按设计图纸由测量人员用 8 8、长、长30cm 30cm 的