深基坑支护工程技术(教材,第五章 土钉喷射混凝土支护结构设计计算)

1、 5 51 11 1 土钉支护概念土钉支护概念 土钉土钉( (soil nailing) )支护技术是支护技术是70年代发展起来的一种年代发展起来的一种支护技术。该方法是先以一定倾角成孔，然后将钢筋置入支护技术。该方法是先以一定倾角成孔，然后将钢筋置入孔内，在孔内注浆形成土钉体，随后在坡面挂钢筋网，并孔内，在孔内注浆形成土钉体，随后在坡面挂钢筋网，并与土钉连接，最后在坡面喷射混凝土。土钉体与周围的土与土钉连接，最后在坡面喷射混凝土。土钉体与周围的土体紧密结合，并依靠接触界面上的粘结力或摩擦力，与周体紧密结合，并依靠接触界面上的粘结力或摩擦力，与周围的土体形成复合土体，通过围的土体形成复合土体，

2、通过提高土体的力学强度提高土体的力学强度及土体及土体在变形时土钉提供给土体的抗拔力达到支护目的。在变形时土钉提供给土体的抗拔力达到支护目的。 由于土钉一般是通过钻孔、插筋、注浆来完成的，因此也被国由于土钉一般是通过钻孔、插筋、注浆来完成的，因此也被国内岩土工程界称为内岩土工程界称为砂浆锚杆砂浆锚杆或或锚钉支护锚钉支护，在国外又被称为，在国外又被称为原位加筋原位加筋横向支撑系统横向支撑系统。由于这样的结构类似于加筋土挡土墙，因此常称由。由于这样的结构类似于加筋土挡土墙，因此常称由加固土体、土钉、面层所组成的结构为加固土体、土钉、面层所组成的结构为土钉墙土钉墙，并有人认为土钉支，并有人认为土钉支护

3、原理和重力式挡土墙相同。土钉墙的施工是一种护原理和重力式挡土墙相同。土钉墙的施工是一种由上到下由上到下分步修分步修建的过程，其步骤为：建的过程，其步骤为：开挖上层土体到一定的深度，开挖的深度取决于天然边坡的稳开挖上层土体到一定的深度，开挖的深度取决于天然边坡的稳定性和施工所需的时间；定性和施工所需的时间；在开挖深度范围内的工作面上设置一排土钉并构筑混凝土面层，在开挖深度范围内的工作面上设置一排土钉并构筑混凝土面层，土钉通常采用直径为土钉通常采用直径为2030mm的钢筋，面层厚度一般为的钢筋，面层厚度一般为80250mm；继续向下开挖并重复上述的步骤，直到所需的深度为止。土钉继续向下开挖并重复上

4、述的步骤，直到所需的深度为止。土钉的长度取决于土体参数，一般在的长度取决于土体参数，一般在0.51.0倍基坑深度之间，土钉的倍基坑深度之间，土钉的间距一般在间距一般在0.81.5m之间。之间。 5 51 12 2 土钉支护的特点土钉支护的特点 土钉支护与传统的支护方法相比，具有工期短、造价低、施工土钉支护与传统的支护方法相比，具有工期短、造价低、施工简便、应用广泛等优点。尤其在因场地所限，无法使用大型、重型简便、应用广泛等优点。尤其在因场地所限，无法使用大型、重型施工机具时，土钉技术更能显示出其独特的优越性。由于土钉支护施工机具时，土钉技术更能显示出其独特的优越性。由于土钉支护在工艺上采用了在

5、工艺上采用了边开挖边支护边开挖边支护的施工方法，因此不占用单独作业时的施工方法，因此不占用单独作业时间，缩短了工期。再者，土钉支护将土体作为支护结构的一部分，间，缩短了工期。再者，土钉支护将土体作为支护结构的一部分，整个工程包括的开挖量和混凝土工程的施工量少，全部材料的用量整个工程包括的开挖量和混凝土工程的施工量少，全部材料的用量较桩支护和地下连续墙支护少得多，因此土钉支护的造价可较常规较桩支护和地下连续墙支护少得多，因此土钉支护的造价可较常规方法节约方法节约10%30%。土钉的制造和成孔不需要太复杂的技术和大。土钉的制造和成孔不需要太复杂的技术和大型的机械设施，施工方法灵活，对环境干扰小，特

6、别适合于人口密型的机械设施，施工方法灵活，对环境干扰小，特别适合于人口密集的生活住宅区。土钉支护一般适用于地下水位以上或经过降排水集的生活住宅区。土钉支护一般适用于地下水位以上或经过降排水措施后的杂填土、普通粘性土、非松散砂土边坡。此外，对于软土措施后的杂填土、普通粘性土、非松散砂土边坡。此外，对于软土基坑支护，在我国武汉、广州等地都有过成功的应用。基坑支护，在我国武汉、广州等地都有过成功的应用。 综上所述，土钉支护技术具有许多传统基坑围护技术无法比拟综上所述，土钉支护技术具有许多传统基坑围护技术无法比拟的优点，但也存在着一些缺点。土钉支护的第一步是土体开挖，一的优点，但也存在着一些缺点。土钉

7、支护的第一步是土体开挖，一般要求深般要求深1 12m2m，开挖面在钻孔、放置钢筋、注浆、挂网、喷射面，开挖面在钻孔、放置钢筋、注浆、挂网、喷射面层混凝土之前，土体在无支撑的情况下必须自稳，否则，必须对开层混凝土之前，土体在无支撑的情况下必须自稳，否则，必须对开挖面附近的土体进行加固，保持坡体稳定，这必然会增加施工的复挖面附近的土体进行加固，保持坡体稳定，这必然会增加施工的复杂性和工程造价；当地下水位高于开挖面时，必须预先降低水位到杂性和工程造价；当地下水位高于开挖面时，必须预先降低水位到坑底之下，否则地下水渗流作用将使局部开挖面坍塌，并且难以建坑底之下，否则地下水渗流作用将使局部开挖面坍塌，并

8、且难以建造面层；另外土钉支护的环境效应往往为人们所忽视，土钉支护一造面层；另外土钉支护的环境效应往往为人们所忽视，土钉支护一般都要般都要“入侵入侵”到建筑场地之外的邻近地带，或置于邻近建筑的地到建筑场地之外的邻近地带，或置于邻近建筑的地基中，工程完工后，一般土钉不能被回收利用，而是留在原地，这基中，工程完工后，一般土钉不能被回收利用，而是留在原地，这必然为必然为“被入侵被入侵”地带未来基坑开挖和地基处理带来很大的不便。地带未来基坑开挖和地基处理带来很大的不便。 5 51 13 3 土钉支护与锚杆支护的区别土钉支护与锚杆支护的区别 土钉与锚杆从表面上看有类似之处，实际上存在着本质差别。土钉与锚杆

9、从表面上看有类似之处，实际上存在着本质差别。 （1 1）锚杆支护是一种被动受力机制锚杆支护是一种被动受力机制，它通过施加预应力约束结，它通过施加预应力约束结构的变位，锚杆仅在锚固段传递荷载；构的变位，锚杆仅在锚固段传递荷载；土钉则不需施加预应力，而土钉则不需施加预应力，而是在土体发生变形后使其承受拉力而工作是在土体发生变形后使其承受拉力而工作，因此两者的受力状态不，因此两者的受力状态不一样。再者，一样。再者，土钉较锚杆密集得多，起到了加筋的作用土钉较锚杆密集得多，起到了加筋的作用，提高了土，提高了土体的强度，为主动受力机制。由于土钉在全长范围内与土体接触，体的强度，为主动受力机制。由于土钉在全

10、长范围内与土体接触，其荷载传递沿着整个土钉进行。其荷载传递沿着整个土钉进行。 （2 2）锚杆设置的数目有限，每个杆件都是主要的受力部件；而）锚杆设置的数目有限，每个杆件都是主要的受力部件；而土钉设置较为密集，土钉设置较为密集，钉土之间形成复合土体钉土之间形成复合土体，从功能上讲，从功能上讲，整个结整个结构类似重力式挡土墙构类似重力式挡土墙，因此某一个土钉的破坏不会对整个结构的功，因此某一个土钉的破坏不会对整个结构的功能产生较大的影响。能产生较大的影响。 （3 3）锚杆挡墙的面板承受很大的压力锚杆挡墙的面板承受很大的压力，而，而土钉墙的面层不是主土钉墙的面层不是主要受力结构要受力结构，其主要作用

11、在于保持土体的局部稳定性。，其主要作用在于保持土体的局部稳定性。 （4 4）锚杆长度一般很长锚杆长度一般很长，多在，多在1545m之间，直径较大，因此锚之间，直径较大，因此锚杆所承受的荷载大，可达杆所承受的荷载大，可达400kN以上，其端头部的构造较土钉复杂，以上，其端头部的构造较土钉复杂，以防止面层冲切破坏；而以防止面层冲切破坏；而土钉长度较小土钉长度较小，一般为，一般为310m，直径亦，直径亦较小，一般不需要很大承载力，单根土钉受荷一般在较小，一般不需要很大承载力，单根土钉受荷一般在100kN以下，以下，面层结构较简单，利用混凝土及小尺寸垫板即可满足要求。对于无面层结构较简单，利用混凝土及

12、小尺寸垫板即可满足要求。对于无预应力的全长注浆锚杆，其受力特点也和土钉有较大的差异。预应力的全长注浆锚杆，其受力特点也和土钉有较大的差异。 严格来讲，严格来讲，土钉支护技术是由加筋土技术衍生而来土钉支护技术是由加筋土技术衍生而来的，但它又的，但它又不同于一般的加筋土挡土墙。加筋土挡土墙不同于一般的加筋土挡土墙。加筋土挡土墙从下向上铺设从下向上铺设，一般采，一般采用砂土作为回填土，并与面板一起组成挡土墙，而土钉则是从上向用砂土作为回填土，并与面板一起组成挡土墙，而土钉则是从上向下开挖并将拉筋置入原位土中。虽然土钉和加筋土中拉筋拉力的产下开挖并将拉筋置入原位土中。虽然土钉和加筋土中拉筋拉力的产生都

13、以土体的侧向变形为前提，但生都以土体的侧向变形为前提，但二者在拉力的分布形式及与土体二者在拉力的分布形式及与土体界面的摩擦粘结力方面也存在着较大的差异界面的摩擦粘结力方面也存在着较大的差异。土钉墙的变形一般是。土钉墙的变形一般是上部最大，而加筋土挡土墙下部的变形最大。加筋土挡土墙的筋体上部最大，而加筋土挡土墙下部的变形最大。加筋土挡土墙的筋体一般水平设置，而土钉则常以小倾角（一般水平设置，而土钉则常以小倾角（0 0o1010o）设置。）设置。 第二节第二节 土钉支护原理土钉支护原理 5 52 21 1 土钉抗拔试验分析土钉抗拔试验分析 一、土钉抗拔试验与土钉剪应力一、土钉抗拔试验与土钉剪应力

14、土钉抗拔试验是土钉支护工程中最常用、最直接的试验。利土钉抗拔试验是土钉支护工程中最常用、最直接的试验。利用该试验可以确定单位长度土钉的抗拔力，继而为土钉支护结构的用该试验可以确定单位长度土钉的抗拔力，继而为土钉支护结构的设计提供必需的参数。同时，设计提供必需的参数。同时，土钉的抗拔试验也是衡量土钉施工质土钉的抗拔试验也是衡量土钉施工质量好坏的一个标准量好坏的一个标准。 工程设计中假设剪应力沿土钉均匀分布，根据抗拔试验结果，工程设计中假设剪应力沿土钉均匀分布，根据抗拔试验结果，钉土剪切面处的最大剪应力（极限抗剪强度）估算为：钉土剪切面处的最大剪应力（极限抗剪强度）估算为：cRLPvtan2式中式

15、中P土钉端拉力；土钉端拉力；R、L分别为土钉的半径和长度；分别为土钉的半径和长度；A土钉土钉平均深度处垂直应力；平均深度处垂直应力；c、 分别为钉土切向剪切面处的粘聚力和内分别为钉土切向剪切面处的粘聚力和内摩擦角。上式计算的剪应力既不是局部剪应力，也不是平均剪应力，摩擦角。上式计算的剪应力既不是局部剪应力，也不是平均剪应力，而是而是整体剪应力整体剪应力（global shear stress）。）。 第二节第二节 土钉支护原理土钉支护原理 Schlosser和和Guillious提出的土钉抗拔时最大剪应力（极限抗剪提出的土钉抗拔时最大剪应力（极限抗剪强度）的计算公式为：强度）的计算公式为： U

16、crvf2式中式中 *钉土作用面处的似摩擦系数，钉土作用面处的似摩擦系数，U为土钉横截面周长，为土钉横截面周长，c土体粘聚力，土体粘聚力，r土钉的半径，土钉的半径， v土钉平均深度处的垂直应力。土钉平均深度处的垂直应力。 实际上，土钉抗拔作用的机理较为复杂，影响土钉抗拔作用的实际上，土钉抗拔作用的机理较为复杂，影响土钉抗拔作用的因素较多，主要有土体的物理力学参数、土钉的刚度、钉土接触面因素较多，主要有土体的物理力学参数、土钉的刚度、钉土接触面处的特征、土体的剪胀（缩）性、剪切面处介质的应力与应变关系处的特征、土体的剪胀（缩）性、剪切面处介质的应力与应变关系等。等。GuillouxGuillou

17、x等所做的土钉抗拔试验表明，等所做的土钉抗拔试验表明，当钉土的相对位移达到当钉土的相对位移达到0.603.0mm时，钉土间的极限剪应力达到最大时，钉土间的极限剪应力达到最大。土钉所受的剪力。土钉所受的剪力与钉土间的位移直接相关，并在位移达到某一值前，随位移的增大与钉土间的位移直接相关，并在位移达到某一值前，随位移的增大而显著增加。而显著增加。 第二节第二节 土钉支护原理土钉支护原理 二、土钉抗拔荷载传递机理二、土钉抗拔荷载传递机理 图5-1 土钉抗拔剪应力位移关系u0uffab1k 当拉力逐渐施加于土钉时，靠近拉拔端当拉力逐渐施加于土钉时，靠近拉拔端处的土钉单元受到拉伸而产生相对于土体向处的土

18、钉单元受到拉伸而产生相对于土体向外变形，与此同时土钉侧表面受到土体的摩外变形，与此同时土钉侧表面受到土体的摩擦力。土钉荷载通过所发挥出来的侧向摩擦擦力。土钉荷载通过所发挥出来的侧向摩擦阻力传递到土钉周围土体中（降低了土体的阻力传递到土钉周围土体中（降低了土体的分担作用），致使土钉的轴向拉力和土钉的分担作用），致使土钉的轴向拉力和土钉的拉伸变形随土钉的长度方向而递减。在钉土拉伸变形随土钉的长度方向而递减。在钉土相对位移等于零处，其摩擦阻力尚未开始发挥作用而等于零。随着相对位移等于零处，其摩擦阻力尚未开始发挥作用而等于零。随着荷载的逐渐增加，土钉体的拉伸变形量和位移量逐渐增大，内部土荷载的逐渐增加

19、，土钉体的拉伸变形量和位移量逐渐增大，内部土钉段的摩擦阻力随之逐步调动起来，内部土钉段处周围的土体因此钉段的摩擦阻力随之逐步调动起来，内部土钉段处周围的土体因此而产生摩擦阻力；而产生摩擦阻力；当土钉周侧的摩擦阻力全部发挥出来达到极限状当土钉周侧的摩擦阻力全部发挥出来达到极限状态时，土钉周侧土体发生剪切破坏，位移增长速度显著增大，并收态时，土钉周侧土体发生剪切破坏，位移增长速度显著增大，并收敛于某一常数，土钉以均匀的速度被拔出敛于某一常数，土钉以均匀的速度被拔出。 第二节第二节 土钉支护原理土钉支护原理 三、抗拔作用的力学模型三、抗拔作用的力学模型 研究表明土钉抗拔的剪应力研究表明土钉抗拔的剪应

20、力位移曲线可简化成图位移曲线可简化成图5 51 1的的0a段段和和ab段。段。0a段表示随着位移的增加，剪应力与位移呈线性增加，表段表示随着位移的增加，剪应力与位移呈线性增加，表现为土体被压实，并具有弹性体性质；现为土体被压实，并具有弹性体性质；PQ段说明当钉土间的相对段说明当钉土间的相对位移达到一定值位移达到一定值uf后，钉土间的剪应力保持不变，整个土钉发生均后，钉土间的剪应力保持不变，整个土钉发生均匀移动，土体已发生剪切破坏。因此土钉抗拔的剪应力匀移动，土体已发生剪切破坏。因此土钉抗拔的剪应力位移曲线位移曲线可简化成如下表达方式：可简化成如下表达方式： 时当fxxxuuku时当fxffxu

21、uku其中的其中的 f为峰值剪应力，为峰值剪应力，uf为达到峰值剪应力时所需的最小位移，为达到峰值剪应力时所需的最小位移，ux表示土钉表示土钉x断面处的位移，断面处的位移，k为剪切变形系数（为剪切变形系数（kPa/m），其值与），其值与土体性质、土钉表面的特性、土钉上部垂直应力大小等因素有关。土体性质、土钉表面的特性、土钉上部垂直应力大小等因素有关。 第二节第二节 土钉支护原理土钉支护原理 设土钉钉头（土钉与面层交点位置）作用着大小为设土钉钉头（土钉与面层交点位置）作用着大小为P的拉力，的拉力，土钉的长度为土钉的长度为l（图（图5 52 2）。沿坐标方向，在距离坐标原点位置）。沿坐标方向，在距

22、离坐标原点位置x处处取一长度为取一长度为dx的单元进行分析，根据单元的平衡条件有：的单元进行分析，根据单元的平衡条件有： 图5-2 土钉抗拔单元分析(b)dxxNxNx+dNxx(a)xxdxP0lxNDzxdd1式中式中D土钉直径，土钉直径，Nxx截面处的轴向拉力。根据土钉拉伸变形截面处的轴向拉力。根据土钉拉伸变形dsx/dx与轴力与轴力Nx的关系，的关系，x断面的轴力有：断面的轴力有： xsAENzdd式中，式中，E=(EgAg+EstAst)/A为有效土钉模量，为有效土钉模量，Eg、Est分别为土钉的浆分别为土钉的浆体及钢筋模量，体及钢筋模量，Ag、Ast分别为土钉的浆体及钢筋的横截面面

23、积。分别为土钉的浆体及钢筋的横截面面积。 第二节第二节 土钉支护原理土钉支护原理 根据根据x断面处的平衡条件得土钉轴向拉力：断面处的平衡条件得土钉轴向拉力： lxxzxuDkPNd土钉任一截面处的位移等于土钉的刚体位移与土钉拉伸变形之和，土钉任一截面处的位移等于土钉的刚体位移与土钉拉伸变形之和，则则x断面处土钉的断面处土钉的总位移总位移为：为： xxgxgxxNusuu0dEA式中，式中，sx为土钉为土钉x断面处土钉的拉伸变形量，断面处土钉的拉伸变形量，ug为土钉刚体位移（土为土钉刚体位移（土钉被拔出量）。由于土钉尾端不受拉力作用，因此尾端的拉伸变形钉被拔出量）。由于土钉尾端不受拉力作用，因此

24、尾端的拉伸变形量为零，其位移即为土钉刚体位移。量为零，其位移即为土钉刚体位移。 第二节第二节 土钉支护原理土钉支护原理 时当fxfxuuEADxu0dd22时当fxxxuuEADukxu0dd22通解通解212)2(CxCxEADufxxxxCCuee43通解通解式中式中 2= Dk/EA， 表示土钉对土体的相对刚度，其量纲为长度。表示土钉对土体的相对刚度，其量纲为长度。 第二节第二节 土钉支护原理土钉支护原理 钢管抗拔试验和加筋土的抗拔试验表明，在土体未发生剪切坡钢管抗拔试验和加筋土的抗拔试验表明，在土体未发生剪切坡坏前（受拉杆件发生均匀移动前），拉拔端的位移最大，位移由拉坏前（受拉杆件发生

25、均匀移动前），拉拔端的位移最大，位移由拉拔端向尾端逐渐减小到零。由于钢管常在工程中被用作打入式土钉拔端向尾端逐渐减小到零。由于钢管常在工程中被用作打入式土钉或注浆式土钉的拉筋，因此，抗拔试验等同于土钉的抗拔试验。因或注浆式土钉的拉筋，因此，抗拔试验等同于土钉的抗拔试验。因此当此当x=l时，时，u=uf，土钉的位移最大。在土钉被拔出的过程中，土钉，土钉的位移最大。在土钉被拔出的过程中，土钉各点处的位移相同，即土钉发生均匀移动，开始发生抗拔破坏，不各点处的位移相同，即土钉发生均匀移动，开始发生抗拔破坏，不会存在会存在uuf的情况。因此应该只考虑的情况。因此应该只考虑uuf时土钉的受力及变形情况。时

26、土钉的受力及变形情况。将方程将方程(5.2.13)(5.2.13)代入到方程代入到方程(5.2.7)(5.2.7)中得：中得： 543)-()(CeeCeeCDkPNxlxlx只要确定了待定系数只要确定了待定系数C3、C4、C5，测得剪切变形系数，测得剪切变形系数k，就可以计，就可以计算出位移、轴力、剪力沿土钉的轴向分布规律。算出位移、轴力、剪力沿土钉的轴向分布规律。待定系数待定系数C3、C4、C5可根据边界条件确定：可根据边界条件确定： 第二节第二节 土钉支护原理土钉支护原理 1 1）当）当x=l时，时，Nx=P，代入，代入(5.2.17)(5.2.17)式得式得C5=0=0； 2 2）当）

27、当x=0时，时，Nx=0，代入，代入(5.2.17)(5.2.17)式得：式得： 0) 1-(e) 1(e43llCCDkP当土钉某个断面的位移当土钉某个断面的位移( (或轴力或轴力) )已知时，则根据位移表达式已知时，则根据位移表达式( (或轴或轴力表达式力表达式) )，并结合，并结合C5=0=0及式及式(5.2.15)(5.2.15)两式便可以确定系数两式便可以确定系数C3、C4的值。考虑到工程中经常测量土钉拉拔端处的钉头位移，假设土钉的值。考虑到工程中经常测量土钉拉拔端处的钉头位移，假设土钉钉头处的位移实测值为钉头处的位移实测值为u0，将，将x=l时，时，ux=u0代入方程代入方程(5.

28、2.13)(5.2.13)得：得： llCCuee43020042403) 1e ()e1 (,eelllluCPCCuC令令C0= Dk/ ，由，由C5=0、式、式(5.2.15)(5.2.15)、式、式(5.2.16)(5.2.16)得得 (5.2.15) (5.2.16) 第二节第二节 土钉支护原理土钉支护原理 5 52 22 2 土钉直剪试验分析土钉直剪试验分析 模拟土钉作用机理的大型直剪试验装置如图模拟土钉作用机理的大型直剪试验装置如图5 53 3（a a）所示。）所示。对土体施加垂向应力，在上、下两个半剪力盒中心对称平面（接触对土体施加垂向应力，在上、下两个半剪力盒中心对称平面（接

29、触面）处通过液压千斤顶沿水平方向施加剪力，这样可保证剪力通过面）处通过液压千斤顶沿水平方向施加剪力，这样可保证剪力通过试样的中心。利用条形插筋的试验直剪试验曲线如图试样的中心。利用条形插筋的试验直剪试验曲线如图5 53 3（b b）所）所示。根据直剪试验，剪应力比示。根据直剪试验，剪应力比位移曲线图位移曲线图5 53 3（b b），可将土钉），可将土钉剪切变形全过程分为四个阶段：剪切变形全过程分为四个阶段：线性变形阶段线性变形阶段、塑性变形阶段塑性变形阶段、渐渐进性破坏阶段进性破坏阶段和和破坏阶段破坏阶段。图5-3 土钉直剪试验与剪应力比-位移曲线(b)(a)PdxdyT0剪切位移x剪应力比/

30、ABCD第二节第二节 土钉支护原理土钉支护原理 各阶段的受力机制及特点表现为：各阶段的受力机制及特点表现为： （1 1）线性变形阶段线性变形阶段0A：该阶段剪切位移较小，加筋土和未加：该阶段剪切位移较小，加筋土和未加筋土的抗剪强度基本相等，筋土的抗剪强度基本相等，插筋几乎对加筋土的抗剪强度无影响插筋几乎对加筋土的抗剪强度无影响，可以认为在这一阶段可以认为在这一阶段抗剪强度主要由土体承担抗剪强度主要由土体承担。（2 2）塑性变形阶段塑性变形阶段AB：土体进入塑性变形阶段后，：土体进入塑性变形阶段后，应力逐渐应力逐渐向插筋转移向插筋转移，这一阶段插筋开始发挥显著作用，插筋通过应力传，这一阶段插筋开

31、始发挥显著作用，插筋通过应力传递及扩散作用使得插筋附近土体的应力扩散到其周围的土体中，递及扩散作用使得插筋附近土体的应力扩散到其周围的土体中，逐渐地调动周围土体结构的潜在强度而使其进入塑性状态，使塑逐渐地调动周围土体结构的潜在强度而使其进入塑性状态，使塑性阶段延长。这性阶段延长。这与摩擦桩的应力传递机理是相似的与摩擦桩的应力传递机理是相似的。由于塑性阶。由于塑性阶段的延长，充分调动了土体的抗剪强度，表现出主动制约机制的段的延长，充分调动了土体的抗剪强度，表现出主动制约机制的特性。这一阶段特性。这一阶段抗剪强度增大的实质抗剪强度增大的实质是土体和加筋相互作用的界是土体和加筋相互作用的界面强度约束

32、减小了土体应变，从而等效地提高了土体抗剪强度，面强度约束减小了土体应变，从而等效地提高了土体抗剪强度，减缓和制约了塑性变形的发生与发展减缓和制约了塑性变形的发生与发展。第二节第二节 土钉支护原理土钉支护原理 （3 3）渐进性破坏阶段渐进性破坏阶段BC：随着剪切位移的增大，土体塑性应变：随着剪切位移的增大，土体塑性应变不断增加，体积应变不断膨胀，土体发生剪胀，剪应力减小不断增加，体积应变不断膨胀，土体发生剪胀，剪应力减小( (应变应变软化软化) )，土体和插筋之间的相对位移达到了足以引起筋土之间局部，土体和插筋之间的相对位移达到了足以引起筋土之间局部滑动的程度。滑动的程度。局部滑动导致剪切应力沿

33、插筋方向向土体内部进一步局部滑动导致剪切应力沿插筋方向向土体内部进一步传递，插筋通过筋土之间的摩擦阻力分担应力的作用逐渐增加，约传递，插筋通过筋土之间的摩擦阻力分担应力的作用逐渐增加，约束作用也明显增强束作用也明显增强。随着土体的变形速率逐渐增加，在剪切面并不。随着土体的变形速率逐渐增加，在剪切面并不形成连续的破裂面。此阶段插筋呈现形成连续的破裂面。此阶段插筋呈现弯剪、拉剪等复合应力状态弯剪、拉剪等复合应力状态，插筋的刚度开始发挥一定优势，加筋通过分担作用减少了土体应变，插筋的刚度开始发挥一定优势，加筋通过分担作用减少了土体应变，抑制剪切破坏面的扩展，以扩散作用减小了局部应力集中，延缓了抑制剪

34、切破坏面的扩展，以扩散作用减小了局部应力集中，延缓了剪切破坏面的贯穿。剪切破坏面的贯穿。（4 4）破坏阶段破坏阶段CD：此阶段随剪切位移的增加，加筋土抗剪强度：此阶段随剪切位移的增加，加筋土抗剪强度不再发生变化。在土体中已经形成了一个贯穿剪切试样的剪切面，不再发生变化。在土体中已经形成了一个贯穿剪切试样的剪切面，加筋土强度的提高主要是通过应力转移到插筋上，通过插筋受拉实加筋土强度的提高主要是通过应力转移到插筋上，通过插筋受拉实现的，同时插筋的抗弯刚度也起到一定的作用。根据该段曲线可以现的，同时插筋的抗弯刚度也起到一定的作用。根据该段曲线可以得出，在该阶段得出，在该阶段土体内摩擦角基本没有发生变

35、化土体内摩擦角基本没有发生变化。第二节第二节 土钉支护原理土钉支护原理 设插筋以滑动面对称地插在土样中，插筋与水平面的夹角为设插筋以滑动面对称地插在土样中，插筋与水平面的夹角为9090o o- - ( (如图如图5 54 4所示所示) )。以加筋砂的直剪试验进行理论分析，根据。以加筋砂的直剪试验进行理论分析，根据以下假设：应力和应变均匀分布；主应力与主应变方向一致；以下假设：应力和应变均匀分布；主应力与主应变方向一致；达到峰值应力比时应变增量为塑性，水平方向的线性应变增大。达到峰值应力比时应变增量为塑性，水平方向的线性应变增大。由此可得到土体中插筋总体作用将使得土体剪阻作用力提高值由此可得到土

36、体中插筋总体作用将使得土体剪阻作用力提高值D D ： sintancosDsrAp图5-4 土钉插筋受力状态rpAs试样剪切面面积试样剪切面面积 第二节第二节 土钉支护原理土钉支护原理 R.A.Jewell根据剪切面处土体法向与切向位移关系，得出插根据剪切面处土体法向与切向位移关系，得出插筋倾角对于插筋受力状态的影响。当筋倾角对于插筋受力状态的影响。当9090o o -y y( (y y为土体的剪胀角为土体的剪胀角) )时，由于土体的剪切变形，插筋处于轴向拉伸状态；当时，由于土体的剪切变形，插筋处于轴向拉伸状态；当- -y y -9090o o时，插筋处于轴向压缩状态。时，插筋处于轴向压缩状态

37、。 从前面的分析可以看出，从前面的分析可以看出，插筋轴力的发挥是通过变形的土体插筋轴力的发挥是通过变形的土体与插筋的相互作用完成的与插筋的相互作用完成的。由于土体的塑性变形对于插筋轴力的大。由于土体的塑性变形对于插筋轴力的大小起着极为重要的作用，因此在插筋土的直剪试验曲线中，插筋的小起着极为重要的作用，因此在插筋土的直剪试验曲线中，插筋的作用只有在应力比初次达到临界状态后才能显示出来。当剪切荷载作用只有在应力比初次达到临界状态后才能显示出来。当剪切荷载施加于土体时，土体产生变形，并且通过插筋的应力扩散作用提高施加于土体时，土体产生变形，并且通过插筋的应力扩散作用提高了土体的抗剪能力。邻近插筋的

38、土体由于应力扩散作用的影响也产了土体的抗剪能力。邻近插筋的土体由于应力扩散作用的影响也产生变形。当插筋周侧较为粗糙且插筋的轴向与土体的剪切应变增量生变形。当插筋周侧较为粗糙且插筋的轴向与土体的剪切应变增量方向一致时，插筋对于其邻近土体的变形会产生限制作用，从而引方向一致时，插筋对于其邻近土体的变形会产生限制作用，从而引起土体的主应力方向发生旋转，使得插筋及其邻近土体达到新的平起土体的主应力方向发生旋转，使得插筋及其邻近土体达到新的平衡状态。这就是插筋土体直剪试验的作用过程。衡状态。这就是插筋土体直剪试验的作用过程。5 52 23 3 准粘聚力理论准粘聚力理论 准粘聚力理论最初是根据加筋砂剪切试

39、验提出的，是用来解释准粘聚力理论最初是根据加筋砂剪切试验提出的，是用来解释加筋砂土抗剪强度较未加筋砂土抗剪强度高的理论，后来该理论被加筋砂土抗剪强度较未加筋砂土抗剪强度高的理论，后来该理论被引用到土钉支护稳定性分析中，来解释土钉支护结构自稳性较天然引用到土钉支护稳定性分析中，来解释土钉支护结构自稳性较天然土坡无支护开挖稳定性增强的原因。根据加筋砂土的直剪试验提出土坡无支护开挖稳定性增强的原因。根据加筋砂土的直剪试验提出了准粘聚力的近似计算公式，只是对单根插筋进行研究的结果，对了准粘聚力的近似计算公式，只是对单根插筋进行研究的结果，对土钉支护结构的整体稳定性土钉支护结构的整体稳定性并不适用。而从

40、整体稳定性分析方法的并不适用。而从整体稳定性分析方法的角度研究土钉支护结构，即为准粘聚力理论。角度研究土钉支护结构，即为准粘聚力理论。 第二节第二节 土钉支护原理土钉支护原理 为研究土钉支护结构整体稳定性的准粘聚为研究土钉支护结构整体稳定性的准粘聚力理论，首先应研究加筋砂土的强度特性。图力理论，首先应研究加筋砂土的强度特性。图5 55 5为加筋砂土与未加筋砂土的三轴试验的强为加筋砂土与未加筋砂土的三轴试验的强度曲线。加筋砂土与未加筋砂土的度曲线。加筋砂土与未加筋砂土的强度曲线几强度曲线几乎完全平行乎完全平行，说明砂土的，说明砂土的内摩擦角在加筋前后内摩擦角在加筋前后几乎没有变化几乎没有变化；未

41、加筋砂土的强度曲线经过坐；未加筋砂土的强度曲线经过坐标原点，而标原点，而加筋砂的强度曲线不经过坐标原点加筋砂的强度曲线不经过坐标原点，与纵坐标相截，其截距就是与纵坐标相截，其截距就是准粘聚力准粘聚力。因此，。因此，可以说，加筋砂土力学性能的改善是由于新的可以说，加筋砂土力学性能的改善是由于新的复合土体（即加筋砂）具有某种复合土体（即加筋砂）具有某种“粘聚力粘聚力”的的缘故。缘故。这个这个“粘聚力粘聚力”不是砂土固有的，而是不是砂土固有的，而是加筋的结果加筋的结果。因此。因此准粘聚力理论可以概括为：准粘聚力理论可以概括为：加筋后的土体内摩擦角没有改变，而土体的粘加筋后的土体内摩擦角没有改变，而土

42、体的粘聚力增加了，由于粘聚力的增加提高了土体的聚力增加了，由于粘聚力的增加提高了土体的抗剪强度抗剪强度。 图5-5 加筋砂与未加筋砂强度曲线比较(a) 未加筋砂(b) 加筋砂(b)(a)013滑动破坏断裂破坏第二节第二节 土钉支护原理土钉支护原理 基坑开挖前，土体可以看作处于弹性平衡状态，对于图基坑开挖前，土体可以看作处于弹性平衡状态，对于图5-6(5-6(a) )中的点中的点A，其应力莫尔圆如图，其应力莫尔圆如图5-6(5-6(b) )中的中的圆圆所示。此时最大主应所示。此时最大主应力为垂直方向，其值为力为垂直方向，其值为( (q+ h) )，最小主应力为水平方向，其值为，最小主应力为水平方

43、向，其值为K 1( (K为静止土压力系数为静止土压力系数) )；当土体开挖而未加土钉时，由于坑壁周；当土体开挖而未加土钉时，由于坑壁周围土体发生应力释放，可认为主应力围土体发生应力释放，可认为主应力 1保持不变，而保持不变，而 3减小，从而减小，从而使应力莫尔圆半径增大，圆心左移，随着土体的继续开挖，应力莫使应力莫尔圆半径增大，圆心左移，随着土体的继续开挖，应力莫尔圆的半径继续增大，圆心继续左移。当开挖到一定的深度后，应尔圆的半径继续增大，圆心继续左移。当开挖到一定的深度后，应力圆和土体的抗剪强度力圆和土体的抗剪强度曲线相切，此时上体处曲线相切，此时上体处于极限平衡状态，如图于极限平衡状态，如

44、图5 5 6(6(b) )中的中的圆圆所示；所示；继续开挖则会导致处于继续开挖则会导致处于极限平衡状态的土体开极限平衡状态的土体开始下滑。始下滑。 图5-6 A点应力与应力圆分析03IDc1313D3D1IIIIII 弹性平衡II 极限平衡III 新的极限平衡+45oyxxyA(a)(b)第二节第二节 土钉支护原理土钉支护原理 当土体中加入土钉后，土体由于产生相对土钉的横向位移，土当土体中加入土钉后，土体由于产生相对土钉的横向位移，土钉对于其邻近土体的变形产生抑制作用，从而产生钉土间的摩擦阻钉对于其邻近土体的变形产生抑制作用，从而产生钉土间的摩擦阻力，引起土体的主应力方向发生旋转，使得插筋及其

45、邻近土体达到力，引起土体的主应力方向发生旋转，使得插筋及其邻近土体达到新的平衡状态，根据弹性力学原理，最大主应力与最小主应力为：新的平衡状态，根据弹性力学原理，最大主应力与最小主应力为： 2232212222xyyxyxxyyxyx 设土体开挖后未加土钉时的主应力为：设土体开挖后未加土钉时的主应力为： hq1113K上式中上式中 为大于零而小于为大于零而小于1 1的常数。的常数。 第二节第二节 土钉支护原理土钉支护原理 可证明加入土钉后的最大主应力可证明加入土钉后的最大主应力 1比开挖后未加土钉时的最比开挖后未加土钉时的最大主应力大主应力 1大，而加入土钉后的最小主应力大，而加入土钉后的最小主

46、应力 3比开挖后未加土钉比开挖后未加土钉时的最小主应力时的最小主应力 3小，且最大主应力的变化量较最小主应力的变化小，且最大主应力的变化量较最小主应力的变化小，加入土钉后的应力圆如图小，加入土钉后的应力圆如图5 56 6（b b）中的）中的圆圆所示。由于土体所示。由于土体内摩擦角不变，根据库仑莫尔定律，复合土体的抗剪强度比未加内摩擦角不变，根据库仑莫尔定律，复合土体的抗剪强度比未加天然土体大。土体抗剪强度增量为两条抗剪强度曲线在纵坐标轴上天然土体大。土体抗剪强度增量为两条抗剪强度曲线在纵坐标轴上的截距差的截距差D Dc。 图5-6 A点应力与应力圆分析03IDc1313D3D1IIIIII 弹

47、性平衡II 极限平衡III 新的极限平衡+45oyxxyA(a)(b)第二节第二节 土钉支护原理土钉支护原理 当基坑开挖超过一定的深度后，土钉支护结构会达到新的极限当基坑开挖超过一定的深度后，土钉支护结构会达到新的极限平衡，于是可得：平衡，于是可得： )245tan(2)245(tan231 cc表示加入土钉后土体的准粘聚力。根据基坑开挖不加土钉时的极表示加入土钉后土体的准粘聚力。根据基坑开挖不加土钉时的极限平衡条件有：限平衡条件有： )245tan(2)245(tan02311cc0为天然土体的粘聚力。由此得到粘聚力的增量为天然土体的粘聚力。由此得到粘聚力的增量D Dc： )245tan(2

48、)245(tan231DDDc其中，其中，D Dc=c- c0，D D 1= 1- 1，D D 3= 3- 3。 第二节第二节 土钉支护原理土钉支护原理 粘聚力的增量粘聚力的增量D Dc所需要的所需要的D D 1、D D 3、T按如下方法计算。假设按如下方法计算。假设水平方向约束力等于应力增量水平方向约束力等于应力增量D D 3，垂直方向约束力为，垂直方向约束力为D D 1 1，剪阻力，剪阻力沿土钉轴向均匀分布，采用无量纲分析，则水平方向和垂直方向的沿土钉轴向均匀分布，采用无量纲分析，则水平方向和垂直方向的假想约束力分别为：假想约束力分别为： vhAhSSTLSTsincossin31DD其中

49、其中 为土钉的倾角，为土钉的倾角，T T为土钉的拉力，为土钉的拉力，Sh、Sv、LA分别为土钉的水分别为土钉的水平间距、垂直间距及平间距、垂直间距及主动区中土钉的长度主动区中土钉的长度。土钉拉力采用。土钉拉力采用拔出破坏拔出破坏与拉断破坏时的较小值。与拉断破坏时的较小值。ALLlhqDT0dtan)(按按拔出破坏计算拔出破坏计算按拉断破坏计算按拉断破坏计算tRDT42第二节第二节 土钉支护原理土钉支护原理 根据根据Rankine土压力理论，对粘性土来说，由于存在粘聚力，当土压力理论，对粘性土来说，由于存在粘聚力，当土体处于主动极限平衡状态时，在其顶部一定深度处将出现垂直张土体处于主动极限平衡状

50、态时，在其顶部一定深度处将出现垂直张裂缝。张裂缝的深度与土体粘聚力呈正比，张裂缝深度可表示为：裂缝。张裂缝的深度与土体粘聚力呈正比，张裂缝深度可表示为： acKch2土钉的作用相当于提高了土体的粘聚力，因此土钉支护结构达到主土钉的作用相当于提高了土体的粘聚力，因此土钉支护结构达到主动极限平衡状态时的拉裂缝增加动极限平衡状态时的拉裂缝增加D Dh：acKchDD2 在理论上确定土钉支护结构潜在滑裂面十分复杂，通常采用在理论上确定土钉支护结构潜在滑裂面十分复杂，通常采用Rankine滑裂面作为土钉支护结构的潜在滑裂面。由于在主动极限滑裂面作为土钉支护结构的潜在滑裂面。由于在主动极限平衡状态下，土钉

51、复合体中将会出现拉裂缝，在拉裂缝深度区平衡状态下，土钉复合体中将会出现拉裂缝，在拉裂缝深度区hc范范围内，土体无主动土压力作用，仅在其下部作用着主动土压力。围内，土体无主动土压力作用，仅在其下部作用着主动土压力。第二节第二节 土钉支护原理土钉支护原理 第二节第二节 土钉支护原理土钉支护原理 图5-7 土钉支护滑动破坏面与力矢多边形(a)(b)GqTRPhcGqqRP+45oHT沿纵向取单位长度进行受力分析，根据力的平衡条件得：沿纵向取单位长度进行受力分析，根据力的平衡条件得： )245cos(sinsin)245sin()245(csecos)(cos)245sin(cqhHcGT其中其中Gq

52、=(H-hc)ctg(45+ /2) h+0.5(H-hc)+q，c为准粘聚力，为准粘聚力，Gq为滑体的自重为滑体的自重与超载作用之和。上式表示了极限平衡与超载作用之和。上式表示了极限平衡状态下土钉所需提供的总抗拔力，根据状态下土钉所需提供的总抗拔力，根据该式并结合所采用的土压力分布模式，该式并结合所采用的土压力分布模式，就可确定土钉支护中所用土钉的长度、就可确定土钉支护中所用土钉的长度、排数等参数。排数等参数。 第三节第三节 土钉支护稳定性分析土钉支护稳定性分析 进行土钉墙稳定性分析时，需考虑进行土钉墙稳定性分析时，需考虑土钉墙内部稳定性分析土钉墙内部稳定性分析和和外外部整体稳定性分析部整体

53、稳定性分析两部分。内部稳定性是假定圆弧形破裂面，只考两部分。内部稳定性是假定圆弧形破裂面，只考虑土钉的抗拉作用，进行力矩极限平衡各阶段的稳定性分析，它可虑土钉的抗拉作用，进行力矩极限平衡各阶段的稳定性分析，它可以计算出施工阶段不同位置和使用阶段各排土钉处及墙底部处稳定以计算出施工阶段不同位置和使用阶段各排土钉处及墙底部处稳定性分析结果。而外部整体稳定性分析是将土钉墙简化成一个类似重性分析结果。而外部整体稳定性分析是将土钉墙简化成一个类似重力式墙，进行简化后墙的抗滑、抗倾覆和墙底部上极限承载力三项力式墙，进行简化后墙的抗滑、抗倾覆和墙底部上极限承载力三项稳定性计算。稳定性计算。 第三节第三节 土

54、钉支护稳定性分析土钉支护稳定性分析 5 53 31 1 土钉支护稳定性分析土钉支护稳定性分析 一、内部稳定性分析的力矩极限平衡法一、内部稳定性分析的力矩极限平衡法 （1 1）基本假定）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；破坏时土钉的最大拉力和剪力在破裂面处；土体抗剪强动产生的；破坏时土钉的最大拉力和剪力在破裂面处；土体抗剪强度度( (由库仑破坏准则定义由库仑破坏准则定义) )沿着破裂面全部发挥；假定小土条两边的沿着破裂面全部发挥；假定小土条两边的水平力相等；土强度参数取加权平均值。水平力相等；土强度参数

55、取加权平均值。 （2 2）土钉力简化）土钉力简化 要合理地确定土钉墙所产生的拉力、剪力和弯矩的大小，就需要合理地确定土钉墙所产生的拉力、剪力和弯矩的大小，就需要知道土体中会出现的变形，土钉的弯曲刚度，土钉的抗弯能力以要知道土体中会出现的变形，土钉的弯曲刚度，土钉的抗弯能力以及土钉周围土体的侧向刚度，这在实际工程中往往是困难的。及土钉周围土体的侧向刚度，这在实际工程中往往是困难的。 大量实型试验认为土钉剪力的作用是次要的，仅考虑抗拉作用大量实型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但是很方便的设计方法。土钉相对弯曲刚度对土的设计虽有点保守但是很方便的设计方法。土钉相对弯曲

56、刚度对土钉墙安全系数的影响大约为钉墙安全系数的影响大约为 0%15%之间。之间。 第三节第三节 土钉支护稳定性分析土钉支护稳定性分析 土钉的抗拉作用具体计算为该土钉与被破裂面交点处的土钉的抗拉作用具体计算为该土钉与被破裂面交点处的土钉拉土钉拉力力，简化后破裂面与土钉相交处土钉承受的，简化后破裂面与土钉相交处土钉承受的拉力拉力Tx可以计算如下：可以计算如下： fBxDLT1其中其中D钻孔直径钻孔直径(m); ;LB土钉伸入破裂面外约束区内长度土钉伸入破裂面外约束区内长度(m); ; f土钉砂浆与土体间的土钉砂浆与土体间的极限抗剪强度极限抗剪强度( (kN/m2),),一般由现场试一般由现场试验确

57、定。验确定。 由土钉与土体界面的由土钉与土体界面的抗剪强度抗剪强度 f计算，则计算，则 由由土钉钢筋强度土钉钢筋强度fy计算，则计算，则 syxAfT2式中式中As钢筋截面积钢筋截面积(m2)；fy钢筋抗拉强度钢筋抗拉强度(kN/m2)。 由钢筋与砂浆间的由钢筋与砂浆间的粘结强度粘结强度 g计算，则计算，则 gBxdLT3式中式中d钢筋直径钢筋直径(m)；LB约束区内长度约束区内长度(m)； g钢筋与砂浆界钢筋与砂浆界面的粘结强度面的粘结强度(kN/m2)。 第三节第三节 土钉支护稳定性分析土钉支护稳定性分析 如果设计时没有试验资料，砂浆与土体界面的粘结强度可用该如果设计时没有试验资料，砂浆与

58、土体界面的粘结强度可用该处土的抗剪强度来代替：处土的抗剪强度来代替：sBxisDLTc4,tan式中式中 s某处土体抗剪强度某处土体抗剪强度(kN/m2)；c土的内聚力土的内聚力(kN/m2)； 土的内摩擦角土的内摩擦角(rad)； i某处土的竖向应力某处土的竖向应力(kN/m2)。其余同前。其余同前。 如果进行抗拔试验，已知土钉的总抗拔能力如果进行抗拔试验，已知土钉的总抗拔能力TN，则，则 LLTTBNx5式中式中TN土钉的抗拔能力土钉的抗拔能力(kN)；L土钉的总长度土钉的总长度(m)；LB土钉在土钉在约束区内长度约束区内长度(m)。 上述土钉允许拉力计算可根据已知条件和实际工作情况选择一

59、上述土钉允许拉力计算可根据已知条件和实际工作情况选择一种即可，尽管土钉为空间三维分布，但为了简便起见，仍以二维平种即可，尽管土钉为空间三维分布，但为了简便起见，仍以二维平面形式取单位长度来进行土钉墙的计算。面形式取单位长度来进行土钉墙的计算。 第三节第三节 土钉支护稳定性分析土钉支护稳定性分析 （3 3）最危险破裂面选择）最危险破裂面选择 土钉墙的实际破裂面是无任何确定形状的，这种破裂面形状取土钉墙的实际破裂面是无任何确定形状的，这种破裂面形状取决于破裂面的几何形状、土的强度参数、土钉间距、土钉能力以及决于破裂面的几何形状、土的强度参数、土钉间距、土钉能力以及土钉的倾斜角度等。分析中采用土钉的

60、倾斜角度等。分析中采用圆弧破裂面圆弧破裂面是因为它与一些实际模是因为它与一些实际模型试验结果比较接近，且许多方法采用了这种破裂面，并且圆弧破型试验结果比较接近，且许多方法采用了这种破裂面，并且圆弧破裂面分析计算比较容易。最危险破裂面具体选择方法如下：裂面分析计算比较容易。最危险破裂面具体选择方法如下： 图5-9 土钉力支护稳定计算简图滑动面圆心搜索范围HH0Hi0.7Hi0.7Hi可能滑动面圆心坐标( , y0 x0)任意可能滑动面圆心坐标()xi,j,k, yi,j,kR(i,j,k) 圆心点位置确定圆心点位置确定。根据对土坡稳定性分析的研究结果，有一。根据对土坡稳定性分析的研究结果，有一个