修改第8讲-土钉墙

挡土结构与基坑工程

木林隆博士岩土大楼820室65982005mulinlong@第八讲土钉墙概述土钉的工作机理及工作特性土钉墙及复合土钉墙的设计计算土钉墙施工质量控制土钉墙案例钢板桩加土钉围护结构土钉（锚管）申德公寓基坑土钉及喷射混凝土面层申德公寓基坑土钉及喷射混凝土面层土钉墙剖面1—喷射混凝土面层；2—土钉

土钉是土体中原位加筋技术的一种，是由水平或近于水平设置于天然边坡或开挖形成的边坡中的加筋杆件及面层结构形成的挡土体系，用以改善原位土体的性能，并与原位土体共同工作，形成一重力式挡墙作用的轻型支挡结构，从而提高整个边坡的稳定性。土钉墙的概念定义组成构件土钉粘附于土体表面的钢筋混凝土面层土钉之间的被加固土体概述土钉技术的发展历史1972年，法国承包商Bouygues在法国Versai11es附近的一处铁路边坡开挖工程中，采用了喷混凝土并在土体中置入钢筋(土钉)作为临时支护，开挖的边坡坡度为70º，长965m，最大坡高21.6m，共用了25000多根钢筋。这是有着详细记载的第一个土钉工程。概述广泛应用土钉支护仅次于法国的是德国，到1981年西德已成功完成了20个以上的土钉支护工程项目，1986年发表的一份报告估计，当时西德每年进行的土钉支护工程约为法国的1/4。美国最早记载土钉支护的应用是1976年在Oregon州波特兰市一所医院(GoodSamaritanHospital)扩建工程中的基础开挖。但在北美、加拿大的西部地区早在60年代末期已经用过土钉作为房屋基础开挖的临时支护。美国另一项有名的土钉支护工程是匹次堡PPG工业总部的深基开挖，与其紧挨的有已建建筑物，所以开挖时对土层作了注浆处理，并且对土钉区内的已有房屋基础用微型桩(micropiles)作了托换。美国联邦公路管理局现在已有土钉支护技术设计与施工的指南性文件。我国应用土钉的首例工程是1980年山西柳湾煤矿的边坡加固。土钉技术的发展历史概述一般按施工方方法将土钉分分为三种类型型：钻孔注浆型，，直接打入型型和打入注浆浆型。钻孔注浆型土土钉：先在土坡上钻钻的孔，然后后插入钢筋、、钢杆或钢铰铰索等小直径径杆件，再用用压力注浆充充实孔穴，形形成与周围土土体密实粘合合的土钉，最最后与面层结结构构成一个个具有自撑能能力且能够支支挡其后末加加固体的加筋筋域。土钉的类型概述打入型土钉：：将钢杆件直接接打入土中。。其提供的摩摩阻力较低，，因而所要求求的钉杆表面面积和设置密密度均需大于于钻孔注浆型型土钉，其长长期防腐工作作也难以保证证，因而，目目前多用于临临时性支挡工工程中。打入注浆型：：在钢管中部及及尾部设置注注浆孔成为钢钢花管，直接接打入土中后后压灌水泥浆浆形成土钉。。它具有直接接打入土钉的的优点且抗拔拔力较高，应应用较为广泛泛，缺点是造造价比钻孔注注浆土钉略高高，防腐性能能较差不适用用于永久性工工程。土钉机（气动冲击锚锚杆机）每步开挖后应应尽快在开挖挖面上做好支支护，可以先先在开挖面上上打入短钢筋筋，控上钢筋筋网，然后喷喷50mm~100mm厚面层。土钉钉支护中的面面层不是主要要受力部件，，并不需要很很厚，也可以以用预制混凝土板板拼起来作为面面层，在块状状岩体或硬土土中甚至可以以仅设焊接网网。在稳定性性良好的土体体中也可以先先设置土钉，，然后做喷混混凝土面层。。土钉的附属结结构概述面层排水系统为了防止地表表水渗透对喷喷混凝土面层层产生压力和和侵蚀，防止止土体因饱和和而降低其强强度和土钉之之间的粘结力力，土钉支护护必须有良好好的排水系统统。能合理利用用土体的自自稳能力结构轻型，，柔性大，，有良好的的抗震性和和延性，破破坏前有变变形发展过过程密封性好，，完全将土土坡表面覆覆盖，没有有裸露土方方，防止地地下水渗出出，雨水渗渗入土钉数量众众多靠群体体作用，个个别土钉破破坏影响不不大施工所需场场地小，移移动灵活施工速度快快施工设备及及工艺简单单，不需要要复杂的技技术和大型型机具，施施工对周围围环境干扰扰小孔径小，与与桩相比，，穿透卵石石、漂石及及填石能力力更强边开挖边支支护便于信信息化施工工材料用量及及工程量少少，便于信信息化施工工土钉墙的特特点概述土钉墙+预应力锚杆杆土钉墙+隔水帷幕土钉墙+微型桩土钉墙+隔水帷幕+预应力锚杆杆土钉墙+微型桩+预应力锚杆杆土钉墙+搅拌桩+微型桩土钉墙+隔水帷幕+微型桩+预应力锚杆杆复合土钉墙墙概述类型与普通土钉钉墙相比对土层的适适用性更广广、更强，，几乎可适适用于各种种土层整体稳定性性、抗隆起起及抗渗稳稳定性更高高增加了支护护深度有效控制水水平变形保持了土钉钉墙造价低低、工期快快、施工方方便、设备备简单等优优点复合土钉墙墙概述特点土钉与锚杆杆的比较概述锚杆土钉拉力分布自由段不与土接触，拉力从自由端交界处向尾端单调递减拉力沿全场分布，中间大两端小对土体的约束机制通常施加预应力，主动约束挡土结构变形需借助土体变形，是被动受力密度及施工要求密度小，每根都是重要部件密度大，允许个别破坏设计承载力与锚头结构设计承载力较大，锚头构造复杂设计承载力小，结构简单施工规模长度一般不小于15m，直径不小于130mm，施工机械设备大长度小，直径小，设备简单挡土墙机理视主动区土体为荷载，通过锚杆传递至稳定区通过加筋将最危险滑动面主动区的土体改良为复合土体，将复合土体的荷载传递至滑移面后施工顺序自上而下或自下而上自上而下注浆工艺通常在锚固段二次注浆，高压注浆重力一次注浆墙底压力挡墙下设置基础垂直分力小筋杆长度长短重力式挡土土墙及加筋筋土挡墙均均先构筑挡挡土墙后开开挖，土钉钉墙先开挖挖后筑墙重力式挡墙墙一般视为为刚性墙，，土钉墙是是柔性复合合结构重力式挡墙墙墙趾压力力较大会导导致沉降或或倾覆，而而土钉墙墙墙趾压力较较天然土没没有显著增增加土钉与重力力式挡墙的的比较概述理论上土钉钉密集到一一定程度就就会形成墙墙，达到重重力式挡墙墙的效果，，但实际上上，实践工工程中，土土钉无法达达到这个密密集程度。。含水丰富的的粉细砂、、中细砂、、中粗砂、、砾砂及卵卵石层过于干燥的的砂层、相相对密度较较小的均匀匀度较好的的砂层淤泥质土、、淤泥等软软弱土层膨胀土强度过于低低的土对变形严格格要求的基基坑较深的基坑坑地基灵敏度度较高的土土层对用地红线线有严格要要求的基坑坑土钉墙适用用条件概述地下水位以以上或经人人工降水后后的人工填填土、粘性性土和弱胶胶结砂土。。不适合淤泥质土、、淤泥等软软弱土层太太深厚时超过20m的基坑对变形严格格要求的基基坑地基灵敏度度较高的土土层对用地红线线有严格要要求的基坑坑复合土钉墙墙适用条件件概述不适合土钉的工作作机理及工工作特性土钉置入现现场土体后后，如果土土体不变形形，土钉就就不会受力力。随着往往下开挖或或地表上施施加荷载，，土体发生生变形，于于是通过土土体与土钉钉或土体与与钻孔注浆浆之间的界界面作用使使土钉参与与工作。试试验表明，，土体只要要微小的变变形就可使使土钉受力力。土钉在支护护中所起的的作用显然然与土体变变形的运动动方向有关关。为能充充分发挥土土钉的作用用，土钉的的设置方向向宜与土体体可能发生生的剪切滑滑移面成某某一角度，，使土钉受受拉并能充充分提高土土体的抗剪剪强度；如如果土钉方方向与土体体剪切滑移移面之间的的角度使土土钉受压，，此时甚至至会降低土土体的抗剪剪强度。土钉墙的工工作机理土钉的工作作机理及工工作特性1、箍束骨架作用用：制约土体变形形，并使复合合土体构成一一个整体。2、分担作用：由于土钉有较较高的抗拉、、抗剪强度以以及土体无法法比拟的抗弯弯刚度，当土土体进入塑性性状态后，应应力逐渐向土土钉转移。当当土体开裂时时，土钉分担担作用更加突突出，这时土土钉内部出现现弯剪、拉剪剪等复合应力力，从而导致致土钉体中浆浆体碎裂，钢钢筋屈服。3、应力传递与扩扩散作用：在同等荷载作作用下，由土土钉加固的土土体内的应力力水平比素土土边坡土体内内的应力水平平大大降低，，从而推迟了了开裂的形成成和发展。4、坡面变形的约约束作用：坡面鼓胀变形形是开挖卸荷荷、土体侧向向变位以及塑塑性变形和开开裂发展的必必然结果，面面层对此有很很好的约束作作用。土钉墙的工作作机理设计参数土钉墙的几何何形状和尺寸寸土钉的几何参参数土钉的抗拔力力杆体注浆面层连接件防排水系统隔水帷幕锚杆微型桩土钉墙及复合合土钉墙的设设计计算设计参数及一一般设计原则则土钉墙的几何何形状和尺寸寸土钉墙及复合合土钉墙的设设计计算确定平面尺寸寸时要考虑到到桩基础形式式及施工工艺艺，，为桩桩基施工留出出足够的工作作面土钉墙高度由由开挖深度决决定应尽可能采用用较缓的坡率率以提高安全全性及节约工工程造价，土土钉墙的坡坡比不宜大于于1：0.2有条件应考虑虑分级放坡应尽量避免尖尖锐的转角及及减少拐点设计参数及一一般设计原则则土钉的几何参参数土钉墙及复合合土钉墙的设设计计算直径钻孔注浆型土土钉直径d一般根据成孔孔方法确定。。孔径越大，，越有助于提提高土钉的抗抗拔力，增加加结构的稳定定性，但是，，施工成本也也会相应增加加长度土钉越长，抗抗拔力越高，，基坑位移越越小，稳定性性越好，当土土钉达到临界界长度lcr（非软土中一一般为1.0~1.2倍的基坑开挖挖深度）后，，再加长对承承载力的提高高并不明显，，土钉越长，，施工难度越越大，效率越越低，单位长长度的工程造造价越高间距（包括水水平间距sx和竖向间距sz）密度越大基坑坑稳定性越好好，土钉越长长，土钉密度度越小，一方方面排距因受受到开挖面临临界自稳高度度的限制不能能过大，土钉钉间距过小可可能会因群钉钉效应降低单单根土钉的功功效，故纵横横间距要适合合设计参数及一一般设计原则则土钉的几何参参数土钉墙及复合合土钉墙的设设计计算倾角理想状态下土土钉轴线应与与破裂面垂直直，以便能充充分发挥土钉钉提供的抗力力。钻孔注浆浆型土钉的倾倾角以15°~20°效果最好。钢钢管土钉的最最佳倾角为10°~15°空间布置①最上一排土土钉与地表的的距离（0.5~2m）②最下一排土土钉距坑底位位置（2/3排距>距离>0.5m）③同一排土钉钉一般在同一一标高上布置置④在深度方向向上，土钉的的布置形式大大体有上下等等长、上短下下长、上长下下短、中部长长两头短、长长短相间5种设计参数及一一般设计原则则土钉的抗拔力力土钉墙及复合合土钉墙的设设计计算破坏模式①土钉整条从从土层中拔出出（抗拔强度度破坏）②筋体在破裂裂面附近拉剪剪断裂（抗拉拉强度破坏））③筋体从注浆浆体中拔出（（筋体抗拔强强度破坏）④面层与土钉钉脱落（钉头头强度破坏））计算方法设计参数及一一般设计原则则杆体土钉墙及复合合土钉墙的设设计计算dN/dl=πτd土钉内力沿土土钉全长分布布（a)粘结应应力；（b））拉力设计参数及一一般设计原则则注浆土钉墙及复合合土钉墙的设设计计算土钉一般采用用一次注浆。。采用二次及及多次注浆可可明显提高土土钉的抗拔力力，但是，也也提高了工程程造价。钻孔注浆土钉钉通常采用重重力式注浆，，注浆量较小小，可根据孔孔径计算出来来，水泥用量量一般10~20kg/m。打入钢管注浆浆钉需要较高高的注浆压力力才可将浆液液注入土中，，开孔压力可可达2.0MPa。灌入水泥量量一般要求不不小于15kg/m。面层面层太厚固然然用处不大，，太薄也不合合适，应能覆覆盖住钢筋网网片及连接件件。一般临时时性工程50~150mm，永久性工程程120~300mm。混凝土的设设计强度，按按构造即可，，一般为C15~C25。设计参数及一一般设计原则则连接件土钉墙及复合合土钉墙的设设计计算土钉（锚索））与面层连接接构造图（a)螺母垫垫板连接；（（b）L筋连连接；（c））角钢连接；；（d）锚索索与喷射混凝凝土腰梁、面面层连接设计参数及一一般设计原则则稳定性计算土钉墙及复合合土钉墙的设设计计算设计参数及一一般设计原则则土钉抗力计算算土钉墙及复合合土钉墙的设设计计算土钉墙施工