土钉墙计算与实例

土钉墙的设计一、土钉墙的设计土钉几何尺寸设计土钉长度设计计算公式L＝mH+S0式中：m为经验系数一般可取0.7→1.2；S0为止浆器长度一般可取0.8→1.5m；H为边坡的垂直高度（m）。土钉间距设计由下式确定sxsy≤kldhL式中：sx、sy为土钉行距、列距；dh为土钉孔直径，由施工钻机确定，一般为90→200mm；kl为注浆系数，一次压力注浆，取1.5→2.5。土钉钉材直径db按下式估算db＝（20→25）÷1000×sxsy同时按土钉过量伸长或屈服进行土钉直径验算，按界面摩阻力进行锚固力计算。二、土钉墙内部稳定验算土钉墙土压力计算及潜在破裂面确定假定潜在破裂面为双折线，既墙顶至墙顶以下0.75H范围内的破裂面为直线，其下为斜线（图8-3）。图8-3土钉墙面层后土压力强度公式为q＝mekγh式中：me为工作条件系数，临时支撑为1.1，永久支撑为1.2；k为土压力系数，K＝0.5（k0+ka），k0、ka分别为静止土压力和主动土压力系数；γ为土容重；h为土压力作用点到坡顶的距离，当h≤0.5H时，h取实际值，当h＞0.5H时，h取0.5H。土压力分布见图8-3。抗拉断裂验算πdb2fy／4Ei≥1.5式中：Ei为第I列单根土钉所承担的土压力，Ei＝qisxsy；fy为钉材抗拉设计值（kPa）；qi为第I列单根土钉所在位置面层后土压力强度。抗拔验算在土压力作用下，土钉应具有足够的界面阻力而不被拔出，应满足下式τπdhLei／Ei≥Fs式中：Lei为第i列土钉有效锚固长度；τ为锚孔对砂浆的极限剪应力（kPa）；Fs为安全系数，取1.3→2.0，永久工程取大值。土钉墙的设计内容对于一般土钉墙工程，设计内容为：根据总体设计布置确定土钉墙的平、剖面尺寸；根据边坡岩土特征确定分层施工高度；确定土钉布置方式和间距；确定土钉的直径、长度和倾角；确定土钉钢筋的类型、直径和构造；注浆配比和注浆方式；喷射混凝土面板设计及坡顶防护设计；土钉墙内部及整体分析；排水系统设计；10、现场监测和质量控制设计。土钉墙设计的一般原则土钉墙高度一般控制在20m以内，墙面胸坡为1：0.1→1：0.4，根据地形地质条件，边坡较高时设多级。多级墙上、下两级之间应设置平台，平台宽度不宜小于2m，每级墙高不宜大于10m。单级土钉墙高宜控制在12m以内。土钉的长度一般为墙高H的0.4→1.0倍（即0.4H→1.0H）。岩质边坡宜为0.4H→0.7H，岩性较差及地下水发育时取大值；非饱和土土质边坡宜为0.6H→1.0H。土钉间距宜为0.75→2m，与水平面夹角宜为50→200。土钉墙设计应遵循“保住中部、稳住坡脚”的原则。现场量测结果表明，沿支护高度上下分布的土钉，其受力为中间大、上部和下部小。而数值分析结果表明，土钉墙坡脚应力集中明显。因此设计时边坡中部的土钉宜适当加密、加长，坡脚用混凝土脚墙加固，并使之与土钉墙连成一个整体。土钉墙分层开挖高度土层一般为0.5→2m,岩层一般为1.0→3m。每一层开挖的纵向长度（分段长度），取决于岩土体维持不变形的最长时间及施工流程的相互衔接。土钉墙的设计计算潜在破裂面的确定土钉墙内部加筋体分为锚固区和非锚固区，其分界面为潜在破裂面。根据大量实验和工程实践，土钉内部潜在破裂面简化形式如下图所示，采用以下简化计算方法确定潜在破裂面。hi≤1／2H时，l＝（0.3→0.35）Hhi≥1／2H时，l＝（0.6→0.7）（H－hi）式中：l为潜在破裂面距墙面的距离（m）；H为土钉墙墙高（m）；hi为墙顶距第i层土钉的高度(m)。当坡体渗水较严重或岩体风化破碎严重、节理发育时，l取大值。土钉长度包括非锚固长度和有效锚固长度，非锚固长度应根据墙面与土钉潜在破裂面的实际距离确定。有效锚固长度由土钉内部稳定检算确定。土压力的确定作用于土钉墙墙面板上土压力呈梯形分布如下图，墙高三分之二以上按公式（8-9），墙高三分之二以下按公式（8-10）计算。hi≤1／3H时，σi＝2λaγhiCos（δ-α）（8-9）hi≥1／3H时，σi＝2λaγHCos（δ-α）（8-10）式中：σi为水平土压力（kpa）；γ为边坡岩土体容重（KN／m3）；λa为库仑主动土压力系数；α为墙背与竖直面间的夹角（0）；δ墙背摩擦角（0）。土钉的拉力按下公式计算：Ei＝σisxsy／Cosβ式中：Ei为距墙顶高度第i层土钉的计算拉力（KN）；sx、sy为土钉之间水平和垂直间距（m）；β为土钉与水平面的夹角（0）。土钉墙内部稳定检算土钉抗拉断检算土钉钉材抗拉力按下式计算：Ti＝1／4πdb2fy式中：Ti为钉材抗拉力（KN）；db为钉材直径（m）；fy为钉材抗拉强度设计值（kpa）。土钉抗拉断检算按下式计算：Ti／Ei≥Kl式中：Kl为土钉抗拉断安全系数，取1.5→1.8，永久工程取大值。土钉抗拔稳定检算根据土钉与孔壁界面岩土抗剪强度τ确定有效锚固力Fi2，按下式计算：Fi1＝πdhleiτ式中：dh为钻孔直径（m）；lei为第i根土钉有效锚固长度（m）；τ为锚孔对砂浆的极限剪应力（kpa），按下表选用。根据钉材与界面的粘结强度τg确定有效锚固力Fi2，按下式计算：Fi2＝πdbleiτg式中：τg为钉材与砂浆的粘结力（kpa），按砂浆标准强度fck的10%取值；db为钉材直径（m）。土钉抗拔力Fi取Fi1和Fi2中的小值。土钉抗拔稳定检算按下式计算：Fi／Ei＞K2式中：K2为抗拔安全系数，取1.5→1.8，永久工程取大值。土钉墙整体稳定性检算内部整体性检算算检算时应考虑施施工过程每每一分层开开挖完毕设设置土钉时时施工阶段段及施工完完毕使用阶阶段两种情情况,根据潜在在破裂面(对土质边边坡按最危危险滑弧面面)进行分条条分块，计计算稳定系系数（见下下图）。公式8-17K＝（ΣciLiSx+ΣwicosαitaanφiSx+Σ（i＝1→n）Picosβi＋Σ（i＝1→n）Picosβitanφi）/ΣWicosαiSx式中：ci为岩土的的粘聚力（Pa）φi为岩土的内摩擦擦角Li为分条（块）的的潜在破裂裂面长度（m）Wi为分条（块）的的重量（KN/m）αi为破裂面与水平平面夹角βi为土钉轴线与破破裂面的夹夹角Pi为土钉的抗拔能能力，取Fi和Ti中的小值值（KN）n为实设土钉排数数Sx为土钉水平间距距（m）K为施工阶段及使使用阶段整整体稳定性性系数，施施工阶段K≥1.3，使用阶阶段K≥1.5。土钉墙外部稳定定性检算按重力式挡土墙墙方法进行行检算将土钉及其加固固体视为重重力式挡土土墙，按重重力式挡土土墙的稳定定性检算方方法,进行抗倾倾覆稳定、抗抗滑稳定及及基底承载载力检算。Ⅰ、土压力计算土钉墙简化成挡挡土墙，其其厚度不能能简单地按按土钉的长长度来计算算，只能考考虑被土钉钉加固成整整体的那一一段，如下下图所示。挡挡土墙的计计算厚度一一般按照土土钉水平长长度的2/3→11/112选取。B00＝（2/3→11/112）LcosβH00＝H＋B0tanii/（1-taanα×tanni）Exx＝1/2γH02λxEEx＝Extan（δ-α）式中：L为土钉钉长度，当当多排土钉钉不等长时时取其平均均值（m）；β土土钉与水平平面的夹角角；ii坡顶地平平面与水平平面的夹角角；HH土钉墙的的设计高度度（m）；HH0土压力计计算高度（m）；γ边坡岩土土体容重（KN/mm3）；λλx为库仑主主动水平压压力系数。Ⅱ、抗滑动稳定验验算抗滑安全全系数KcKc＝∑N.taanφ／Ex≥1.3Ⅲ、抗倾覆稳定验验算KK0＝∑My/∑M0≥1.5Ⅳ、地基承载力验验算基底合合力偏心距距e＝B0/2－(∑My－∑M0)/∑N地基承承载力当e≤B0/6时σ＝∑N/BB0(1+6e/B0)≤[σ]当e≤B0/6时σ＝2∑N/3((B0/2－e)≤[σ]式中：∑N为作用于于土钉墙基基底上的总总垂直力（KN）；∑My稳定力系对墙趾趾的总力矩矩（KN.m）；∑M0倾覆力系对墙趾趾的总力矩矩（KN.m）；φ土钉墙边坡岩土土综合内摩摩擦角；e基底合力的偏心心距（m）。园弧稳定性检算算对于土质边坡、碎碎石土状软软岩边坡，还还应进行园园弧稳定性性检算。最最危险滑弧弧面应通过过土钉墙墙墙底，除下下部少数土土钉穿过圆圆弧外，大大多数土钉钉均在圆弧弧以内，最最危险圆弧弧面确定后后，可用简简单条分法法进行稳定定性计算，计计算公式同同（8-17）。计算算时应计入入穿过最危危险园弧面面一定长度度的土钉作作用力，其其稳定系数数一般按1.21.3选取。达达不到要求求时，宜加加长土钉或或适当设置置锚索，以以满足外部部整体稳定定要求。土钉墙工程实例例一山西柳湾煤矿边边坡土钉墙墙工程工程概况山西晋中煤矿生生产调度楼楼位于黄土土陡坡边缘缘,坡顶2.55m处有高高压线铁塔塔。由于场场地限制及及生产工艺艺的要求，需需扩挖切坡坡，形成坡坡角800、垂直高高度10..2m、一一坡到顶的的陡边坡，边边坡长度为为40m。边坡土质为褐黄黄色粉质粘粘土，土质质均匀。其其物理、力力学指标如如下表指标含水率w（%）天然重度γ（KKN/m33）空隙比e塑性指数Ip液性指数Il内摩擦角（0）粘聚力c（Kppa）采用值15.017.51.0111.702315设计计算初选土钉参数由经验公式（88-1），取m＝0.75，S0＝1.5m，H＝10.22m土钉长度：L＝＝mH+SS0＝9.155m，选取9.0m。土钉锚固体直径径采用dh＝200mmm。间距sx、sy由式（8-2）确定，本本工程取kl＝1.5，sx＝sy＝1.2m。参照经验公式（８-３），选用土钉钉材直径ｄｂ＝２５ｍｍ。２、土钉墙内部部稳定性验验算土钉界面摩阻力力由原位抗抗拔实验确确定，τ＝２５ｋｋｐａ。土钉墙上的土压压力分布及及潜在破裂裂面形式见见下图。抗拉断裂验算按最危险处计算算，单根土土钉所承担担的最大土土压力，ＥＥｉ＝ｑｉｓｘｓｙ＝６９.１２ＫＮＮπｄｈ２ｆｙ/４Ｅｉ＝２.２２≥１.５满足足抗拉断要要求抗拔验算在土压力作用下下，土钉应应具有足够够的界面摩摩阻力而不不被拔出。τπｄｈＬｅｉ/Ｅｉ＝２２５×３.１４×０.２０×（９－３.０６）/６９.１２＝１.３５≥１.３满足抗拔要求３、土钉墙外部部稳定性验验算将土钉墙视为重重力式进行行抗倾覆抗抗滑移稳定定性验算，其其稳定系数数均大于１１.５，满足足要求，详详细验算不不再赘述。土钉墙施工本工程采用螺纹纹钻成孔，孔孔径为１２２０ｍｍ和和２００ｍｍｍ两种，孔孔深９ｍ，采采用０.６ＭＰａ压力空气气将孔内残残渣清除。孔孔内放置φ２５螺纹纹钢筋，尾尾部设置弯弯钩。在孔孔口１.５ｍ深度度范围内设设置止浆塞塞，通过注注浆管由孔孔底注浆，注注浆压力００.２→０.３ＭＰａａ。坡面混凝土面板板分两次进进行喷射，第第一次喷射射厚度为１１０ｃｍ，第第二次为８８ｃｍ，中中间挂网距距为１０００ｍｍ的φ２钢丝网网，钢丝网网与土钉端端部紧密绑绑扎。工程实例二南昆铁路路破碎软岩岩路堑高边边坡土钉墙墙试验工程程一工程概况南昆铁路板桃站站东土钉墙墙试验段位位于广西田田林县境内内，地面横横坡300→400，地层上上覆第四系系坡残积土土，厚0→4m；下伏三三跌系木兰兰组泥岩夹夹砂岩，强强风化带→全风化带带，厚16→20m。段内为为单斜构造造，受区域域构造塘兴兴—潞城大断断裂带影响响，岩体破破碎、扭曲曲严重。泥泥岩夹砂岩岩全风华带带(w4)力学指标标为φ＝22.440，c＝28kppa，近于土土体。铁路路以路堑通通过，中心心最大挖深深13.4米，因地地面横坡较较陡，无法法采取放坡坡开挖。从从相邻路堑堑施工情况况看，如按按传统的方方法先开挖挖再设挡土土墙，在开开挖过程中中边坡就出出现坍滑。为为确保该路路堑顺利施施工，在此此处开展了了破碎软弱弱岩质路堑堑高边坡支支挡防护工工程实验研研究。该边边坡岩土物物理力学参参数见表8-2。岩土物理理力学参数数表8-2岩土名称天然容重(kNN/m3)粘聚力c(kppa)内摩檫角(0))粉质粘土18.621.522.4全风化泥岩夹砂砂岩19.528.022.4强风化泥岩夹砂砂岩23.333.035.5土钉墙支挡方案案，最大墙墙高21米，为两两级土钉墙墙，土钉墙墙边坡大部部位于泥岩岩夹砂岩全全风化带（W）中。主主要工程数数量：土钉钉总长度180000m，喷射混混凝土450mm3，工程造造价269万元。预加固桩方案，采采用分级开开挖，坡脚脚设置预加加固桩。上上部护墙高高12m，下部桩桩长24m，桩截面2m*33m，桩间挡挡土墙高15m。主要工工程数量：：钢筋混凝凝土26000m3，浆砌片片石32000m3，工程工工程造价285万元。由于土钉墙具有有机械化程程度高、施施工人员少少、消耗材材料少、所所需工期短短、边坡暴暴露时间短短、成本相相对较低等等优点，设设计最终采采用了土钉钉墙支挡加加固方案。设计计算选取各设计参数数土钉墙边坡岩土土综合摩檫檫角φ＝400。因边坡坡较高，故故设计两级级土钉墙，每每级墙高10m，总墙高H＝20m，中部平平台宽2m，土钉墙墙胸坡760（α＝140）。土钉长度初选为为0.4H，既L＝8m；土钉钻钻孔直径dh由施工机机械而定，本本工程dh＝100mmm。间距sx、sy由经验公公式sxsy≤kldhL确定，本本工程取k1＝1.5，sx＝sy＝1.0m。土钉钉材直径参参照经验公公式db＝(20→25)××10-33sxsy，上部选选用φ20、中部及及下部选用用φ25Ⅱ级螺纹钢钢。根据“保住中部、稳定定坡脚”的原则，将将土钉中部部平台上下下各3排土钉加加长10m。土钉墙潜在破裂裂面根据式（8-77）、（8-8）：hi≤1/2H＝10m时，l＝0.355H＝7mhi＞1/2H＝100m→20时，l＝0.7（H－Hi）＝7→0m土钉所承受的土土压力根据式（8-99）、（8-10）：hi≤1/3H＝6.7m时，σi＝2λaγhiCos（δ-α）＝5.288hhi≥1／3H＝6.7时，σii＝2λaγHCos（δ-α）＝70..4kN//m2其中库仑主动土土压力系数数λa按延长墙墙背法计算算，λa＝0.2664，墙背摩摩檫角δ＝200。土钉墙内部稳定定性计算土钉抗拉断检算算（选取受受力最大的的土钉检算算）h=6..6m(第7排土钉)σ7＝5.288h＝34.88kN/mm2土钉墙抗拉断检检算（选取取受力最大大的土钉检检算）h＝6.6m（第77排土钉）σ7＝5.288h＝34.88kN/mm2E7＝σ7sxsy/cosβ＝334.8××1×1÷÷cos1140＝35.99kN选用φ20Ⅱ级螺纹钢，抗拉拉强度设计计值为310NN/mm22土钉钉材抗拉力力T7＝1/4ddh2fy＝97.33kNK1＝T7/E7＝2.7＞1.8（满足要要求）Hi＞1/3H＝6..7m，σi＝70.44kN/mm2Ei＝σisxsy/cosβ＝770.4××1×1÷÷cos1140＝72.66kN选用φ20Ⅱ级螺纹钢Ti＝1/4πdb2fy＝152..1kNKl＝Ti/Ei＝2.77＞2.1（满足要要求）土钉抗拔稳定性性检算(选取受力力大且有效效锚固段最最短的土钉钉检算)选取第7排土钉钉,有效锚固固段长度L＝8-7＝1m,EE7＝35.99kN选取第11排土土钉,有效锚固固长度L＝2.3mm,E7＝72.66kN由现场拉拔实验验,孔壁摩擦擦阻力τ＝210kkPaFF71＝πdhleiτ＝3.144×0.11×1×2210＝65.99kNFF111＝πdhleiτ＝3.144×0.11×2.33×2100＝151..7kN钉材与砂浆间的的粘结力τg＝10000kPaF72＝πdblleiτg＝3.144