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1、石家庄经济学院 工程学院 School of Engineering, Shijiazhuang university of Economics,基坑工程 Foundation Protected Engineering,土 钉 支 护,7.1 概述 7.2 土钉支护的基本原理 7.3 土钉喷射混凝土设计与验算 7.4 复合土钉墙支护 7.5 土钉支护施工 7.6 工程实例,概念：土钉支护是由密集的土钉群、被加固的土体、喷射混凝土面层组成，形成一个复合的、能自稳的、类似于重力式挡墙的挡土结构，以此来抵抗墙后传来的土压力和其它作用力，从而使开挖基坑或边坡稳定,7.1 概述,发展概况 土钉支护技术
2、是以新奥法理论为基础发展起来，最早应用这项技术的是法国，几乎同时美国和德国发展土钉技术。 我国应用土钉的首例是1980年太原煤矿设计院王步云等人将土钉用于山西柳湾煤矿的边坡工程。80年代末，北京工业大学和北京农村建筑总公司对插筋补强护坡和素土边坡进行了荷载作用下的破坏试验。解放军总参三所采用的喷锚网支护方法和岩体边坡锚固技术在1992年以后用于城市建筑基坑开挖中的支护，所以沿用喷锚网的名称。 截止1997年我国的广东、海南、北京、山东、湖南、湖北、河南、河北、江苏、四川等省市已完成的土钉工程就超过了300项，其中不少是用于常规支护基坑失稳时的抢险加固或滑坍处理 。,7.1 概述,5.1 概述,
3、新奥法施工是由奥地利学者L . V Rabcewicz1964年提出的一种施工方法，称为新奥地利施工法(New Austrian tunneling Method) ，简称新奥法(NA TM),新奥法施工的基本原理主要有以下四点: (1) 充分利用和发挥围岩的自承能力； (2) 增强围岩的强度，均衡围岩应力的分布并允许围岩有一定程度的变形，以减小对支护的围岩压力； (3) 利用现场的监测值进行反馈施工； (4) 支护结构应与围岩紧密结合，既要有一定刚度以限制围岩变形自由发展，又要有一定柔性以适应围岩适当的变形，需补强支护时宜采用锚杆、钢筋网片以至钢拱架等加固。,7.1 概述,优点：1) 能合理
4、利用土体的自承能力，将土体作为支护结构不可分割的部分 2) 结构轻型，柔性大，有良好的抗震性能和延性 3) 施工设备简单轻便，不需大型的机具和复杂的工艺 4) 施工方便，速度快，不需单独占用场地 缺点：土钉支护的缺点和局限性主要是基坑变形大，由于土钉支护是一种被动受力支护形式，只有土体发生变形时土钉才受力，因此基坑变形位移相对较大。 适用范围：1) 土钉支护主要适用于地下水位以上或经人工降水后的人工填土、粘性土和弱胶结砂土 2) 对于无胶结砂层、砂砾卵石层和淤泥质土，土钉成孔困难，不宜采用土钉支护 3) 对于不能临时自稳的软弱土层，土钉支护的现场施工无法实现，因此也不能采用土钉支护,7.2 土
5、钉支护的基本原理,土钉支护的基本原理：土与土钉共同作用，形成复合体，提高整体稳定性。 北京工业大学试验证明：比素土提高23倍,7.2 土钉支护的基本原理,土钉作用的机理 1) 土钉对复合体的骨架约束作用 骨架有约束土体变形的作用 2) 土钉对复合体起分担作用 分担比例取决于：土钉与土体的相对刚度比；土钉所处的空间位置；复合土体的应力水平 3) 土钉具有应力传递和扩散的作用 非稳定区土体传递(土钉)到稳定区土体，并减少应力集中 4) 坡面变形的约束作用 钢筋网喷射混凝土面板与土钉连接在一起,7.2 土钉支护的基本原理,试验结果反映土钉支护的一些作用机理及其特点 1986年法国的试验结果表明： 1
6、) 土钉墙最大变形发生在顶部，随着深度的增加而减小，整体上比锚杆挡墙的位移要大；墙体内的变形随离开墙面的距离增大而减小。 2) 土钉内力分布不均匀；破裂面附近最大，向两端越来越小,3) 密集土钉加固墙体，类似重力式挡墙，要验算抗滑和抗倾覆安全性 4) 复合墙体后的土压力分布接近三角形，在坡角处土压力减小 5) 很少见到混凝土面板上锚头破坏,7.3 土钉喷射混凝土设计,土钉支护的设计内容 1) 确定土钉平面和剖面尺寸，及分段施工高度 2) 确定土钉布置方式和间距 3) 确定土钉的直径、长度、倾角及在空间的方向 4) 确定钢筋类型、直径及构造 5) 注浆方式、浆体强度指标 6) 喷射混凝土面层设计
7、及坡顶防护措施 7) 土钉抗拔力验算 8) 整体稳定性分析，变形预测和可靠性分析 9) 施工图设计及说明 10) 现场监测和质量控制设计,7.3 土钉喷射混凝土设计,设计原则 1) 设计时确定分段施工高度后，需要进行各施工阶段的整体稳定性分析。 2) 一般按平面应变问题计算，对于基坑面上靠近凹角的区段，可按三维问题的有利影响对设计参数作部分调整，对于靠近凸角的区段，应局部加强。 3) 对于重要的基坑工程，采用有限元法进行计算。,7.3 土钉喷射混凝土设计,设计要求 1) 一般用于基坑在12m左右的边坡，斜面坡为7090。 2) 土钉长度一般为开挖深度的0.51.2倍，其间距12m，土钉与水平面
8、夹角为520。 3) 土钉须和面层有效连接在一起，常设有承压板和加强钢筋 4) 土钉应采用HRB335以上的螺纹钢，钢筋直径为1632mm，钻孔直径为70120mm 5) 喷射混凝土面层厚度宜为80200mm，常用为100mm，喷射混凝土强度等级不低于C20,7.3 土钉喷射混凝土设计,设计要求 6) 混凝土面层应配钢筋网，钢筋网采用级钢筋610mm，间距150300mm，钢筋保护层厚度不宜小于20mm，坡面上下段钢筋网搭接长度应大于300mm 7) 注浆材料宜用水泥浆或水泥砂浆，注浆水泥应采用普通硅酸盐水泥，强度不低于42.5级。注浆方式可采用重力无压注浆、低压注浆、高压注浆和二次注浆。 8
9、) 土钉墙顶部应采用砂浆或混凝土护面，自坡顶1m内应配置与墙面内相同的钢筋，坡顶与坡角应设置排水沟。,7.3 土钉墙的验算,当按设计原则与设计要求完成设计后，需要进行如下的验算： 土钉抗拉承载力的验算 内部稳定性验算 外部稳定性验算 喷射混凝土面层的验算,1、土钉抗拉承载力的验算,Tt试验得到的极限抗拔力(kN/m) D钻孔直径(m) f锚体砂浆与土体间第i层土的粘结强度(kN/m2),7.3 土钉墙的验算,抗拉承载力的设计值 抗拉承载力的标准值,理解两点,怎么验算能否达到这个设计值呢？ 根据基坑侧壁安全等级采用试验和经验估算的方法进行确定,至少能承受的抗拔力,支护需要的抗拔力,设计值1.25
10、倍的标准值,对于二级基坑，采用f的平均值与滑裂面外的稳定长度之积，与设计值相比较,1、土钉抗拉承载力的验算 土钉长度验算,H,R,Tuj第j个土钉滑裂面外的抗拔力(kN) D钻孔直径(m) Lbj第j个土钉伸入破裂面外的稳定长度(m) qsik锚体砂浆与土体间第i层土的粘结强度(kN/m2),Lbj,7.3 土钉墙的验算,对于三级基坑，采用下式验算达到设计值,Tjk第j个土钉受拉荷载标准值(kN) Sxj Szj土钉水平与垂直间距(m)；,7.3 土钉墙的验算,1、土钉抗拉承载力的验算,荷载折减系数 坡面与水平面夹角； 土钉所在土体的内摩擦角；,A钢筋截面积(mm2) Tujmax 各层土钉最
11、大设计值； fy钢筋抗拉强度设计值(N/mm2),1、土钉抗拉承载力的验算截面积验算,7.3 土钉墙的验算,7.3 土钉墙的验算,当按设计原则与设计要求完成设计后，需要进行如下的验算： 土钉抗拉承载力的验算 内部稳定性验算 外部稳定性验算 喷射混凝土面层的验算,2、内部整体稳定性分析平衡法,s滑动单元厚度； wi 第i分条的自重； i 土钉与水平面夹角 i 第i分条滑裂面处中点切线与水平面夹角； Li第i条滑裂面处弧长 Tnj第j个土钉滑裂面外的极限抗拔力,7.3 土钉墙的验算,滑裂面平面与圆弧,7.3 土钉墙的验算,当按设计原则与设计要求完成设计后，需要进行如下的验算： 土钉抗拉承载力的验算
12、 内部稳定性验算 外部稳定性验算 喷射混凝土面层的验算,密集的土钉组成的复合体可将其视为重力式挡土墙，从试验得出，破坏时明显具有平移和转动性质,H,W,B,Fi,Pi,KH抗滑动安全系数，1.2 Eax 墙后主动土压力； Fi假设墙底断面上产生的抗滑合力,7.3 土钉墙的验算,3、外部整体稳定性分析平衡法,抗倾覆稳定性验算,H,W,B,Fi,Pi,KQ抗倾覆安全系数；1.3 Ti第i个土钉受到的土压力；,7.3 土钉墙的验算,7.3 土钉墙的验算,当按设计原则与设计要求完成设计后，需要进行如下的验算： 土钉抗拉承载力的验算 内部稳定性验算 外部稳定性验算 喷射混凝土面层的验算,7.3 土钉墙的
13、验算,可按连续板进行面板的跨中和支座截面的受弯、支座截面的受剪验算，参考混凝土结构设计规范,4、喷射混凝土面板验算,5.3 土钉墙的验算,例题：某基坑开挖深度为8m，黏性土层， =22，=18.0kN/m3，c=15kPa，土层与锚固体的极限摩阻力标准值40kPa，土钉墙坡面与水平面夹角为80 ，土钉竖向间距为1.5m，水平向间距为2m，土钉与水平夹角为15 ，锚固体直径为d=0.12m，地面超载20kPa。无地下水。试计算土钉的抗拔承载力？,5.4 复合土钉墙支护,复合土钉墙支护，即是将土钉墙与其他支护技术有机结合的复合支护体系，是一种改进或加强型土钉墙。 常用的复合土钉墙类型： 1、土钉墙
14、止水帷幕预应力锚杆 2、土钉墙预应力锚杆 3、土钉墙微型桩预应力锚杆 4、土钉墙微型桩止水帷幕预应力锚杆,5.4 复合土钉墙支护,复合土钉墙验算,复合土钉墙与土钉墙计算类似，不同的是在整体稳定性分析中，要考虑其他支护技术的有利影响，,s、As、SL搅拌桩、微型桩抗剪强度设计值和面积、间距； PNj、Sm预应力锚杆的承载力设计值与间距； 、为折减系数，在0.51.0间选值。,5.4 复合土钉墙支护,构造要求,1) 除使用钻孔注浆的土钉外，常常使用新型预应力土钉、二次注浆土钉等 2) 复合土钉墙中锚杆的抗拉荷载不宜过大，一般小于300kN，面层上锚杆位置一般设置连梁。 3) 复合土钉墙的水泥强度一
15、般要求较高 4) 微型桩一般使用100300mm的钻孔灌注桩、钢管桩、型钢桩等，常嵌入坑底以下23m处。,5.5 土钉支护施工,工艺流程,1、按设计要求开挖工作面，修正边坡 2、喷射第一层混凝土 3、钻孔安装土钉,5.5 土钉支护施工,工艺流程,4、注浆 5、帮扎钢筋网,5.5 土钉支护施工,工艺流程,6、喷射混凝土面层,5.5 土钉支护施工,工艺流程,7、设置坡顶和坡底的排水装置,5.5 土钉支护施工,施工监测,5.6 工程实例,拟建邯郸市水源宾馆位于邯郸市邯山区自来水公司原水厂内，主楼建筑物地上为26层，地下2层，主体结构型式为框架筒体，桩筏基础，筏板基础垫层底标高为：-11.9m，主楼基
16、坑长宽约为60m55m，北部裙楼地上3层，地下2层，主体结构型式为框架结构，基础型式为钢筋砼筏基，南部裙楼地上3层，地下1层，主体结构型式为框架结构，基础型式为钢筋砼筏基，拟建宾馆楼场地及其周围的环境条件为：场地原为水厂及游泳池，原有建筑物大部分拆除，平整后场地地形较平坦，北侧为空旷地带，无构建筑物，场地东侧为中华大街，南侧为水厂南路，均距基坑边缘较远，东侧为滏阳河也距基坑边缘较远，具有放坡开挖的空间，由于基坑开挖较深、挖土方量较大，基坑开挖采取放坡和护坡相结合的方式，以保证基础施工的顺利进行和周围建筑施工场地的要求,5.6 工程实例,根据煤炭工业邯郸设计研究院提供的岩土工程勘察报告，该区地层
17、主要为杂填土、冲洪积的粉质粘土、粉细砂、园砾土及卵石土等组成，地下水埋深约2.54.8m，本场地由于受废弃滏阳河的影响，地下水位变化幅度较大，在沿河附近的钻孔水位明显偏高，在远离河一带地下水位要低 。,5.6 工程实例,土钉墙主要用于土质较好地区，我国华北和华东北部一带应用较多，目前我国南方地区亦有应用，有的已用于坑深10m 以上的基坑，稳定可靠、施工简便且工期短、效果较好、经济性好、在土质较好地区应积极推广。 结合本工程实际特点和地区基坑支护经验，从安全性，经济性，可行性方面考虑，最后决定采用土钉墙支护方案,支护选型,5.6 工程实例,针对本地区基坑支护的成功经验及本场区的场地及岩土条件，可
18、供考虑的主要基坑施工方案有： (1) 1：1放坡开挖。由于本工程具有放坡开挖的场地条件，故可采取放坡开挖。但若主楼基坑采用全放坡方案，势必造成开挖量及回填土量大，开挖土方堆放现场占地多，影响布局且施工周期延长，故经分析比较裙楼部位可采用放坡开挖，主楼基坑不宜采用全放坡开挖。 (2) 全土钉墙支护。具有施工速度快，对周围环境影响小，造价低，支护稳定可靠的特点，但经费用对比分析，采用全土钉墙支护方案较放坡开挖的费用高约50，故不予采用。 (3) 上部1：1放坡+下部土钉墙支护。它既克服了开挖量及回填土量大的缺点，又吸取了土钉墙造价低、施工速度快，不单独占用工期等诸多优点，同时从经济角度分析，此方案
19、与放坡开挖相比，费用相差无几，故本工程优先考虑为首选方案,5.6 工程实例,C,D,O,45+/2,La1,La2,La3,La4,La5,Lo1,Lo2,Lo3,Lo4,Lo5,1：0.2,1：1,土钉支护初步设计： 1) 孔直径确定为do=120mm 2) 钉间距：水平方向Sh=1.2m，垂直方向Sv=1.2m 3) 土钉倾角：该土钉为钻孔注浆型， =15 4) 注浆强度：不低于M15的水泥浆喷射混凝土厚度及强度：砼厚度为80mm100mm，强度等级为C20，钢筋网为6.5 200 200,5) 挖坡面坡度：深基坑(-11.9m)的主楼放坡的坡度系数为1.0，下部土钉墙支护的坡面坡度系数为
20、0.2。 6) 长度取1.15.66m,4.9m,5.7,6.9,8.1,5.6m,9.3,10.5,5.7 工程实例,1、土钉抗拔承载力验算,自重和地表均布荷载作用下，每一个土钉所受的最大拉力标准值,土钉的倾角 P土钉长度中点所处深度位置上的侧压力 Pi土钉长度中点所处位置上由支护土体自重引起的侧压力 Pq地表均布荷载引起的侧压力 SV土钉的垂直间距 Sh土钉的水平间距,N = PSVSh / cos P = Pi + Pq,5.6 工程实例,5.6 工程实例,1、土钉受土压力验算,第一道土钉： N1 = PSVSh/cos = 38.351.21.2/cos15 = 44.60 kN,第二
21、道土钉 第三道土钉 第四道土钉 第五道土钉,C,D,O,45+/2,La1,La2,La3,La4,La5,Lo1,Lo2,Lo3,Lo4,Lo5,1：0.2,1：1,4.9m,5.7,6.9,8.1,5.6m,9.3,10.5,5.6 工程实例,2、土钉锚固长度的验算,C,D,O,45+/2,La1,La2,La3,La4,La5,Lo1,Lo2,Lo3,Lo4,Lo5,1：0.2,1：1,4.9m,5.7,6.9,8.1,5.6m,9.3,10.5,5.6 工程实例,3、土钉滑裂面内的长度计算,AO 土钉至基坑底的距离 (m) Loi 各排土钉滑裂面内的长度 (m) 土钉倾角 基坑坡面坡度
22、78.7o,C,D,O,45+/2,La1,La2,La3,La4,La5,Lo1,Lo2,Lo3,Lo4,Lo5,1：0.2,1：1,4.9m,5.7,6.9,8.1,5.6m,9.3,10.5,5.6 工程实例,3、土钉滑裂面内的长度计算,第一道土钉,第二道土钉,第三道土钉 Lo3 =1.63m,第四道土钉 Lo4 =1.50m,第五道土钉 Lo5 =0.55m,5.6 工程实例,4、土钉受拉钢筋截面积确定,第一道土钉,第二道土钉,第三道土钉,5.6 工程实例,5、内部稳定性分析,5.6 工程实例,6、抗滑移安全系数,Ft 假设墙底断面上产生的抗滑合力 (kN ) Ft = (HB+qB)
23、SHtan + c B SH B 墙体宽度取值为0.40.8H，取8.4m Eax 墙后主动土压力,H,W,B,Fi,Pi,Ft = (HB+qB)SHtan + c B SH = 9.610.58.4+108.4)1.2tan15 + 218.41.2 =794.54 kN,5.6 工程实例,7、抗倾覆稳定性验算,C,D,O,45+/2,La1,La2,La3,La4,La5,Lo1,Lo2,Lo3,Lo4,Lo5,1：0.2,1：1,4.9m,5.2,6.3,7.4,5.6m,8.5,9.6,为加权平均容重；,主要内容,一、概念： 土钉墙，复合土钉支护 二、简答 土钉的作用机理包括那几个方面？ 简要说明土钉支护的设计原则和构造要求？ 如何对土钉进行施工？ 土钉施工监测的内容包括那些？ 三、计算 课后7.5,