（地质工程专业论文）基坑土钉支护技术.pdf

三塞堡圭丝塞 摘要 土钉支护技术是一种新型基坑支护形式，近年来已在我国基坑工程中广泛应用，并取 得了良好的经济效益和社会效益。但是土钉支护的工作原理和稳定性研究尚是空白，没有 相应的计算分析方法，主要按照建筑基坑支护规程( j g j l 2 0 - 9 9 ) 、基坑土钉支护技术规程 ( c e c s 9 6 ：9 7 ) 和经验进行，然后用北京理正软件或同济启明星软件进行验算而得，理 论研究的落后严重制约了土钉支护技术的进一步发展。 在前人对土钉及复合土钉研究基础上，根据目前土钉支护的研究现状和工程实际需 要，采用理论研究、工程实例研究相结合的方法，对土钉支护技术的工作原理进行了系统 全面的分析和研究，得到了土钉支护机理及性状的一些有益成果，建立了土钉支护的简单 经济的经验公式。主要研究内容如下： ( 1 ) 阐述了土钉支护的产生和发展，指出了土钉支护的优点及局限性。 ( 2 ) 总结了土钉支护的构造、工艺、施工组织。 ( 3 ) 研究了土钉支护机理，对工程实例进行计算分析 ( 4 ) 研究了复合土钉支护性状，分析了复合土钉支护设计参数的优化，提出了土钉 设计参数的建议值 关键词：基坑；土钉；复合土钉支护；稳定性 工程硕士论文 s o i ln a i l i n gi san 哪b r a c i n gs t r u c t u r eo ff o u n d a t i o np i t i nr e c e n ty e a r s , s o i ln a i l i n gh a s b e e nu s e dw i d e l yi nt h en a t i o n , a n dh a so b t a i 埘c dg o o de c o n o m i cp e r f o 加1 a n a n ds o c i a l p e r f o r m a n c e b u tu pt on o wt h es o i ln a i l i n g sw o r km e c h a n i s ma n d 啦a b i l i t ys t u d yi sa b l m 止t h e r ea mn oc a l c u l a t i o na n a l y s i sm e t h o d sf o rs o i ln a i l i n ga n dt h ed e s i g no fi tm a i n d e p e n d so l le x p e r i e n c e t h eb e h i n ds c h e d u l et h e o r i e sr e s e a r c ho b s t r u c t st h es o i l i n gn a i l i n g s f u r t h e rd e v e l o p m e n t o nt h es o i ln a i l i n ga n dc o m p o u n ds o f tn a i l i n gr e s e a r c hf o u n d a t i o n , a c c o r d i n gt os o i ln a i l i n g p r e s e n tr e s e a r c hc o n d i t i o na n dt h ee n g i n e e r i n ge f f e c t i v ed e m a n d , t h es t a b i t i t yo f s o i ln a i l i n gi s s t u d i e ds y s t e m a t i c a l l yb ym e t h o d so ft h e o r i e sr e s e a r c ha n dc 蹴r e s e a r c h s o m eb e n e f i c i a l r e s u l t so f s o i ln a i l i n g sm e c h a n i s ma n di 毙h a v i o r sa r eg o t t e na n dt h ea n a l y s i sm o d e la n dm e t h o d o f s o i ln a i l i n g s t a b i l i t ya r ee s t a b l i s h e d m a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa sf o l l o w s ： ( 1 ) p r o d u c i n ga n dd e v e l o p m e n to fs o i ln a i l i n g 眦i n t r o d u c e d t h ea d v a n t a g ea n d t h el o c a l i z a t i o no f t h es o i ln a i l i n g 黜p o i n to u t ( 2 ) t h ec o n f o r m a t i o n , c r a n , c o n s u u c g o n o r g a n i z a t i o n o fs o i l n a i l m g a r e s u m m a d z e d ( 3 )s t u d i e dt h ew o r km e c h a n i s mo fs o i ln a 峨t h es t a b i l i t ya n a l y s i si se x a m i n e d b ya n a l y s i sa 培i n 船f i l | gc a ( 4 ) t h eb e h a v i o r so fs o i lm i l i n ga s t u d i e d ，a n dt h eo p t i 玎1 i 2 i n go fs o i ln m l i n g s d e s i g n e dp m m n c t e ra r eb r o u g h t k e yw o r d ：f o u n d a t i o np i t ；s o i ln a i l i n g ；c o m p o s i t es o i ln a i l i n g ；s t a b i l i t y 扛 工程顾士论文 1 1 本文研究意义 第一章绪论 基坑工程是一个古老而又有时代特点的岩土工程课题，放坡开挖和简易木桩围护可以 追溯到远古时代在2 0 世纪3 0 年代，t e r z a g h i 等人开始系统研究基坑工程问题。在以后 的时间里，世界各国的许多学者都投入这方面的研究，并在这一领域不断取得丰硕的成果。 ( 1 ) 从基坑围护结构形式来讲，从放坡开挖发展到悬臂围护、内撑围护、拉锚围护、 组合型围护等n 】； ( 2 ) 从基坑围护材料来讲，从木桩发展到钢筋混凝土桩、地下连续墙、钢板桩以及通 过地基处理方法采用水泥土挡墙、土钉墙等； c 3 ) 从基坑围护结构受力特点来讲；从被动受力结构发展到主动受力结构、组合型受 力结构； 随着我国工业化和城市化的加速发展，大量高层、超高层建筑以及地下建筑不断涌现， 工程技术人员致力于寻求。安全稳妥、技术先进、经济合理、旄工方便、工期保证、业主 满意”的基坑支护方式。土钉支护作为一种新型的基坑支护方式白1 9 9 2 年在深圳文锦广 场基坑抢险工程中首次成功应用以来，在全国范围内得到了迅速推广，并取得了显著的技 术经济效益。土钉支护在国内基坑支护中已经成为继支撑式支护、板式支护后又一成熟技 术。 虽然土钉支护有许多优点，但目前土钉支护理论还不够成熟，不能满足工程应用的需 要，它的支护机理还不十分了解，同时人们也认识到土钉支护有其局限性，例如没有插入 深度，不能解决基坑底部的隆起、渗流等稳定性问题；受土体性质影响大，当土层软弱不 能提供有效的抗拔力时不能应用；土体如果没有一定的自立高度，则施工不能进行。这一 系列问题使土钉不能应用于软弱、饱和、流砂地层中。 为了克服土钉支护的缺点，复合土钉墙应运而生了复合土钉墙是2 0 世纪9 0 年代研 究开发成功的一项深基坑支护新技术，它是由普通土钉墙与一种或若干种单项轻型支护技 术( 如预应力锚杆、木桩、竖向钢管、微型桩等) 或截水技术( 深层搅拌桩、旋喷桩等) 有机组合成的支护截水体系。复合土钉墙具有支护能力强，适用范围广，可作超前支护， 并兼备支护、截水等性能，是一项技术先进，施工简便，经济合理，综合性能突出的深基 坑支护新技术。复合土钉支护突破了简单土钉支护的应用范围，日益显示出巨大的潜力和 工程颂j ：论文 广阔前景嘲。 由于目前土钉墙设计人员均采用软件进行计算，为了更好的对软件设计进行优化，本 文根据众多工程总结出一套较为简单、经济且适用的经验公式。 1 2 基坑土钉支护现状与问题 1 2 1 土钉支护的产生 土钉支护是在5 0 年代的土层锚杆技术和6 0 年代的加筋土钉墙技术的基础上发展起来 的，由于特别适于挖方工程，并且结构简单、经济，因此国外和国内分别从7 0 年代和8 0 年代迅速地采用和发展了这项技术。 首次应用此技术的是法国。法国承包商b o u y g u e s 于1 9 7 2 年首先在凡尔塞市铁路边坡 开挖工程中成功地应用了土钉墙，他使用了2 5 0 0 0 根钻孔注浆锚杆，加固了高1 4 m ，坡角 7 矿，总加固面积为1 2 0 0 0 m 2 的边坡。1 9 7 4 年，他又将土钉技术第一次用于城区内邻近高层 建筑和繁华街道的地铁车站工程，他首次采用不注浆的击入钉，采用的是0 4 8 钢管，间距 0 7 m x o 7 m 。1 9 7 8 年，在巴黎b o u l e v a r d v i c t o r 地下车库施工中，有采用了5 0 x 5 0 5 角 钢作击入式土钉。此后，土钉技术很快在法国各国各地得到了普及，1 9 8 4 年在法国还发展 了一种高压喷射注浆击入土钉技术到了8 0 年代后期，法国用于新建工程或维持、加固 已有工程的土钉墙项目每年在5 0 个以上，另外，还开展了模型试验和有限元分析等基础 性研究哪。 开发应用土钉技术仅次于法国的是德国。德国承包商k a r lb a u e rag 与k a r l s r u h e 大学的岩土力学研究所联合，从1 9 7 5 年到1 9 8 1 年进行了一项为期四年的研究，耗资2 3 0 万美元，共完成了七个大型足尺土钉墙试验与许多模型试验，另外在不同埋设条件下进行 了上百个抗拔试验，试验主要在砂土中进行。这一研究得出了以下主要结论：土钉墙支 护性能与重力式挡土墙类似；对于直立墙面和水平地表情况，土钉长度以墙高的0 5 0 8 倍为宜( 无地下水) ：钉距应小于1 5 m ；面层压力可视为均布，大小约为库仑主动土 压力的0 4 0 7 倍。德国还于1 9 7 9 年首先在s t u t t g a r t 建造了第一个永久性土钉工程， 高1 4 m ，并进行了长达1 0 年的连续测量，获得了宝贵的数据。 在北美，加拿大的温哥华地区早在6 0 年代末期已经用土钉作为房屋基础开挖的临时 支护，其深度有达1 8 m 的。美国最早应用土钉墙是在1 9 7 4 年，美国一项有名的土钉工程 是彼兹堡p p g 工业总部的深基坑开挖，由于它紧挨已有建筑物，所以开挖时对土层作了注 2 工程硕士论文 浆处理，并且对土钉区内的已有房屋基础用微型桩作了托换在加州高速公路建设中，许 多地方用了土钉墙。英国从8 0 年代起对土钉作过不少研究，他们的工作包括分析方法、 程序开发、离心机试验、土钉内力与支护变形测试以及钉、土相互作用的大型抗剪试验等。 英国还发展了一种将土钉射入土中的气动射击钉技术，初速可达9 0 m s 。 早在7 0 年代应用土钉的国家还有西班牙( 1 9 7 2 年) 、巴西、匈牙利、日本等国家，以 后在印度、新加坡、南非等均有应用和研究土钉支护的报道。 1 9 7 9 年在巴黎召开了一次关于土体加固的国际会议，使土钉支护技术得到迅速发展和 广泛应用，受到了各国土木工程界的极大重视。1 9 9 0 年在美国召开的挡土结构国际学术会 议上，土钉支护已作为一个独立的专题与锚杆挡墙并列，使它成为一个独立的土体加固学 科分支 我国应用土钉墙的首例工程可能是1 9 8 0 年山西柳湾煤矿的边坡稳定工程。山西太原 煤矿设计院王步云等曾较早对边坡土钉工程进行过原位试验。1 9 8 7 年，总参工程兵科研三 所任辉启、刘玉堂等在洛阳王城公园高达3 0 m 、长2 0 0 余米的高坡护岸工程中，首次在国 内采用了注浆式土钉墙与钢筋混凝土粱板护壁结构相结合的办法，实现了高陡边坡的永久 型支护。近年来，深基坑开挖项目愈来愈多总参工程兵科研三所曾宪明等又于1 9 9 2 年 将士钉堵与土中锚杆相结合，用在了深基坑开挖的支护及加固土，称其为深基坑开挖的“喷 锚网支护法”冶金都建筑科学研究总院程良奎等也在深基坑开挖的土顶支护技术与研究 上做了许多工作。从事土钉技术的还有原水利电力部等一些工程单位。目前这项技术已在 我国的广东、海南、北京，山东、湖南、湖北、河南、江苏、四川、河北、云南、浙江等 省市应用，并取得了巨大的社会效益。仅自1 9 9 0 年以来已完成的土钉工程就己超过数百 项，其中不少是用于失稳基坑的抢险加固或坍滑处理。我国在实践上已取得了不少成绩， 一些单位对软弱土层，特别是对高地下水位的土层采用土钉支护施工进行了探索，并取得 了不少经验。 1 2 2 土钉支护技术的概念及特点哪 土钉墙又称为土钉支护技术( s o i ln a i l i n g ) ，它是在原位土中敷设较为密集的土钉， 并在土边坡表面构筑钢丝网喷射混凝土面层，通过土钉、面层和原位土体三者的共同作用 而支护边坡或边壁。土钉墙体同时也构成了一个就地加固的类似重力式挡土结构。这种技 术采用了类似于土中锚杆的施工方法，而土钉则往往兼有加固与锚固的双重作用，面层的 作用也自然与此相配合。土钉墙技术较好地解决了开挖过程中的原位土坡以及原有自然边 坡的支护问题。与已有的各种支护方法相比，它具有施工容易、设备简单、需要场地小， 工程顾士论文 开挖与支护作业可以并行、总体进度快、成本低，以及无污染、噪声小、稳定可靠、社会 效益与经济效益与经济效益好等许多优点，因而在国内外的边坡加固与基坑支护中得到了 广泛迅速的应用。经验表明，该技术对于地下水位以上或经降水后标贯值大于1 0 的砂质 士或标贯值大于3 的粘性土都可以应用。对于饱和软土应用成本较高，但国内也有不少成 功的先例。 土钉墙的施工技术是一种由上而下分步修建的过程，可按下列顺序进行：按设计要求 开挖工作面，修整边坡，埋设喷射砼厚度控制标志；喷射第一层混凝土；钻孔安设土钉、 注浆、安设连接件；绑扎钢筋网，喷射第二层砼；设置坡项、坡面和坡脚的排水系统。 本文根据当前土钉支护研究应用情况，总结资料，把土钉支护法概括为单独土钉墙支 护法和复合土钉墙支护法。 土钉支护法：以尽可能保持、显著提高、最大限度地利用基坑边壁土体固有力学强度， 变土体荷载为支护结构体系一部分。喷射混凝土在高压气流的作用下高速喷向土层表面， 在喷层与土层间产生“嵌固效应”，并随开挖逐步形成全封闭支护系统，喷层与嵌固层同 具有保护和加固表层土，使之避免风化和雨水冲刷、浅层坍塌、局部剥落，以及隔水防渗 作用。土钉的特殊控压注浆可使被加固介质物理力学性能大为改善并使之成为一种新地质 体，其内固段深固于滑移面之外的土体内部，其外固端同喷网面层联为一体，可把边壁不 稳定的倾向转移到内固段及其附近并消除。钢筋网可使喷层具有更好的整体性和柔性，能 有效她调整喷层与土钉内应力分布。土钶主动支护土体并与土体共同作用，具有施工简便、 快速及时，机动灵活，适用性强、随挖随支、安全经济等特点。其工期一般比传统法节省 3 0 、6 0 天以上，工程造价低l o 旷3 0 ，支护最大垂直坑深目前已达到2 1 5 米，建成淤泥( 局 部杂填土) 基坑深达1 0 米。该方法不仅能有效地用于一般岩土深基坑工程支护，而且通 常还采用一些其他辅助支护措施，能有效地用于支护流砂、淤泥、复杂杂填土、饱和土、 软土等不良地质条件下的深基坑。此外，它还能快速、可靠、经济地对采用传统法或改良 法施作的将要或已经失稳的基坑进行抢险加固处理。 土钉支护似乎与加筋土和锚杆等挡土结构一样，然而土钉支护在结构施工等方面与加 筋土和锚杆有许多不同点。 首先，土钉支护与加筋土边坡或挡墙不相同，主要表现在：施工方法不同。土钉支护 从上到下分布进行修建，边开挖边支护，充分利用原状土的强度。加筋土结构由下到上分 层填土构筑，填料可以选择，密实度和强度可以控制；加筋体最大拉力的变化规律不同。 在加筋土结构中，一般处于下部的筋体受力最大。在土钉支护结构中，一般介于中部的土 工程硬士论文 钉受力最大，上部和底部的土钉受力较小；变形性能不同。土钉支护最大位移发生在支护 边坡顶部或接近顶部，加筋土结构的最大位移在底部。 其次，土钉支护与锚杆支护或挡墙也不相同，主要在于：各部分的受力和作用不同。锚杆 支护或挡墙中的锚杆一般都有锚固段和自由段，利用滑动面以外的锚固段提供抗力，设置 锚杆一般要施加预应力，自由段受到均匀的拉力作用，通过锚座传递到坡面的挡土构件上， 挡土构件的刚度较大，主要通过受弯矩提供抗力，是主要的受力部件之一土钉设置后一 般不施加预拉力。只是在土体发生微小变形后才被动受力，受力的大小沿土钉延长的分布 不均匀，中间大两边小，所作用在面层上的力较小，喷射混凝土面层不是主要受力部件， 其作用是稳定开挖面上的局部土体，防止崩落和受到侵蚀；设置密度不同。在锚杆支护中， 单位支护面积上设置的锚杆数量通常较少，对每根锚杆的施工精度和要求都十分严格。在 土钉支护中，支护面上土钉捧列得较密，对单个土钉的施工精度和质量要求相对较低；设 计长度不同。在锚杆支护中，设计要求每根锚杆都要达到要求的抗力，所以锚轩的锚凰段 需要深入到稳定的土层中，设计长度较长。在土钉支护中，土钉排列较密，数量众多，与 周围土层共同作用，能够保持加固区土体的自身的稳定，并抵抗加固区以外的土压力的作 用，设计长度较短。当然，锚杆有许多种类，也有不加预应力、长度比一般的土钉还要短， 但这种锚杆主要用于隧道或地下工程的喷锚支护上，长度比一般的土钉还要短，常用只有 2 n 4 米。 1 2 3 土钉支护的优缺点比较嘲 士钉支护技术具有如下优点： ( 1 ) 材料用量和工程量少，施工速度快。土钉支护的土方开挖量和混凝土工程量较少， 全部土钉连同面层钢筋网的用钢量非常有限，材料用量远低于桩支护和连续墙支护。在施 工速度上，有的甚至可将工期缩短一半。 ( 2 ) 施工设备轻便，操作方法简单。土钉的制作与成孔不需复杂的技术和大型机械设 旌，施工方法有较大灵活性，施工时对环境的干扰也很小，特别适用于城市地区施工。 ( 3 ) 对场地土层的适应性强。土钉支护特别适合于有一定粘性的砂土、粉土和硬塑与 干硬粘土。对于有局部的软塑粘性土层，在采取一定措施后也可能采用土钉支护。当场地 同时存在土层和不同风化程度的岩体时，应用土钉支护特别有利。 ( 4 ) 结构轻巧，柔性大，有很好的延性。土钉支护自重小，不需作专门的基础结构， 并具有非常良好的抗地震及抗车辆振动的能力。土钉支护即使破坏，一般也不至于发生彻 底倒塌，并在破坏前有一个变形发展过程。1 9 8 9 年美国加州7 1 级地震中，震区内有8 个 5 r 下程硕士论文 土钉结构，估计遭到约0 4 9 水平地震加速度的作用，但都没有出现任何损害现象，其中3 个位于震中3 3 蹦范围内。 ( 5 ) 施工所需的场地较小，不需要单独占用场地，能紧贴已有建筑物进行基坑开挖， 这是桩、墙等其他支护难以做到的。在广州地铁折返段深基坑开挖中，由于地面场地有限， 土钉支护墙面甚至做成向里倾斜。 ( 6 ) 随基坑开挖逐次分段实施作业，不占和少占单独作业时间，施工效率高，开挖一 完成，土钉墙也就建好了，这一点对膨胀土的边坡尤为优越 ( 7 ) 施工噪声和振动小。 ( 8 ) 安全可靠。土钉支护旌工采用边挖边支护，安全程度高。由于土钉数量众多并作 为群体起作用，即使个别土钉出现质量问题或失效对整体影响不大。土钉技术还有一个非 常重要的优点是随时可以根据现场开挖发现的土质情况和现场监测的土体变形数据，修改 土钉的间距和长度。这样万一出现不利情况也能及时采取措施加固，避免发生大的事故。 在土钉支护施工与现场量测监控结合的前提下，土钉比其他支护有更高的安全度。 ( 9 ) 工程造价低，经济效益好。根据欧洲的经验，土钉支护可比一般的背拉锚杆支护 节约总造价l 慨3 嘣，法国报道应用土钉支护比别的支护方法可节省3 0 9 6 5 0 。美国修建 的第一个土钉工程表明可节约总造价3 0 ，而工期则为通常支护的5 傩7 0 我国由于人 工费用相对低廉，机械设备的台班费用较高，据估计土钉支护比起桩、墙等支护可节约造 价3 0 9 l 5 0 。 土钉支护虽然有投资低、旌工速度快、技术经济效益好等优点，但也存在一些缺点和 局限性，主要是： ( 1 ) 现场需要有允许设置土钉的地下空间。如为永久性土钉，更需长期占用这些地下 空间。当基坑附近有地下管线或建筑基础时，则在施工时有相互干扰的可能。 ( 2 ) 在松散砂土、软塑、流塑性粘土，以及有丰富地下水源的情况下不能单独使用土 钉支护，必须与其他的土体加固支护方法想结合。尤其在饱和粘性土及软土中设置土钉支 护更需特别谨慎，土钉在这些土中的抗拔力低，需要有很长很密的土钉，软土的徐变还可 使支护位移量显著增加。在国外，不建议在软土中设置土钉支护。国内已有临时性土钉支 护用于软土的一些成功实侈| i 。 ( 3 ) 如果士钉支护作为永久性结构，则需要专门考虑锈蚀等耐久性问题。 ( 4 ) 土钉支护的变形要略大于预应力锚杆或预应力撑式支护。 6 工程颂士论文 1 。3 复合土钉支护应用现状 近年来，复合型土钉支护在我国有了较多应用，施工工艺不断提高，但设计计算方法 没有多大改进，仍借鉴普通土钉支护的研究成果，沿用其设计分析方法。因此，有必要先 回顾一下普通土钉支护的研究成果，再介绍复合土钉支护研究现状旧 1 3 1 土钉支护的研究成果 大量试验研究得到土钉支护在土体自重作用下的基本工作特点：随着往下开挖，支护 不断向外位移。在匀质土中，支护面的位移沿高度大体呈线形变化，类似绕趾部向外转动， 最大水平位移发生在顶部。但在非匀质土中或地表为斜坡或受有地表重载时，最大水平位 移点的位置可能移向下部。从为数极少的支护破坏现象发现，土钉支护的破坏是一个连续 发展的过程；土钉置入现场土体后，如果土体不变形，土钉就不会受力。随着往下开挖、 地表加载、或土体徐变而发生土体变形，于是通过土体与土钉之间的界面粘结力使土钉参 与工作并主要受拉。量测表明，只要土体发生微小的变形就可使土钉受力；土钉的拉力沿 其长度变化，最大拉力部位随着向下开挖从开始时靠近面层的端部逐渐向里转移，一般发 生在土体的可能失稳破坏面上当土钉长度较短时，土体破坏面可能移出上部土钉之外， 这些钉中的最大拉力一般发生在钉长中部；当破坏面穿过土钉加固的土体，土体被分割成 失稳区和稳定区两个部分。失稳区土体向外运动，土与土钉之间的界面剪力或祜结力的方 向向里，使土钉的拉力从端部逐渐增加并在可能的破坏面上达到峰值。在被动区内，土体 与土钉之间的界面剪力方向向外。土体破坏面上的土钉受拉屈服，或被拔出：不同深度位 置上的土钉，其受到的最大拉力有很大差别，顶部和底部的土钉受力较小，靠近中间部位 的土钉受力较大。但临近破坏时，底部士钉的拉力显著增长；支护面层背后的侧向土压力 沿高度分布为中间大、上下小，接近梯形而不是三角形，压力的合力值要比挡土墙理论的 计算值( 朗肯主动土压力) 低得多。这表明土钉支护的面层完全不同于一般的挡土墙。支护 面层所受的土压力合力远小于土钉受到的最大拉力之和；支护最大水平位移h 一般不大 与坑深或支护高度h 的3 。h 与h 的比值据法国的实测资料为1 一3 ，美国为0 7 一3 ，德国为2 5 3 。 美国加州大学d a v i s 分校沈智刚、清华大学宋二样等许多学者采用有限元对土钉支护 进行分析，得到的主要结论为：影响体系变形的主要参数有施上过程、基坑深度、土的性 质以及土钉长度、直径和问距等，土钉支护设计如合理，则基坑的变形完全可以不大于其 7 工程硕：e 论文 它传统支护；开挖深度较小时，基坑地面可有少许回弹，坑壁变形成斜直线。随着开挖深 度增加，顶部水平位移与开挖深度之比显著增加。这反映出土钉长度对变位的影响，因为 士钉长度与挖深之比随着挖深的增加而减少；基坑附近地面的沉降随着距坑边距离的增加 而很快衰减。当距离等于基坑的深度时沉降接近于零。基坑周围地表水平应变的最大值开 始于坑壁附近，但随着开挖深度的增加，这个最大值的位置会向土体内移一段距离，般 对应于地表的开裂部位；土钉的长度比l h 值对地面角变位和地面水平应交有重要影响； 土钉主要受拉。如果水平设置土钉，则弯曲刚度的大小对于土体的最大水平位移以及土钉 所受的最大拉力和剪力均无明显作用，土钉向下倾斜会使水平位移增加，刚性较大的土钉 可明显减少土体最大位移；面层厚度变化对土钉的最大拉力与支护最大位移都没有影响， 而增加上部土钉长度可以减小支护变形 1 3 2 复合土钉支护的研究现状 土钉支护技术自2 0 世纪7 0 年代产生以来，由于其施工工艺简单、成本较低、安全可 靠、施工占用空间小、噪声小、旌工工期等明显的优势，在巷道、边坡与基坑工程支护中 得到了广泛的推广和应用，并取得了良好的经济效益与社会效益。但土钉对地层条件要求 较高，通常仅适用于地下水位低、自立性较好的土层中，以达到土钉支护所需的必要条件： 土体可以提供土钉足够的抗拔阻力；土体须有一定的自立性，以便有时间进行支护作业； 喷射混凝土与土体间有一定的粘结强度； 显而易见，土钉不适用与“松软土层”，规程中规定土钉支护“不宜用于淤泥质土或 饱和软土中”这主要是由于软弱土层含水量丰富，抗剪抗拉强度较低，且成孔困难，不 能为土钉提供有效的抗拔力，软弱土层与喷射混凝土粘结强度低，喷射混凝土面层无法与 土体边坡形成整体；饱和的软弱土层呈软塑或流塑状态，无法形成临时自立性边坡，因此 无法施作土钉、钢筋网等工序；软弱土层中的基坑存在着基坑底部的隆起、渗流等影响稳 定性的阿题，这些闯题是原有土钉墙理论无法解决的。 既然土钉支护有如此巨大的优势，那么是否可以将土钉支护技术应用于南京河西地 区、上海、昆山等地这样的淤泥质土或饱和软土中，北京、上海、广州、杭州等地的岩土 工作中进行了深入的研究、试验，并创造性地应用了复合土钉堵支护的新方案，已取得了 可喜的经济效益。 所谓的复合土钉墙支护，就是以水泥土搅拌桩帷幕等超前支护解决土体的自立性、隔 水性以及喷射面与土体的粘结问题，以水平向压密注浆及二次压力灌浆解决土体加固及土 钉抗拔力问题( 配合使用预应力土层锚杆效果更佳) ，以相对较长的插入度解决坑底的隆 i 工程颂士论文 起、管涌和渗流等问题，形成防渗帷幕、超前土钉支护及土钉体等组成的复合型土钉支护。 由同济大学和南京工程兵学院完成的应用性科研项目“复合型土钉墙支护研究”于 1 9 9 9 年6 月2 4 日通过上海市建委组织的专家鉴定。这是首次对复合型土钉支护的系统研 究近年来，国内许多学者对其进行了广泛的研究忉。 陈肇元对复合士钉支护结构形式和适用条件进行了系统研究，指出不同形式的复合土 钉支护的工作机理不尽相同，应针对不同的形式建立不同的分析方法。 李象范总结了近年来上海软土中水泥土搅拌桩复合土钉的应用情况，提出了相应的设 计计算模式，并对应用前景进行了分析。对流砂地层中搅拌桩复合土钉支护的变形性状、 土钉受力变形机理、喷层作用进行了测试研究，改进了搅拌桩复合土钉挡墙的设计方法。 徐水根总结了上海软土地层土钉施工工艺，分析了旌工的主要技术措施及其作用。 钟正雄结合工程实例对上海地区软土基坑搅拌桩复合土钉支护进行了有限元分析，得 出基坑变形与土钉轴力分布规律。 汤风林结合广州地区工程实例讨论了复合土钉支护技术的应用 黄力平根据深圳地区工程实践，提出了挡土挡水复合型士钉支护的设计计算方法 杨林德采用带转动自由度地c - o o d m n 单元对复合型土钉墙进行了非线性有限元分析 陈利洲( 同济大学，2 0 0 0 ) 结合上海地区工程实例，用有限元方法对搅拌桩复合土钉支 护进行了变形分析，认为搅拌桩最终变形曲线类似于有内支撑的板桩体系。 吴铭炳总结了福州地区软土基坑采用土钉支护的进展与经验，分析了软土基坑土钉支 护机理并提出了相应的计算方法。经过大量计算指出，只要满足外部滑动稳定，就能满足 抗滑移安全，只要满足承载力验算，就能满足抗隆起稳定。 唐忠德结合上海地区工程实例对重力坝式水泥搅拌植和搅捧桩复合型土钉墙进行了 机理和施工工艺的比较。 马金普分析了北京地区土钉与预应力锚杆结合复合土钉技术及其应用。 宋二祥通过有限元计算探讨了预应力锚杆一土钉，超前微桩一土钉两种复合土钉支护 的变形特性。 杨志银分析了深圳地区复合土钉墙的模式、构造及工程应用。 程永锋采用有限元和理论分析方法对复合土钉支护进行了研究。 龚晓南分析了土钉支护定义、计算模型、地下水处理、土钉支护适用范围、环境效应、 设计中应注意的几个问题、复合土钉支护概念等问题，指出应加强土钉支护和复合土钉支 护机理研究，加强土钉支护和复合土钌支护位移计算和预估的研究。 9 工程硕士论文 虽然对复合土钉支护已有了上述研究，但总的来说目前对复合土钉支护的工作机理认 识还不十分清楚，没有系统的设计分析方法。不同的设计人员因对复合土钉支护认识不同， 设计的结构也各不相同。工程实践中有成功的经验，但也存在不少失败的教训。另外，由 于复合土钉支护形式各异，不可能采用一个统一的模式进行分析，应针对不同的形式建立 不同的分析方法。 1 4 本文研究的主要内容 在广泛借鉴国内外有关基坑土钉支护技术的基础上，本文主要完成了以下几方面的工 作： ( 1 ) 针对当前基坑支护中广泛应用的土钉墙设计计算做了较全面的探讨，分析了动态 设计与信息化施工技术在深基坑支护系统中的应用； ( 2 ) 对复合土钉支护的发展、特点、变形、受力机理与特征等方面从加固与锚固机制 相结合的角度进行初略探讨，总结归纳出几种复合土钉的支护形式及适用条件，并根据工 程蓝工经验初略探讨了复合土钉支护的优化设计思路。 ( 3 ) 通过本人曾亲身参与过的几个基坑工程项目，重点介绍了怎样结合地质报告、土 层特点、周围环境、旌工组织措旄等条件，总结出经验公式的过程。因其方案的优越性， 可为将来的深基坑支护优化设计提供良好的借鉴素材。 1 5 本文研究的技术路线 大量阅读文献和规范充实设计基础知识一基坑设计计算与分析一方案专家论证基坑 实践论证一监测基坑各项指标一总结出此类基坑设计的经验公式一验证。 工程硬士论文 第二章土钉墙设计计算理论 尽管士钉支护技术在一些欧美国家已成为一项常规技术，应用非常广泛，但在我国还 是处在边实践边摸索阶段。本章在吸取了众多基坑土钉支护工程的设计、施工方面经验的 基础上，对土钉墙设计与计算方面作阐述。 2 1 土钉支护的特点及应用范围 2 1 1 土钉支护的特点及应用范围 土钉与士体形成复合体，提高了边坡的整体稳定性和承受坡顶超载能力，增强土体破 坏延性，改变边坡突然塌方性质，有利于安全施工；土钉墙体位移小，一般钡4 试约为2 0 m ， 对相邻建筑影响小；设备简单，易于推广，由于土钉比土层锚杆长度短得多，钻孔方便， 注浆容易，而且喷射混凝土等设备，施工单位均易办到；如能与土方开挖配合好，实行平 行流水作业，则工期可缩短，噪音小：经济效益好，一般成本低于灌注桩支护；因分段分 层施工，易产生施工阶段的不稳定性，因此必须在施工开始就进行土钉墙体位移监测，以 便于采用必要的措旖；适用于地下水位以上或经降水措施后杂填土、普通粘土或非松散性 的砂土，一般认为可用于n 值在5 以上的砂土与n 值在3 以上的粘性土： 2 1 2 土钉的作用机理嘲 ( 1 ) 土钉对复合体起骨架约束作用 由于土钉本身的刚度与强度，以及它在土体内分布的空间组成复合体的骨架，使复合 土体构成一个整体，骨架有约束土体变形作用。 ( 2 ) 土钉对复合体起分担作用 在复合体内，锚杆与土体共同承担外来荷载和自重应力，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。当土体开裂时，土钉分担作用更为突出，这时土钉内出现了弯剪、抗 剪开裂，从而导致锚杆中浆体碎裂、钢筋屈服。复合体之所以塑性变形延迟，渐进性开裂， 与锚杆的分担作用是密切相关的。分担的比例取决于土钉与土体相对刚度、土体所处的空 间位置、复合土体的应力水平 ( 3 ) 土钉起着应力传递与扩散作用 大量的试验证明：当荷载增加到一定程度，边坡表面和内部裂缝已发展到一定宽度， 1 1 工程颂上论文 此时坡脚应力最大。这时下层锚杆伸入到滑裂域外稳定土体中的部分仍能提供较大抗拉 力。锚杆通过其应力传递作用，将滑裂域内部分应力传递到稳定土体中，并分散在较大范 围的土体内，降低应力集中程度。 ( 4 ) 坡面变形的约束作用 在坡面上设置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。喷射混凝土面板起到坡面变形的约束作用，摩阻力主要来自于开裂区域后的稳 定复合土体。 2 2 土钉墙设计内容 一般来说，作用于支护结构的荷载可分为三类：永久荷载( 恒荷载) ：在结构使用期 间，其值不随时间变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计的荷载例如结构自重、土压 力等；可变荷载( 活荷载) ：在结构使用期闯，其值随时间变化且变化值与平均值相比不 可忽略的荷载。如楼面活载、汽车、吊车等；偶然荷载：在结构使用期间，不一定出现， 其值很大且持续时间较短的荷载。如地震力、爆炸力及撞击力等“”； 作用于支护结构上荷载主要有：土压力；水压力；影响区范围建筑物、结构物荷载； 施工荷载；若支护作为主体结构的一部分时，应考虑地震力； 2 2 1 土钉墙技术设计的内容 对于一般的土钉墙工程，设计内容为：确定土钉墙的平面和剖面尺寸及分段施工高度； 确定土钉的布置方式和间距：确定土钉的直径、长度和倾角及在空间方位；确定土钉钢筋 的类型、直径和构造：设计注浆配比和注浆方式；设计喷射混凝土面板及坡顶防护；进行 土钉抗拔力验算；进行内部和外部稳定性验算；预测和可靠性分析；施工图设计及其说明； 现场监测和质量控制设计； 2 2 2 土钉墙设计步骤“” 根据土钉墙的设计内容要求，具体设计步骤为： ( 1 ) 确定土钉墙的参数：根据边坡高度、土质条件及工程性质初步确定土钉墙的结构尺 寸、土钉的类型、布置方式、间距以及分段开挖高度； ( 2 ) 确定土钉的参数：根据土压力分布、现场抗拔试验结果或土抗剪强度，参考以往经 验，确定土钉的直径和长度； ( 3 ) 进行外部和内部稳定性计算： 从外部来看，土钉墙恰似一个“挡土墙”，它必须能够承受其后部土体的推力和上部 1 2 工程颈士论文 传来的荷载。因此，外部稳定分析应考虑以下四个方面的验算：土钉墙抗滑稳定性验算、 土钉墙抗倾覆稳定性验算、土钉墙底部地基承载能力验算、深部滑动稳定性计算。从内 部稳定性来看，它是土钉墙本身的破坏，它包括不同开挖阶段、不同位置处沿着最危险破 裂面的滑动破坏、土钉本身的强度破坏、拔出破坏以及喷射混凝土面板的破坏等。内部稳 定渗及到土钉强度、长度、界面粘结力、水平和垂直间距、面板的强度以及面板与土钉的 共同作用等因素。因此应考虑以下几个方面的验算：旌工过程中不同开挖阶段的最危险滑 动面验算、使用阶段不同位置的最危险滑动面验算、土钉本身的强度与抗拔力验算、喷射 混凝土面板强度和土钉与面板连接强度验算； ( 4 ) 修改参数：根据第3 项稳定性分析计算结果，修改第l 项、第2 项所选参数( 主要 改变土钉长度和布置) ，而后再进行第3 项计算，重复上述过程直到满意的结果： ( 5 ) 进行施工图设计及监测设计；对整个施工过程进行信息化掩工，把现场所得数据及 时的反馈给计算机，及时地指导随后的旌工； 2 上3 土钉墙设计中的参考原则与经验 在综合国内外有关专家和工程技术人员的研究成果和大量的工程经验的基础上归纳 出来的这些原则，土钉墙在设计中有许多的可供参考的原则和经验，现就如下几点来分别 论述： ( 1 ) 坡高；通过在大量的工程实践中表明：土钉墙一般用于高度h 在1 5 m 以下的基坑 和边坡，常用高度为6 1 2 m ，斜面坡度一般为7 0 。, - , 9 0 。； ( 2 ) 土钉长度：实验表明：沿支护高度上下分布的土钉，在使用状态时内力相差甚多， 一般为中间大，上部和下部偏小，所以中部的土钉所起的作用较大但是顶部土钉对于限 制地表开裂非常重要，如果顶部土钉较短，则在土钉尾部或尾部以外地表上容易出现较大 开裂，这对支护的强度和稳定性可能影响不大，但却会增加整个支护的水平位移，因而在 城市地区构筑土钉支护中要适当的加长顶部的土钉长度。对于底部的土钉也不宜过短，因 为这对土钉支护作为一个整体抵抗基底深部滑动、沿基底滑动或倾覆极为不利一般说来， 粘性土中的钉长与支护高度之比l h 应比粒状土大些，尽管许多粘土在硬结情况下具有较 大的无侧限抗压强度，甚至可以不需支护而保持相当大的自立高度，但作为一种工程结构 物的支护必须考虑各种可能的作用，比如地表渗透水引起的土体含水量变化等。在城市地 区施工，非饱和土中的i h 值宜在0 6 1 0 范围内，尤其顶部土钉不宜小于o 耻1 0 ：在饱 和土中，不仅土体的抗剪能力降低，而且土钉内力会因水压作用而增加，因此l h 值可超 过2 注浆式土钉一般为0 知1 o h ，打入式土钉一般为0 5 - 0 6 h ，当然在不同的土质中对 1 3 工程 硪士论文 于土钉的长度也会有所不同，视各自需要的来确定； ( 3 ) 土钉密度：考虑到土钉的作用是为了使土钉与原位土体很好的复合在一起，充分地 发挥原位土体的强度，因而土钉的间距显然不能过大，土钉的水平和竖向间距s v 和s h 宜 在1 2 m 范围内，在饱和粘土中可小到i m ，在干硬粘性土中可超过2 m ，土钉的竖向问距 应与每步开挖深度相对应。沿面层布置的土钉密度不应低于每6 m 2 内一根； ( 4 土钉倾角：土钉倾角一般在5 。 2 0 。之间，取决于注浆工艺及土层特征等多种因素； 粒状土中的模型试验说明：增加土钉倾角使支护的位移和地表角变位增大，倾角大于2 0 。时增大的趋势更为加剧。同时有限元分析表明，当土钉倾角为零即处于水平位置时，支 护变形最小；而按照极限平衡方法作支护整体稳定性的优化分析，则给出倾角在5 4 - 2 0 。范围内，得到的稳定性安全系数最大，这一数据与某些有限元分析结果也是符合的。所 以除非出于重力注浆的需要，或者更大的倾角有利于土钉插入下层较好的土层内，土钉的 倾角不宜超过1 5 。，一般可取5 。l o 。 ( 5 ) 土钉钢筋及钻孔：一般选用级或级热轧变形螺纹钢，直径 2 0 - - 0 3 5 ，常用o 2 5 ，钻孔直径一般为7 0 - - 2 0 0 m m ，常用8 0 - , 1 2 0 m m ； ( 6 ) 喷射混凝土面层( 面板) ：其厚度一般为5 0 - - 1 5 0 m m ，常用1 0 0 m m ，喷射混凝土强 度应在c 2 0 以上。喷射混凝土面板中常配以中d m l o m m 钢筋网，网格尺寸1 5 0 - - , 3 0 0 m m ； 伪承压板：为了分散土钉对喷射混凝面板的剪应力，在螺帽下垫以承压板，尺寸一 般为2 0 0 m i n x2 0 0 m m ，厚度为轧1 5 m m ； ( 8 ) 注浆材料：最常用的注浆材料为水泥砂浆和水泥浆，最常用的配合比为水：水泥： 砂卸4 o 4 5 ：l ：l ( 水泥砂浆) 和水：水泥= o 4 o 4 5 ：l ( 水泥浆) ，根据特殊情况下，也 可掺入其它水泥添加剂或树脂等材料。注浆强度不低于0 5 m p a 。 ( 9 ) 开挖高度和长度：土钉墙施工通常采用分层分段开挖，每层开挖的最大高度取决于 实际土体可以站立而不破坏的能力，在砂性土中，每层开挖深度一般为0 5 - - , 2 0 m ，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，常为1 5 m ；每层开挖的纵向长度 取决于土体维持不变的最长时间和施工流程的相互衔接； ( 1 0 ) 地表荷载估计：一般应按实际情况确定，如果没有堆载，考虑到施工过程中临时 堆放材料、机械设备及运输车辆振动荷载等外力作用的存在，至少应取为1 0 k n m 2 均布荷 载： 根据大量的工程实践与摸索，为了使用方便，现把土钉支护设计的初始参数归于如表 2 1 所示，以供参考“4 工程碗士论文 表2 1 土钉支护设计的初始参数表 序号名称 单位参数值 备注 h 为开挖深度， 1土钉长( l )m ( o 5 i 2 ) h 对饱和软粘土l 2 h 对于硬软和密度砂质土可取& ( & ) 2 耻 2 间距( & 、& )1 o 2 0 对软牯土和松散砂取s ，( s i ) 1 毗 3倾角( a )5 2 0 重力注浆取大值 4 土钉钢筋直径( d ) 舶皿 中2 0 0 3 5级或级钢均可 5 土钉孔直径( d ) 中7 5 中2 0 0 成孔条件好的土质可取大值 6注浆压力l p ao 5 喷射混凝土厚度( 柚m 5 0 1 5 0 喷射混凝土强度 却a c 2 0 7 级钢、土钉筋焊接 网筋直径( d )u中6 中1 0 网筋间距( a )_1 5 0 “3 0 0 8 坡顶最小荷载和k p a 1 0 坡顶堆载超过该值时，按实际取 2 3 土钉墙设计与分析方法 2 3 1 土钉墙设计应具备的资料啪 为了能顺利、正确地完成好工程各阶段的设计工作，应在设计前以及施工中注意掌握 一些有关的现场工程技术资料。其主要内容为：场地的工程地质勘察资料，其中包括工程 范围内的土层划分及各土层的主要物理力学参数，如重度、含水量、孔隙比、饱和度、液 限、塑限、颗粒级配、标贯击数、粘聚力、内磨擦角、地下水位或渗透情况，以及土钉墙 的地基承载力和土的单向压缩模量等；对于专门设置的永久