基坑支护设计手册

1、基坑支护设计手册2004年5月30日目 录1 土压力 1.1 库仑土压力 1.2 朗肯土压力 1.3 特殊情况下的土压力 1.4 建筑基坑支护技术规程土压力 1.5 工程实测土压力 1.6 土压力计算模型2 基坑稳定性 2.1 土坡稳定性 2.2 围护结构整体稳定性 2.3 基坑底面抗隆起稳定性 2.4 基坑底面抗渗流稳定性3 土钉墙 3.1 概述 3.2 建筑基坑支护技术规程方法 3.3 建筑基坑工程技术规范方法 3.4 基坑土钉支护技术规程方法 3.5 王步云建议的方法 3.6 冶金部建筑研究总院建议的方法 3.7 王长科建议的方法 3.8 工程实例4 重力式围护结构5 桩墙式围护结构 5

2、.1 桩墙式围护结构的类型 5.2 悬臂式围护结构 5.3 锚撑式围护结构6 锚杆 6.1 锚杆承载力 6.2 锚杆稳定性1 土压力1.1 库仑土压力1773年，法国科学家库仑做出两项假定，提出了土压力理论。（1） 墙后填土为砂土（黏聚力c=0）；（2） 产生主动、被动土压力时，墙后填土形成滑楔体，其滑裂面为通过墙脚的平面。 主动土压力（图1.1-1、图1.1-2）库仑主动土压力为： （1.1-1） （1.1-2） （1.1-3）式中 -主动土压力强度； -总主动土压力； -墙背倾角； -墙背填土表面的倾角；-墙背和土体之间的摩擦角；-土的重力密度、内摩擦角；图1.1-1 主动状态下的滑动楔体

3、 图1.1-2 库仑主动土压力-主动土压力系数。 其他符号见图1.1-1、图1.1-2。 被动土压力库仑被动土压力为： （1.1-4） （1.1-5） （1.1-6）式中 -被动土压力强度； -总被动土压力；-被动土压力系数。 其他符号见图1.1-3。图1.1-3 库仑被动土压力1.2 朗肯土压力1857年，朗肯假定墙背垂直光滑，根据土的极限平衡理论提出了朗肯土压力理论。 朗肯主动土压力朗肯主动土压力强度为： （1.2-1） （1.2-2）式中 -垂直向应力；-主动土压系数；-抗剪强度指标。 朗肯被动土压力被动土压力强度为： （1.2-3） （1.2-4）式中 -主动土压力系数。1.3 特殊情

4、况下的土压力 坡顶地面非水平时的土压力 计算土压力时，先将坡顶地面分解为水平和倾斜面，分别计算，最后在进行组合。坡顶倾斜时的土压力 （1.3-1）坡顶水平时的土压力 （1.3-2） 如图1.3-1时，经分解和组合，土压力为图中的阴影部分。图1.3-1 地面非水平时支护结构上的主动土压力近似计算 坡顶超载作用下的土压力1. 弹性理论解 图1.3-3 线荷载 图1.3-4 条形荷载 2. 建筑边坡工程技术规范GB50330-2002的规定（图1.3-5）（a）线荷载 （b） 条形荷载图1.3-5 坡顶超载作用下的土压力注：-kN/m；-kN/m21.4 建筑基坑支护技术规程JGJ120-99土压力

5、建筑基坑支护技术规程JGJ120-99采用了朗肯土压力理论，并规定对于碎石土及砂土，采用水土分算；对粘性土及粉土采用水土合算。当计算基坑底面以下各深度处的基坑外侧主动土压力时，规定竖向自重应力一律采用基坑底面标高处的数值。 基坑外侧竖向应力（图1.4-1）（a）自重压力 （b）坡顶均布压力 （c）坡顶局部荷载图1.4-1 基坑外侧竖向应力 水平荷载（主动土压力）（图1.4-2）图1.4-2 水平荷载计算简图（1）水土分算（碎石土及砂土）1） 当计算点位于地下水位以上时： （1.4-1）2） 当计算点位于地下水位以下时：总应力法： （1.4-2） （1.4-3）式中 -第层土的主动土压力系数；-

6、深度处的总竖向应力标准值，由自重压力和附加应力组成；、-第层土的黏聚力标准值、内摩擦角标准值（采用总应力指标）；-基坑外侧计算点深度；-基坑外侧水位深度；-水的重力密度；-计算参数，当<时，取=；当时，取=；-计算参数，当时，取=1；当时，取=0。有效应力法： （1.4-4） （1.4-5）式中 -第层土的主动土压力系数；-深度处的有效竖向应力标准值；、-第层土的有效黏聚力标准值、有效内摩擦角标准值（有效应力指标）；-基坑外侧计算点深度处的水压力；（2） 水土合算（黏性土及粉土） （1.4-6） 水平抗力（被动土压力）（图1.4-3）图1.4-3 水平抗力计算图（1）水土分算（碎石土及砂

7、土）总应力法： （1.4-7）有效应力法： （1.4-8）式中 （1.4-9）（2）水土合算（黏性土及粉土） （1.4-10）1.5 工程实测土压力1.6 土压力计算模型2 基坑稳定性2.1 土坡稳定分析 瑞典圆弧法1915年，瑞典人彼得森（Petterson）提出，边坡稳定安全系数可按下式计算： （2.1-1）式中符号见图2.1-1。图2.1-1 瑞典圆弧法1927年，费伦纽斯（Fellenius W）通过大量计算，指出=0的简单土坡的最危险滑动面通过坡脚。当0时，费伦纽斯认为最危险的滑动面的圆心位于图2.1-2中的MO线上。图2.1-2 费伦纽斯法 条分法对多层土以及边坡外形比较复杂的情况

8、，要确定边坡的形心和重量是比较困难的。这是采用条分法就比较容易。条分法的原理是：将边坡垂直分条，计算各条对滑弧中心的抗滑力矩和滑动力矩，然后分别求其和，再按式（2.1-1）计算边坡稳定安全系数。见图2.2-1。对条件力假定的不同，就构成了不同的计算方法。图2.2-1 条分法计算原理1. 太沙基公式1936年，太沙基（Terzaghi K）基假定，土条两侧的外作用力大小相等方向相反，并且作用在通一条直线上。边坡稳定安全系数为： （2.1-2）2. 毕肖甫公式1955年，毕肖甫（Bishop A W）认为，不考虑条件作用力是不妥当的。如图2.2-2示，当边坡处于稳定状态时，土条内滑弧面上的抗剪强度

9、之发挥了一部分，并与切向力Ti相等，即：图2.2-2 毕肖甫计算简图 （2.1-3）将所有的力都投影到弧面的法线方向，得： （2.1-4）当土坡处于极限平衡时，各土条的力对滑弧中心的力矩之和为零（注意这时条间内力互相抵消），得： （2.1-5）将式（2.1-4）、（2.1-5）代入式（2.1-3）得稳定安全系数： （2.1-6）毕肖甫建议不计土条间的摩擦力之差，即令Hi+1-Hi=0，代入上式，得： （2.1-7）利用经理平衡条件，Fx=0，Fy=0,并结合式（2.1-3）和Hi+1-Hi=0，得： （2.1-8）将式（2.1-8）代入式（2.1-7），得： （2.1-9）式（2.1-9）这就

10、是著名的简化毕肖甫公式。3. 坡高和临界坡角的关系2002年，王长科参考朗肯、库尔曼理论和李妥德公式，建立了基坑边坡的坡高和临界坡角的关系： （2.1-10）式中 、H-临界坡角、坡高；、-坡土的重力密度、黏聚力、内摩擦角；-坡顶均布超载。例1 石家庄某工程位于市中心，基坑开挖深度12.0m，坡土物理力学指标见表2.1-1。现场条件允许南侧放坡开挖，请确定边坡稳定安全系数为2.3时的坡角。 坡土物理力学性质指标 表2.1-1土层厚度/kN/m3/kPa/deg11.519.4302723.819.5202434.719.1222640.719.103651.319.82325平均值19.321

11、.226.0 解 、采用厚度加权平均值，将数值代入式（2.1-10），得稳定安全系数为1.0时的临界坡角：=55.60稳定安全系数为1.3时的坡角为：2.2 围护结构整体稳定分析（1） 基坑围护结构稳定性验算采用条分法，按下式验算。（a） （b）图2.2-1 整体稳定性验算当无地下水时： （2.2-1）当坑内外有地下水位差时：式中 g土的天然重度，kN/m3; h土条高度，m； ai土条底面中心至圆心连线与垂线的夹角，（°）；c、土的固结快剪峰值抗剪强度指标。kPa、（°） L每一土条弧面的长度； q地面超载，kPa； b土条宽度，m。Mp每延米中的桩产生的抗滑力矩；对于支

12、护桩边坡，需计算圆弧切桩与圆弧通过桩尖时的基坑整体稳定性。圆弧切桩时需考虑切桩阻力产生的抗滑作用，即每延米中桩产生的抗滑力矩Mp。桩抗力力矩Mp由图5.4-1(b)及下式计算确定 （2.2-2）式中 Mp每延米中的桩产生的抗滑力矩，kNm/m； 桩与滑弧切点至圆心连线与垂线的夹角；Mc 每根桩身的抗弯弯矩，kNm/单桩；hi 切桩滑弧面至坡面的深度，m；g hi范围内土的重度，kN/m3；Kp、Ka 被动土压力系数与主动土压力系数；d桩径，m；d两桩间的净距，m。对于地下连续墙支护d +d = 1.0m。2.3 基坑底面抗隆起稳定分析当基坑底为软土时，应按以下两种条件验算坑底土涌起稳定性。1）

13、 因基坑外的荷载及由于土方开挖造成的基坑内外的压差，使支护桩端以下土体向上涌土，可按下式和图2.3-1（a）进行验算。 （2.3-1）式中 Nc承载力系数，Nc=5.14；0 由十字板试验确定的总强度，kPa；g 土的重度，kN/m3；gD入土深度部土隆起抗力分项系数，1.4；t支护结构入土深度，m；h基坑开挖深度，m；q地面荷载，kPa。（a） （b）图2.3-1 基坑底抗隆起2） 考虑支护墙弯曲抗力作用的基坑底土体向上涌起，可按下式和图2.3-1（b）验算。 （2.3-2）式中 Mp基坑底部处支护桩、横墙截面抗弯弯矩标准值，kNm g h基坑底部处土隆起抗力分项系数，g h1.3。2.4

14、基坑底面抗渗流稳定分析（1）当上部为不透水层，坑底下某深度处有承压水层时，按下式和图2.4-1验算渗流稳定。图2.4-1 基坑底抗渗流稳定性验算 （2.4-1）式中 gm透水层以上土的饱和重度，kN/m3；透水层顶面距基坑底面的深度，m；pw 含水层压力，kPa；gRw 基坑底土层渗流稳定抗力分顶系数，gRw1.2。（2）当由上式验算不满足要求时，应采取降水等措施。（3）坑底下某深度范围内，无承压水层时，可按下式和图2.4-2验算渗流稳定。 （2.4-2）式中 g m t深度范围内土底饱和重度； h基坑内外地下水位的水头差，m；g Rw 基坑底土层渗流稳定抗力分项系数，g Rw1.1；图2.4

15、-2 基坑底抗渗流稳定性验算g w水的重度。3 土钉墙3.1 概述 基本概念1. 原理土钉支护是以较密排列的插筋作为土体主要补强手段，通过插筋锚体与土体和喷射混凝土面层共同工作，形成补强复合土体，达到稳定边坡的目的。2. 土钉墙的适用条件1）土钉墙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的基坑支护和边坡加固。 2）土钉墙宜用于深度不大于12m的基坑支护和边坡支护，当土钉墙与有限放坡、预应力锚杆联合使用时，深度可增加。 3）土钉墙不宜用于含水丰富的粉细砂层、砂砾卵石层和淤泥质土；不得用于没有自稳能力的淤泥和饱和软弱土层。 4）现场需有允许设置土钉的地下空间。如为永久性土钉，

16、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物基础时，则在施工时有相互干扰的问题。 5）土钉支护如果作为永久性结构，需要专门考虑锈蚀等耐久性问题。3. 土钉分类钻孔注浆土钉：先在土中钻孔，置入钢筋，然后沿全长注浆，为使土钉钢筋处于孔的中心位置，有足够的浆体保护层，需沿钉长每隔23m设对中支架。土钉外露端宜做成螺纹并通过螺母、钢垫板与配筋喷射混凝土面层相连，在注浆体硬结后用扳手拧紧螺母使土钉中产生约为设计拉力10%左右的预应力。打入土钉：在土体中直接打入角钢、圆钢或钢筋等，不再注浆。由于打入式土钉与土体间的粘结摩阻强度低，钉长又受限制，所以布置较密，可用人力或振动冲击钻、液压锤等机具打入

17、。打入钉的优点是不需要预先钻孔，施工速度快但不适用与砾石土和密实胶结土，也不适用于服务年限大于2年的永久支护工程。打入注浆土钉：是直接将带孔的钢管打入土中，然后高压注浆形成土钉，这种土钉特别适合于成孔困难的砂层和软弱土层。4. 支护面层（1）临时性土钉支护的面层通常用50150mm厚的网喷混凝土组成，混凝土等级不宜低于C20，一般用一层钢筋网，钢筋直径为68，必要时在土钉头之间设216加强钢筋。网格为正方形，边长200300mm。土钉端部与面层的连接宜采用螺母、垫板法。（2）永久性土钉支护的面层喷射混凝土的厚度至少取150250mm，设两层钢筋网，分二次喷成。为了改善建筑外观，也可在第一次网喷

18、射混凝土的基础上，现浇一层钢筋混凝土面层或贴上一层预制钢筋混凝土板。（3）土工织物作为土钉支护面层土工织物覆盖在土坡上，用土钉锚在土坡内，拧紧土钉时将织物曳向土体并使面层形成拉膜，同时使受约束的表层土受压。5. 排水系统为了防止地表水渗透对喷射混凝土面层产生压力，并降低土体强度和土体与钉之间的界面粘结力，土钉支护必须有良好的排水系统。施工开挖要先做好地面排水，设置地面排水沟引走地表水，和设置不透水的混凝土地面防止近处的地表水向下渗透。沿基坑边缘地面要垫高防止地表水注入基坑内。随着向下开挖和支护，可从上到下设置浅表排水管，即用直径60100mm、长300400mm的短塑料管插入坡面以便将喷射混凝

19、土面层背后的水排走，其间距和数量随水量而定。在基坑底部应设排水沟和集水井，排水沟需防渗漏，并宜离开面层一定距离。 施工工艺 土钉墙和其他类似技术的比较 土钉墙和其他技术的联合应用广州安信大厦复合土钉墙 3.2 建筑基坑支护技术规程JGJ120-99方法 土钉抗拉承载力（图3.2-1）图3.2-1 土钉支护抗拉承载力计算简图1喷射混凝土面层；2土钉 （1） 单根土钉受拉荷载标准值可按下式计算 （3.2-1）其中荷载折减系数可按下式计算 （3.2-2）式中 土钉墙坡面与水平面的夹角；土的内摩擦角标准值。 荷载折减系数；eajk 第j根土钉位置处的基抗水平荷载(土压力)标准值；sxj、szj 第j根

20、土钉与相邻土钉平均水平、垂直间距；j 第j根土钉与水平面的夹角。（2） 对于基坑侧壁安全等级为二级的土钉抗拉承载力设计值应按试验确定，基坑侧壁安全等级为三级时可按下式计算： （3.2-3）式中 g s土钉抗拉抗力分项系数，取1.3； dnj第j根土钉锚固体直径；qsik土钉穿越第i层土土体与锚固体极限摩阻力标准值。li 第j根土钉在直线破裂面外穿越第i稳定土体内的长度，破裂面与水平面的夹角为。（3） 单根土钉抗拉承载力计算应符合下列要求： （3.2-4）式中 g 0基坑侧壁重要性系数；Tjk第j根土钉受拉荷载标准值；Tuj第j根土钉抗拉承载力设计值。 整体稳定性验算（图3.2-2）图3.2-2

21、 整体稳定性验算1喷射混凝土面层； 2土钉（1） 单根土钉在圆弧滑裂面外锚固体与土体的极限抗拉力可按下式确定： （3.2-5）式中 dnj 第j根土钉的直径；qsik土钉穿越第i层土土体与锚固体极限摩阻力标准值。lni 第j根土钉在圆弧滑裂面外穿越第i层稳定土体内的长度。（2） 土钉墙应根据施工期间不同开挖深度及基坑底面以下可能滑动面采用圆弧滑动简单条分法，取一定长度边坡体，按下式进行计算：0 （3.2-6）式中 n土条数；m滑动体内土钉数；rk整体滑动分项系数，取 1.3； g 0基坑侧壁重要性系数；wi第i分条土重，滑裂面位于粘结土或粉土中时，按上覆土层的饱和土重度计算；滑裂面位于砂土或碎

22、石类土中时，按上覆土层的浮重度计算；bi第i分条宽度；cik第i分条滑裂面处土体固结不排水（快）剪粘聚力标准值；ik第i分条滑裂面处土体固结不排水（快）剪内摩擦角；i第i分条滑裂面处中点切线与水平面夹角；土钉与水平面之间的夹角；Li 第i分条滑裂面处弧长；s 计算滑动体单元厚度；Tnj第j根土钉在圆弧滑裂面外锚固体与土体的极限抗拉力。 构造要求土钉墙设计及构造应符合下列要求： 1土钉墙墙面坡度不宜大于1:0.1； 2土钉必须和面层有效连接，应设置承压板或加强钢筋等构造措施，承压板或加强钢筋应与土钉螺栓连接或钢筋焊接连接； 3土钉的长度宜为开挖深度的0.51.2倍，间距宜为12m，与水平面夹角宜

23、为50200; 4土钉钢筋宜采用II、III级钢筋，钢筋直径宜为1632mm，钻孔直径宜为7012Omm； 5注浆材料宜采用水泥浆或水泥砂浆，其强度等级不宜低于M10；6喷射混凝土面层宜配置钢筋网，钢筋直径宜为610mm；间距宜为150300mm；喷射混凝土强度等级不宜低于C20，面层厚度不宜小于80mm；7. 坡面上下段钢筋网搭接长度应大于300mm。3.3 建筑基坑工程技术规范YB9258-97方法 抗拔力和锚固长度(1) 土钉设计轴向拉力值 （3.3-1）(2) 钢筋截面积 （3.3-4）(3) 锚固长度 （3.3-5）式中 q-土压力强度； sx、sy-土钉横竖间距；fptk-钢筋抗拉

24、强度标准值； D-土钉钻孔直径；qs-黏结强度；K-抗力分项系数。 内部稳定分析验算内部稳定分析采用条分法，计算公式为： （3.3-6）式中 -土的天然重度； -土条高度； -土条底面中心至圆心连线与垂线的夹角；、-土的固结快剪峰值抗剪强度指标；-土条圆弧面长度；-地面超载；-土条宽度；-土钉抗拉力对圆心产生的抗滑力矩；-圆弧半径；-整体稳定性抗力分项系数。 外部稳定分析验算以土钉原位加固土体，当土钉达到一定密度时所形成的复合体就会出现类似锚定板群锚现象中的破裂面后移现象，在土钉加固范围内形成一个“土墙”，在内部自身稳定得到保证的情况下，它的作用类似重力式挡墙，因此，可用重力式挡墙的稳定性分析

25、方法对土钉墙进行分析。如图3.3-1。图3.3-1 土钉支护外部整体稳定性分析（a）滑移； （b）倾覆； （c）整体失稳1. 土墙厚度的确定（图3.3-2）图3.3-2 土墙厚度将土钉加固的土体分三个部分来确定土墙厚度。第一部分为钢筋网喷射混凝土支护的厚度，土钉间土体由喷射混凝土面板稳定，通过面层设计计算保证土钉间土体的稳定，喷射混凝土支护作用区厚度为 L /6；L为土中平均钉长；第二部分为墙体的均匀压缩加固带，它的厚度为2 L /3；第三部分为土钉尾部非均匀压缩带，厚度为L /6，但不能全部作为土墙厚度来考虑，取1/2值作为土墙的计算厚度，即L /12。所以土墙厚度为三部分之和，即（约0.9

26、L），当土钉倾斜时，土墙厚度为（为土钉与水平面之间的夹角）。2. 抗滑移验算如图3.3-3所示，抗滑移验算可按下式进行： (3.3-7)式中 g 1抗滑移抗分项系数，取g 11.3；q地面均布荷截；B土墙厚度；W土钉支护沿基坑单位长度自重；f土钉墙与基坑底的摩擦系数，可取基底土体抗剪强度； 土钉墙与墙后土的摩擦角，无试验资料时取=/3/2。图3.3-3 滑移计算 图3.3-4 倾覆计算3. 抗倾覆验算如图3.3-4所示, 抗倾覆验算可按下式进行： (3.3-8)式中 t抗倾覆抗力系数，取t1.3；H开挖深度； 构造要求（1）初步选定土钉支护各组成部分尺寸及参数：a. 锚固体孔径：D=815cm

27、；b. 土钉长度：一般对非饱和土，土钉长度与开挖深度H之比为0.61.0范围内，密实及干硬性粘土取小值；c. 土钉直径：一般为2035mm，不少于16mm II级以上螺纹钢筋；d. 注浆材料：水泥砂浆或水泥素浆，水泥采用普通硅酸盐水泥，标号不小于425"，水灰比1:0.400.50；e. 墙面倾角：垂直方向倾角00250，土钉水平方向倾角一般为50200，利用重力向孔中注浆时倾角不宜小于150；f. 间距：水平间距为(1015)D，一般为0.81.20m，垂直间距依土层及计算确定，一般0.81.20m。上下插筋交错排列。遇局部软弱土层间距可低于0.8m；g. 钢丝网或钢筋网片：无地下

28、水、土质好时可用一般钢丝网，土体稳定性差时可用钢筋网片，一般采用6 的I级钢筋焊成1520cm方格形网片。面层砂浆或喷射混凝土厚度为50150mm；h. 锚板：直径3035cm六边形或方形混凝土预制板，内配构造筋，厚度大于7cm。也可采用长度不小于400的井字钢筋(16)代替锚板。（2） 钢筋网喷射混凝土面层设计可按下列构造要求：a. 钢筋网可用68钢筋，网眼宜为150300mm，必要时可在土钉头之间设216加强钢筋；b. 喷射面层的混凝土等级不宜低于C20，喷射面层厚度宜取80150mm(土质差时取大值，反之取小值)。（3） 如遇有软弱土层，可增设加强锚杆，土钉与锚杆合用。（4） 土钉头与钢

29、筋网连接。当土钉头之间有加强钢筋通过时，宜与土钉头焊接；当土钉头之间无加强钢筋通过时，可用不小于416、长度为200300mm的钢筋在土钉头处呈井字架与土钉头焊接，井字架钢筋应位于钢筋网之外，以代替混凝土锚板。3.4 基坑土钉支护技术规程CECS9697方法 土钉抗拉计算 1. 土钉拉力土钉拉力可按图3.4-1所示土压力分布计算： （3.4-1）其中 （3.4-2）式中 -土钉设计内力；-土钉长度中点所处深度处的侧压力； -自重引起的土压力；-地表均布荷载引起的土压力；-土钉的倾角；-土钉竖向间距、水平间距。图3.4-1 土压力分布（a）土钉墙；（b）自重引起的土压力；（c）地表均布荷载引起的

30、土压力说明：1. 自重引起的土压力峰值按下式计算：2. 地表均布荷载引起的土压力按下式计算： 3. 主动土压力系数按下式计算： 2. 土钉长度各层土钉的长度宜满足下式要求： （3.4-3）式中 -土钉长度； -土钉在滑动区的长度，见图3.4-2；图3.4-2 土钉长度的确定-土钉孔径；-土钉锚固体和土之间的黏结强度；-土钉局部稳定性安全系数，取1.21.4。 3. 土钉配筋各层土钉在内力作用下应满足下式； （3.4-4）式中 -土钉钢筋截面积； -钢筋抗拉强度标准值。 喷射混凝土面层计算喷射混凝土面层所受的侧向土压力按下式估算： （3.4-5） （3.4-6）式中 s-土钉水平间距和垂直间距的

31、大值，以m为计量单位。 内部稳定性计算（图3.4-3）取单位长度（1列土钉控制的边坡长度）支护进行计算，（3.4-7） 式中 Wi、Qi-作用于土条i的自重和附加荷载； i-圆弧破坏面切线与水平面的夹角； i-土条i的宽度；cj、j-土条i破坏面处第j 层土的黏聚力、内摩擦角；Rk-破坏面上第k排土钉的最大抗力；k-第k排土钉轴线与该处破坏面切线之间的夹角；Shk-第k排土钉的水平间距。图3.4-3 内部稳定 外部稳定性计算（图3.4-4）土钉支护的外部整体稳定性分析与重力式挡土墙的稳定分析相同（图3.4-4），可将由土钉加固的整个土体视作重力式挡土墙，分别验算：图3.4-4 外部稳定验算1）

32、整个支护沿底面水平滑动(图3.4-4a)；2）整个支护绕基坑底角倾复，并验算此时支护底面的地基承载力(图3.4-4b)； 以上验算可参照建筑地基基础设计规范(GBJ7-89)中的计算公式，计算时可近似取墙体背面的土压力为水平作用的朗金主动土压力，取墙体的宽度等于底部土钉的水平投影长度。抗水平滑动的安全系数应不小于1.2；抗整体倾复的安全系数应不小于1.3，且此时的墙体底面最大竖向压应力不应大于墙底土体作为地基持力层的地基承载力设计值土的1.2倍。 3） 整个支护连同外部土体沿深部的圆弧破坏面失稳(图3.4-4c)，可参照前述内部稳定性进行验算，但此时的可能破坏面在土钉的设置范围以外，计算时公式

33、中的土钉抗力为零，相应的安全系数要求不变。 构造要求（1） 土钉钢筋用III级或II级热轧变形钢筋，直径在1832mm范围内；（2） 土钉孔径在7515Omm之间，注浆强度等级不低于l2MPa，3天不低于6 MPa；（3） 土钉长度与基坑深度之比对非饱和土宜在0.6到1.2的范围内，密实砂土和坚硬粘土中可取低值；对软塑粘性土，/比值不应小千1.0。为了减少支护变形，控制地面开裂，顶部土钉的长度宜适当增加。非饱和土中的底部土钉长度可适当成少，但不宜小于0.5；含水量高的黏性土中的底部土钉长度则不应缩减；（4） 土钉的水平和竖向间距Sh和Sv，宜在1.22.0m的范围内，在饱和粘性土中可小到l.0

34、m，在干硬粘性土中可超过2.0m；土钉的竖向间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6m2一根；（5） 喷混凝土面层的厚度在5015Omm之间，混凝土强度等级不低于C20，3天不低于lOMPa。喷混凝土面层内应设置钢筋网，钢筋网的钢筋直径68mm，网格尺寸15030Omm。当面层厚度大于12Omm时，宜设置二层钢筋网。（6） 土钉钻孔的向下倾角宜在0200的范围内，当利用重力向孔中注浆时，倾角不宜小于150，当用压力注浆且有可靠排气措施时倾角宜接近水平。当上层土软弱时，可适当加大下倾角，使土钉插入强度较高的下层土中。当遇有局部障碍物时，允许调整钻孔位置和方向。(7) 土钉钢筋

35、与喷混凝土面层的连接采用图3.4-5所示的方法。可在土钉端部两侧沿土钉长度方向焊上短段钢筋，并与面层内连接相邻土钉端部的通长加强筋互相焊接。对于重要的工程或支护面层受有较大侧压时，宜将土钉做成螺纹端，通过螺母、楔形垫田及方形钢垫板与面层连接。（8） 土钉支护的喷混凝土面层宜插入基坑底部以下，插入深度不少千0.2m；在基坑顶部也宜设置宽度为12m的喷混凝土护顶。（9） 当土质较差，且基坑边坡靠近重要建筑设施需严格控制支护变形时，宜在开挖前先沿基坑边缘设置密排的竖向微型桩(图3.4-6)，其间距不宜小于lm，深入基坑底部13m。微型桩可用无缝钢管或焊管，直径4815Omm，管壁上应设置出浆孔。小直

36、径的钢管可分段在不同挖深处用击打方法置入并注浆；较大直径(大于1OOmm)的钢臂宜采用钻孔置人并注浆，在距孔底1/3孔深范围内的管壁上设置注浆孔，注浆孔直径10l5mm，间距4005OOmm。图3.4-5 土钉与面层的连接 图3.4-6 超前微型桩设置3.5 王步云方法 破裂面假定破裂面假定见图3.5-1。主要适用于黄土类粉土、粉质黏土。 图3.5-1 破裂面假定 图3.5-2 土压力分布 土压力作用于面层上的土压力按下式计算： （3.5-1）式中 -作用于面层上的土压力； -工作条件系数。使用期少于2年的临时性工程取1.0；使用期2年以上的工程取1.20；-土压力系数。，、分别表示静止、主动

37、土压力系数；-土的重力密度；-土压力作用点至坡顶的距离。当hH/2时，h取实际值；当h>H/2时，h取0.5H。H为土坡总垂直高度。 土钉内力单根土钉支撑范围内面层上的土压力Ei按下式计算： （3.5-2）式中 -土钉横竖间距。 锚固力极限状态验算在面层土压力作用下，土钉内部潜在滑裂面后的有效锚固段应具有足够的界面摩阻力而不被拔出，应满足下式： （3.5-3）其中 （3.5-4）式中 Fs-安全系数，取1.32.0。临时性工程取小值，永久性工程取大值； Fi-锚固力； -钉孔直径；-界面摩阻力；-有效锚固段长度。 抗拉断裂极限状态在面层土压力作用下，不使土钉端部产生过量的伸长或屈服，土钉

38、配筋应满足下式： （3.5-5）式中 db-钢筋直径；fy-钢筋抗拉强度标准值。3.6 冶金部建筑研究总院方法 土钉抗拉力土钉抗拉拔力标准值取下述3个计算结果的最小值。 （3.6-1） （3.6-2） （3.6-3）式中 -锚固体直径、钢筋直径； -土钉伸入破裂面以外约束区内长度；-土钉锚固圆柱体与土体之间抗剪强度、钢筋与砂浆界面的黏结强度标准值；-钢筋截面积、钢筋抗拉强度标准值。 整体稳定性计算假定滑裂面为圆弧面，采用条分法计算整体稳定安全系数，安全系数取1.21.5。（1）不考虑土钉作用 （3.6-4）（2） 考虑土钉作用（3.6-5）式中 -不考虑土钉作用时的安全系数；-考虑土钉作用时的

39、安全系数；-抗剪强度指标；-滑动面弧长；-土条重量；-某位置土钉抗拉拔能力标准值；-计算单元的长度（一般与相同）；图3.6-1 内部整体稳定计算-滑动面某处切线与水平面之间的夹角；-某土钉与水平面的夹角。3.7 王长科方法 破裂面假定破裂面形状如图3.7-1所示。图中表示基坑深度，表示坡角。、按下列各式计算： (3.7-1) (3.7-2) (3.7-3) 图3.7-1 破裂面 图3.7-2 土压力分布式中 表示坡土粘聚力，表示坡土内摩擦角，表示坡土重力密度，表示坡顶均布荷载。 土压力分布土压力分布模型见图3.7-2。图中DC表示基坑底面，O点表示土压力零点，B点表示倒数第二道土钉位置。B点以

40、上土压力分布采用朗肯土压力理论。土压力强度按下式计算：当时 （3.7-4）当时 （3.7-5）其中 （3.7-6）主动土压力系数 （3.7-7）被动土压力系数 （3.7-8）土压力折减系数 （3.7-9）临界坡角与坡高的关系 （3.7-10）式中 -水平向主动土压力强度（kPa）；-土压力零点埋深（m）；-主动土压力系数；-被动土压力系数；-计算点深度（m）；-计算点的竖向有效应力（kPa）；-时的竖向有效应力（kPa）；-主动土压力强度折减系数；-坡角；-临界坡角；-坡高；-坡顶均布荷载。 土钉内力土钉内力按下式计算： （3.7-11）式中R表示土钉内力（kN），SxSy表示土钉控制的坡面垂

41、直面积（m2），表示土钉和水平面的夹角。 土钉长度（图3.7-3）土钉长度设计值应满足下式： （3.7-12） （3.7-13）当时 （3.7-14）当时 （3.7-15）图3.7-3 土钉长度计算式中 -土钉长度设计值；-稳定区土钉长度；-滑动区土钉长度；-土钉注浆体直径；-土钉注浆体侧摩阻力标准值；-分项系数，取1.11.3。 土钉选筋钢筋直径设计值应满足下式： （3.7-16）式中 -钢筋直径设计值；-钢筋抗拉强度标准值；-分项系数，取1.11.3。 连接计算土钉和面层连接可采用焊接或锚定板螺栓连接，应满足下式： （3.7-17）式中表示土钉和面层之间拉力设计值；表示分项系数，取1.11

42、.3。3.8 工程实例1岩土工程条件1.1 建筑概况石家庄市*工程位于石家庄市繁华地段，主体为三层地下建筑，混凝土框架结构，建筑平面为半圆形，地上为花园式广场。基坑深度16.2m，周长326m，围护面积约5200m2。1.2 基坑环境工程周边建筑物密集，环境条件复杂。基坑北侧近邻办公楼基水泵房一座，西侧为街道，南侧为食品城，东侧近邻二层批发商店。基坑环境见图1。图1 基坑环境1.3 水文地质与工程地质条件地下水在地表下35m以下，本次支护开挖，可不考虑地下水的影响。边坡工程地质条件见表1。1.4 开挖坡度条件限制因地处闹市，场地狭窄，西侧只能按900直立开挖，其它各侧最多可按850放坡。表1

43、坡土设计参数土名及编号厚度/m重度/(kN/m3)粘聚力c/kPa内摩擦角/deg极 限摩阻力/kPa杂填土0.9019.051520新近堆积土1.5019.3142030黄土状粉土0.6018.982440黄土状粉质粘土2.8019.1162050粉细砂2.8018.503240中砂1.6018.503660粗砂0.7018.503890粉土1.3018.9102550粉质粘土2.0019.7162050中砂0.8018.503665粉质粘土5.5019.7202050细砂0.8018.503250粉质粘土10.9019.42021502 设计方案设计坡角90º，设10道土钉，土钉

44、水平间距1.5m，竖向间距1.5m。梅花型布置。土钉下斜角10º，土钉钻孔直径100mm，土钉采用热轧级钢筋。注浆采用水灰比为0.45的普硅425#净水泥浆。掺入外加剂三乙醇胺0.05%。面层采用挂6.5200×200钢筋网喷射混凝土，钢筋网搭接长度200mm。用井子架压在钢筋网片上， 并将井子架与土钉钢筋焊接。土钉之间用16钢筋连接作为压筋。喷射混凝土面层厚度80100mm。表2 土钉设计方案土钉道号深度/m土钉（热轧级钢筋）直径/mm长度/mm11.80251200023.30251200034.80251800046.30251500057.80251200069.3

45、02212000710.802212000812.30209000913.802090001015.30207000图2 土钉设计方案3 设计分析石家庄土钉支护经验表明，采用JGJ120-99建筑基坑支护技术规程设计过于保守。为此，对本工程采用的方案用王长科建议的方法并结合JGJ120-99建筑基坑支护技术规程 进行综合分析。3.1 单钉等安全度设计分析基坑坡顶荷载统一折合成20kPa无限均布荷载。以各道单钉安全系数相等为原则，用JGJ120-99规程计算结果见表3，从结果看与石家庄经验不符。用王长科建议的方法计算，其中土压力峰值深度zn-1取7.8m，计算结果见图3、4、5和表4。表3 单钉等安全度设计分析（JGJ120-99方法）土钉道号深度/mJGJ120-99方法内力标准值/kN计算结果11.80154.70128 L1436023.30158.79132 L1288034.80233.84136 L1998046.30266.55136 L2072057.80268.35136 L1703069.30307.16140 L17170710.80280.57140 L18780812.30706.57240 L44780913.80604.15236 L378701015.30778.38240 L49920图3 滑裂面图4 土