土钉支护施工工艺讲义PPT

1、5 土钉支护5.1 概述5.1.1 土钉支护的概念土钉支护亦称锚喷支护，就是逐层开挖基坑，逐层布置排列较密的土钉（钢筋），强化边坡土体，并在坡面铺设钢筋网，喷射混凝土。相应的支护体称为土钉墙，它由被加固的土体、放置在土体中的土钉与喷射混凝土面板三个紧密结合的部分组成。土钉是其最主要的构件，英文名叫Soil Nailing，它的设置有打入法，旋入法，以及先钻孔、后置入、再灌浆三种方法。 5.1.2 土钉的发展70年代初，德国、法国和美国就各自开始了土钉支护的研究与应用，但土钉诞生的原因并不相同。在德国是基于土层锚杆和加筋土挡墙发展起来的，在法国却是基于新奥法的原理发展起来的，新奥法在60年代主要

2、用于岩石隧道的支护，70年代初被成功的用于土质隧道和土质边坡的支护。美国最早的土钉墙用于1974年匹茨堡PPG工业总部的深基坑支护。目前该技术在法国、德国、英国、美国和日本得到广泛应用。我国应用土钉支护的首例工程可能是1980年山西柳湾煤矿的边坡工程。最近十多年来，冶金建筑研究总院、北京工业大学、清华大学、总参工程兵三所等单位在土钉支护的研究开发中做了不少工作。目前，这一新技术已经在北京、深圳、广州、武汉等全国各地得到了广泛应用。5.1.3 土钉支护的特点及应用范围一、特点与其它支护类型相比，土钉支护具有以下一些特点或优点：1. 土钉与土体共同形成了一个复合体，土体是支护结构不可分割的部分。从

3、而合理的利用了土体的自承能力。2. 结构轻柔，有良好的延性和抗震性。1989年美国加州7.1级地震中，震区内有8个土钉墙结构，其中有三个位于震中33km范围内，估计至少遭到了约0.4g的水平地震加速度作用，均未出现任何损害迹象。3. 施工设备简单。土钉的制作与成孔、喷射混凝土面层都不需要复杂的技术和大型机具。 4. 施工占用场地少。需要堆放的材料设备少。5. 对周围环境的干扰小。没有打桩或钻孔机械的轰隆声，也没有地连墙施工时污浊的泥浆。6. 土钉支护是边开挖边支护，流水作业，不占独立工期，施工快捷。7. 工程造价低，经济效益好，国内外资料表明，土钉支护的工程造价能够比其它支护低1/2 1/3。

4、8. 容易实现动态设计和信息化施工。根据现场位移或变形监测反馈的信息，很容易调整土钉的长度和间距，也容易调整面层的厚度。既可以避免浪费，又能够防止出现工程事故。二、适用范围土钉支护适用于地下水位以上或经人工降水措施后的杂填土、普通粘土或弱胶结的砂土的基坑支护或边坡加固。一般认为可用于标准贯入击数N值在5以上的砂质土与N值在3以上的粘性土。单独的土钉墙宜用于深度不大于12m的基坑支护或边坡维护，当土钉墙与放坡开挖、土层锚杆联合使用时，深度可以进一步加大。土钉支护不宜用于含水丰富的粉细砂岩、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。5.2 土钉支护的基本原理5.2.1 土钉的

5、作用机理总的说来，土钉在复合土体中有以下几种作用机理：1. 箍束骨架作用该作用是由土钉本身的刚度和强度，以及它在土体内分布的空间所决定的。它在复合体中起骨架作用，使复合土体构成一个整体，从而约束土体的变形和破坏。2. 分担作用在复合体内，土钉与土体共同承担外荷载和自重应力，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。当土体发生开裂后，土钉的分担作用更为突出，这时土钉内出现了弯剪、拉剪等复合应力，从而导致土钉中的浆体碎裂、钢筋屈服。土钉墙之所以能够延迟塑性变形，并表现出渐进性开裂，与土钉的分担作用是密切相关的。3. 应力

6、传递与扩散作用北京工业大学的研究表明：当荷载增加到一定程度，边坡表面和内部裂缝已经发展到一定宽度，坡脚应力达最大。此时，下部土钉位于滑裂区域以外土体中的部分仍然能够提供较大的抗力。土钉通过它的应力传递作用可将滑裂区域内的应力传递到后面稳定的土体中，分布在较大范围的土体内，降低应力集中程度。 4. 对坡面变形的约束作用在坡面上设置的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。喷射混凝土面板对坡面变形起到约束作用，面板的约束力取决于土钉表面与土之间的摩阻力，当复合土体开裂面区域扩大并连成片时，摩阻力主要来自开裂区域后的稳定复合土体。5.2.2 土钉墙的工作性能国内外大型模

7、拟试验结果及许多实际工程测试结果表明土钉墙具有以下几点工作性能：1. 土钉墙的变形一般是微小的，但比锚杆挡墙的水平位移要大一些。最大水平位移发生于墙体顶部，越往下越小。最大水平位移与开挖深度之比一般在1 3。这种位移值不会影响工程的适用性和长期稳定性，它对整个土钉墙来说，不应当是控制设计的主要因素。墙体内的水平位移随离开墙面的距离增加而减小。2. 土钉只有在土体产生微小变位后才能受力，开始开挖时，土钉上的最大拉力位于喷射混凝土面板附近，随着开挖深度的增加，最大拉力的位置将从面层附近逐渐向深部土体中转移，因此，越靠基坑底部的土钉，其最大受力点距离面板就越近。同一土钉内的内力分布一般呈现中间大，两

8、端小的规律，在破裂面临近处达到最大。3. 土钉墙上的土压力以及不同土钉上的最大拉力沿基坑深度的分布都是中间大、上下小，接近梯形而不是三角形。4. 采用密集土钉加固的土钉墙的性能类似于重力式挡墙，破坏时明显地带有平移和转动的性质，故设计时除了要验算土钉墙的内部稳定性（局部滑动破坏），以保证土钉有足够的锚固长度、直径及合理间距外，还必需验算外部整体稳定性，即验算土钉墙体的抗滑与抗倾覆安全性。5. 根据大比例足尺试验结果看，在土钉墙整体破坏之前，并未发现喷射混凝土面板和锚头产生破坏现象，在实际工程中也未见任何锚头破坏现象。所以，在设计中，对面板和锚头不要进行单独设计，只要满足结构上的构造要求即可。5

9、.3 土钉支护设计5.3.1 确定土钉墙结构尺寸在初步设计时，应先根据基坑环境条件和工程地质资料，确定土钉墙的适用性，然后确定土钉墙的结构尺寸，土钉墙高度由工程开挖深度决定，开挖面坡度可取600 900，在条件许可时，尽可能降低坡面坡度。土钉墙均是分层分段施工，每层开挖的最大高度取决于该土体可以自然站立而不破坏的能力。在砂性土中，每层开挖高度一般为0.5 2.0m，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，常用1.0 1.5m；每层单次开挖的纵向长度，取决于土体维持稳定的最长时间和施工流程的相互衔接，一般多用10m长。5.3.2 参数设计土钉支护参数主要包括土钉长度、间距、布置、

10、孔径和钢筋直径等。一、土钉长度在实际工程中，土钉长度L常采用坡面垂直高度 H 的60% 70% 。土钉一般下斜，与水平面的夹角宜为50 200。Bruce和Jewell(1987)通过对十几项土钉工程的分析表明：对钻孔注浆型土钉，用于粒状土陡坡加固时，L/H一般为0.5 0.8；对打入型土钉，用于加固粒状土陡坡时，其长度比一般为0.5 0.6。 99规程要求L/H一般为0.5 1.2。其实，只有在饱和软土中才会取L/H大于1。二、土钉直径及间距土钉直径D 一般由施工方法确定。打入的钢筋土钉一般为16 32mm，常是25mm，打入钢管一般是50mm；人工成孔时，孔径一般为70 120mm，机械成

11、孔时，孔径一般为100 150mm。土钉间距包括水平间距(列距)Sx和垂直间距(行距)Sy，其数值对土钉的整体作用效果有重要影响，大小宜为12m。对钻孔注浆土钉，可按6 12倍土钉直径D 选定土钉行距和列距，且宜满足：SxSy = KD L (5-1)式中： K 注浆工艺系数，一次压力注浆，K = 1.5 2.5；D、L 土钉直径和长度，m；Sx、Sy 土钉水平间距和垂直间距，m。 5.3.3 稳定性分析一、内部稳定分析土钉墙内部稳定性分析是为了保证土钉墙本身的稳定，这时的破裂面全部或部分穿过加固土体的内部，部分穿过加固土体时又称为混合破坏。对内部稳定性的分析国内外有数种不同的方法。下面仅介绍

12、二种方法 冶建总院方法和Schlosser方法。1. 冶建总院方法 力矩极限平衡法（1）基本假定 破裂面为圆弧形，破坏是由圆形破裂面确定的准刚性 区整体滑动产生的； 破坏时，土钉的最大拉力和剪力都在破裂面处； 沿着破裂面的土体抗剪强度能够全部发挥，并且符合 库仑公式； 假定小土条两边的水平作用力大小相等、方向相反、 且作用于一条直线上；（与瑞典条分法假设相同） 土体强度参数取加权平均值。（2）土钉受力简化 土钉墙中的土钉受力状态非常复杂，一般同时有拉应力、剪应力和弯矩。要合理地确定土钉中所产生的拉力、剪力和弯矩的大小往往是比较困难的。力矩极限平衡法在土钉墙稳定性分析计算中仅考虑土钉的抗拉作用，

13、并将土钉与土体界面摩阻力简化成沿土钉全长均匀分布（实际土钉界面摩阻力的分布是非均匀的，一般在破裂面处最大，往两边逐渐减小）。这是因为同激发侧向力相比，激发土钉的抗拉能力所要求的土体变形量要小得多(Juran 1985)，而且只考虑土钉的抗拉作用能使得分析计算大大简化。大量足尺试验认为，土钉剪力的作用是次要的，仅考虑抗拉作用的设计虽有点保守，却是很方便的设计方法(Gassler 1980)。土钉相对弯曲刚度对土钉墙安全系数的提高大约为0% 15%之间(Glasgow 1980)。 土钉的抗拉能力Tx可以按照如下几种情况计算： 由土钉与破裂面交点之外的土钉与土体间的摩擦力决定，即：Tx1 = D

14、LB f （5-3）式中：LB 土钉伸入破裂面外约束区的长度（m）; f 土钉与土体间的抗剪强度（kN/m2），一般应由试验资料确定，如果无试验资料，可由下页表5-1确定 。表5-1 土钉锚固体与土体间的摩阻力标准值土的种类土的状态f / kPa 土的种类土的状态f / kPa填 土1620 粉细砂稍 密 2040淤 泥1016 中 密 4060 淤泥质土1620 密 实 6080 粘性土IL11830 中 砂稍 密 4060 0.75IL1 3040 中 密 6070 0.25IL0.754065 密 实 7090 00.92040 密 实 120150 0.751（5-8） Txj=Df

15、L - (H- Hj)sin / sin sin( j) 式中 KBj 某一土钉抗拔力安全系数，取1.52.0，临时性土钉墙工程取小值，永久性工程取大值；Txj 破裂面外土体对第 j个土钉提供的有效抗拉能力标准值（kN），破裂面与水平面间的夹角取( +)/2； 全部土钉的总抗拔力验算由土钉墙内部给定破裂面后土钉有效抗拔能力对土钉墙底部的力矩应大于主动土压力所产生的力矩，即：1（5-9）式中：KF 土钉总体抗拔力安全系数，取2.03.0，临时性土 钉墙工程取小值，永久性工程取大值；Ea 整个面层所受的主动土压力合力（kN）； Ha 主动土压力合力到土钉墙底面的距离（m）。2. 法国的 Schlo

16、sser 方法（1）土钉与土体间的界面摩阻力 对没有超载或均匀超载的情况，土钉墙可能产生的破裂面与水平线的夹角为 = ( + )/2，如下图所示。图5-3 Schlosser方法计算简图考虑作用于土钉侧面的水平应力，土钉与土体间的摩阻力为：TN i=Lb itan D 2+ (-2)K0 (5-10)式中：TN i 破裂面之外的土钉与土体间的界面摩阻力(kN)；Lb i 破裂面之外土钉的锚固长度（m）； 土钉有效锚固长度以上的土层厚度（m）。计算单位宽度内若干土钉的总摩阻力TN i及侧向总压力E：E = 0.5KaH2(5-11) 式中：Ka主动土压力系数，土钉墙结构的安全系数为：K = TN

17、 i / E考虑到目前为止已建土钉工程数量有限，建议K取2.5。（2）土钉承受的拉力 每根土钉产生的拉力可假定为作用于该土钉所控制坡面面层上的侧向土压力。由于面层上的侧向土压力是随着土钉设置深度的增大而增大的，所以，最低层的土钉上的拉力最大，其值可按下式计算：T = Ka hmSxSy(5-12) 式中：T 土钉的拉力（kN）；hm最底层土钉的深度（m）； Sx、Sy土钉间的水平间距和垂直间距（m）。当土钉钢筋具有极限强度fu时，材料抗拉安全系数为：Kg=(fu d2/4) / T(5-13) 二、外部稳定性分析土钉墙在内部稳定得到保证的情况下，它的作用类似重力式挡墙，所以土钉墙外部稳定性分析

18、可按重力式挡墙考虑，包括土钉墙的抗倾覆稳定、抗滑动稳定及墙底土的承载力稳定性，如右图所示。计算时取单位长度的土钉墙，厚度取土钉水平方向投影的11/12。图5-4 土钉墙外部稳定性计算简图5.3.4 土钉墙变形分析用极限平衡分析法无法了解变形信息，土钉墙的变形可以用有限元分析方法作出估计，但单纯的有限元计算不一定能得出可信的定量数据；所以，目前对土钉墙变形性能的认识主要来自对监测资料的分析。Elias和Juran综合工程实测和室内实验，提出了以下几点看法：（1）土钉墙变形引起的地表角变形和位移随L/H增加而减少；（2）粗颗粒土中离开面层水平距离（11.25）H 时，地表角变形(局部倾斜)已不会对

19、周围地表建(构)筑造成影响；（3）顶部最大水平位移与竖向沉降的比值随L/H减少而增加，其最大值为1.0。对于常用的L/H=0.61.0情况，可取为1.00.75。这与一般的内撑式支护相近；（4）增大土钉倾角，会增加地表变形与支护位移；（5）水平位移过大将导致支护结构的破坏，最大水平位移一般不能大于5H。Schlosser指出，在土钉墙面层顶部，最大水平位移 h与竖向位移v大体相等。最大水平位移H与墙高H的比值据法国观测资料为13，德国为2.53。地表的水平位移和竖向位移在离开墙面为= k(1-tan)H处接近于零，其中为支护层面与铅垂线的夹角，直立开挖时=0，k为系数，对风化岩层，砂性土和粘性

20、土分别为0.8、1.25和1.5。但是根据有些测斜仪的实测数据来看，上式给出的值可能偏小。土钉墙后部地面的水平位移0 据法国报道为0/H = (45)10-5，而相应的h/H = 13 。不过有一个早期的实测资料说，面层顶部最大水平变位为10mm（1.8），而离开面层0.53H和1.2H的地面处，仍有(0.71)的水平位移，不过这一支护为打入式土钉，钉体为50505的角钢。看来对一般非饱和土中的土钉墙支护，如发现h/H大于34就应视为有趋向失常的可能，需密切监视。现在还没有软土中土钉支护的数据，据软土中内撑式支护的量测资料，软土中变形值要比非饱和土中大得多。可以根据传统支护变形的经验来估计土钉

21、墙支护对邻近建筑物的影响，当地表的角变形分别超过1和1.3时，可能导致砖砌承重结构和钢筋混凝土框架结构中的建筑损害（如抹灰层开裂）。角变形如超过7，砖砌承重结构本身就会遭到严重损害。我国在基坑支护设计中，一般要求对土钉墙支护结构的水平位移和沉降进行监测，据一些工程的统计，位移数据一般在550mm之间。5.4 施工技术土钉墙施工主要包括以下几个方面：1. 开挖基坑开挖应分步进行，分步开挖深度主要取决于暴露坡面的“直立”能力。另外，当要求变形很小时，可视工地情况和经济效益将分步开挖的深度降至最低。在粒状土中开挖深度一般为0.52.0m；对粘性土中每层开挖深度可按下式计算：（5-14）对超固结粘性土

22、开挖深度可加大。考虑到土钉施工设备，分步开挖宽度至少要6m，开挖长度则取决于交叉施工期间能保持坡面稳定的坡面面积。当要求变形过于严格时，可分段开挖施工，各段长度一般为10m。使用的开挖施工设备必须能挖出光滑规则的斜坡面，最大限度地减小对支护土层的扰动。任何松动部分在坡面支护前必须予以清除，对松散的或干燥的无粘性土，尤其是当坡面受到外来振动时，要先进行灌浆处理，当采用挖土机挖土时，应辅以人工整修。2. 制作面层一般情况下，为了防止土体松弛和崩解，必须尽快做第一层面层。根据地层的性质，可以在安设土钉之前做，也可在放置土钉之后做。对临时工程，面层一般做一层，厚度为50150mm；而对永久性工程则多用

23、两层或三层，厚度为100300mm。两次喷射作业应留一定的时间间隔。根据工程规模、材料和设备的性能，可进行“湿式”或“干式”喷射混凝土。通常规定最大粒径1015mm，并掺入适量外加剂以利加速固结。少数情况下还可降低固态混凝土的塑性。喷射混凝土的强度等级不应当低于C15，混凝土中的水泥含量不宜低于400kg/m3，速凝喷射混凝土8h无侧限抗压强度应达5Mpa，最好在养护24h后再投入工作。当不允许产生裂缝时进行适当的养护尤为重要。喷射混凝土通常在每步开挖的底部预留300mm暂不喷射，并做成450的斜面形状，这样会有利于下步开挖后安装钢筋网，和下部450倒角的喷射混凝土层浇接。一般在面层和土钉交接

24、处加一块150mm150mm10mm或200mm200mm12mm的承压板，承压板后放置48根加强钢筋。在喷射混凝土中，应配置一定数量的钢筋网，钢筋网能对面层起加强作用，并对调整面层应力有重要意义。钢筋网间距通常为200mm300mm，钢筋直径为6mm10mm，在喷射混凝土面层中配置12层。有时，用粗钢筋将各土钉相互连接起来，这样面层的整体作用就能够得到进一步加强。3. 排水土钉支护的基坑开挖排水系统一般包括：（1）施工时应提前沿坡顶挖设排水沟，并在坡顶一定范围内用混凝土或砂浆护面以排除地表水。（2）浅部排水：一般使用300mm500mm长的带孔塑料管，上斜50或100，将坡后水迅速排除。这些管子的间距依地下水条件而定。（3）深部排水：用开缝管做排水管，长度通常比土钉长，管径50mm，上斜50或100。其间距取决于土体和地下水条件，一般坡面3m2布置一个就足够了。（4）在坡底设置排水钩和集水井，将排入集水坑的水及时抽出。沟底应比开挖面低30cm，宽度一般不小于30cm，坡度不小