岩土工程设计5土钉墙应用材料

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1、第五章第五章 土钉墙土钉墙1沐风书苑本章内容本章内容5.1 概述概述5.2土钉的技术作用及其工作原理土钉的技术作用及其工作原理5.3 土钉支档体系设计土钉支档体系设计2沐风书苑5.1 概述概述一、土钉墙含义一、土钉墙含义 土钉是一种原位加筋技术。它是由水平或近于水平设置天然边坡或土钉是一种原位加筋技术。它是由水平或近于水平设置天然边坡或开挖形成的边坡中的加筋杆件及面层结构形成的挡土体系，用以改良原开挖形成的边坡中的加筋杆件及面层结构形成的挡土体系，用以改良原位土体的性能，并与原位土体共同作用形成重力挡土墙式的轻型支型位土体的性能，并与原位土体共同作用形成重力挡土墙式的轻型支型结构，从而提高整个

2、边坡的稳定性。结构，从而提高整个边坡的稳定性。 深基坑土钉墙是一项较新的挡深基坑土钉墙是一项较新的挡土结构，土结构，70年代初在法、德、美等年代初在法、德、美等少数国家应用，少数国家应用，92年底才在我国独年底才在我国独立开发和以研究。时间虽短，但已立开发和以研究。时间虽短，但已经在我国二十多个省市数百栋高层经在我国二十多个省市数百栋高层建筑地下室施工中得到应用，取得建筑地下室施工中得到应用，取得了巨大的经济效果。了巨大的经济效果。土钉墙示意图土钉墙示意图3沐风书苑5.1 概概述预应力锚杆预应力锚杆喷射混凝土肋梁喷射混凝土肋梁复合土钉墙技术复合土钉墙技术 土钉墙及微型钢管桩基坑支护土钉墙及微型

3、钢管桩基坑支护4沐风书苑5.1 概概述二、土二、土钉与锚钉与锚杆、加筋土的杆、加筋土的对对比比（一）（一） 土土钉与锚钉与锚杆杆 1. 1.土土钉钉可被可被视为视为小尺寸被小尺寸被动动式式锚锚杆（相同）；杆（相同）； 2. 2.预应预应力力问题问题：锚锚杆有，土杆有，土钉钉小或无；小或无； 3. 3.粘合粘合长长度：度：锚锚杆杆仅仅在在锚锚固段，土固段，土钉钉在全在全长长； 4. 4.设设置密度：土置密度：土钉钉0.50.52.0m2.0m一根，密度高，一根，密度高，锚锚杆密度低；杆密度低； 5. 5.工作机理：工作机理：锚锚杆杆将将主主动区动区荷荷载载使主破裂使主破裂区区后的后的稳稳定定区内

4、区内；土；土钉钉是新是新奥奥法理法理论论基基础础重力式重力式挡挡土土墙墙； 6. 6.承受荷承受荷载载：锚锚杆：杆：400kN400kN；土；土钉钉：100kN100kN以下；以下； 7. 7.施工施工规规模：模：锚锚杆杆长长、设备设备大；土大；土钉钉短、短、规规模小。模小。（二）土（二）土钉与钉与加筋土加筋土 1. 1.受力机理（相同点）；受力机理（相同点）； 2. 2.应应用范用范围围：土：土钉钉用于用于稳稳定天然定天然边边坡或坡或挖挖方方区区，土介，土介质质不能人工不能人工选选定。定。而加筋土可以人工而加筋土可以人工选填选填料；料； 3. 3.施工施工顺顺序：土序：土钉钉自上而下；加筋土

5、自下而上；自上而下；加筋土自下而上； 4. 4.设设置形式：土置形式：土钉钉可垂直于可垂直于锚锚在滑裂面，充分在滑裂面，充分发挥发挥其抗剪强度，加筋其抗剪强度，加筋土一般水平布置。土一般水平布置。5沐风书苑5.1 概概述三、土三、土钉钉的分的分类类 （一）（一）钻钻孔注孔注浆浆型：型：100100200mm200mm插插入入钢钢筋、筋、钢钢杆或杆或钢绞钢绞索等索等构构件件压压力注力注浆浆设设置面置面网网喷喷射混凝土。射混凝土。 （二）打入型：（二）打入型：钢钢杆件杆件L50L5050505 5L60L6060605 5的等的等边边角角钢钢；气动气动土土钉钉机，土机，土钉长钉长度一般小于度一般小

6、于6m6m。 （三）射入型：射（三）射入型：射钉钉机。机。 重点介重点介绍钻绍钻孔注孔注浆浆型土型土钉钉。四、土四、土钉钉的适用土的适用土层层及其可行性及其可行性评评价价 土土钉墙钉墙适用于地下水位以上或适用于地下水位以上或经过经过排降水排降水处处理后的理后的杂填杂填土、粘性土、土、粘性土、黄黄土土与与弱弱胶结胶结的砂土的砂土边边坡；坡；N N值值5 5以上的砂以上的砂质质土和土和N N值值在在3 3以上的粘性以上的粘性土。土。 不均不均匀匀系系数数小于小于2 2的的级级配不良的砂土、配不良的砂土、软软土土边边坡及腐坡及腐蚀蚀性土中土性土中土钉墙钉墙不适用。不适用。6沐风书苑5.1 概概述四、

7、四、应应用用领领域域（一）托（一）托换换基基础础（二）（二）竖竖井或基坑支井或基坑支档档（三）斜（三）斜边边面面挡挡土土墙墙（四）（四）边边坡坡稳稳定定（五）（五）与锚与锚杆杆并并用的斜面防用的斜面防护护7沐风书苑5.2土钉的技术作用及其工作原理土钉的技术作用及其工作原理 土体的抗剪强度低，抗拉强度几乎可以忽略。因土体的抗剪强度低，抗拉强度几乎可以忽略。因而自然土坡只能以较小的高度，即临界高度，直立存而自然土坡只能以较小的高度，即临界高度，直立存在。当土坡直立高度超过临界值或坡顶面荷载较大以在。当土坡直立高度超过临界值或坡顶面荷载较大以及其他环境因素发生变化时，将引起土坡的失稳。为及其他环境因

8、素发生变化时，将引起土坡的失稳。为此常采用支档结构承受侧压力并限制其变形发展，这此常采用支档结构承受侧压力并限制其变形发展，这属于常规的被动制约机制的支挡结构。土钉则是在土属于常规的被动制约机制的支挡结构。土钉则是在土体内增设一定长度与分布密度的锚固体，他与土体牢体内增设一定长度与分布密度的锚固体，他与土体牢固结合而共同工作，以弥补土体自身强度的不足，增固结合而共同工作，以弥补土体自身强度的不足，增强土坡坡体自身的稳定性，他属于主动制约机制的支强土坡坡体自身的稳定性，他属于主动制约机制的支档体系。档体系。8沐风书苑 其主要加固机理：其主要加固机理： 1 1、提高了原位土体强度、提高了原位土体强

9、度 土钉在复合土体中起箍束骨架作土钉在复合土体中起箍束骨架作用，提高了土坡刚度与整体稳定性。用，提高了土坡刚度与整体稳定性。 2 2、在裂隙发育地层注浆，按照裂隙注浆原理，浆液扩渗，、在裂隙发育地层注浆，按照裂隙注浆原理，浆液扩渗，形成网状胶结，增强土钉与周围土体的粘结，形成整体作用。形成网状胶结，增强土钉与周围土体的粘结，形成整体作用。 3 3、锚固原理主动区，被动区，类似于锚杆。、锚固原理主动区，被动区，类似于锚杆。 4 4、土钉之间面层土的变形通过钢筋网喷射混凝土进行约、土钉之间面层土的变形通过钢筋网喷射混凝土进行约束。束。5.2土钉钉的技术术作用及其工作原理9沐风书苑5.3土钉钉支挡挡

10、体系设计设计一、土钉墙的破坏形式一、土钉墙的破坏形式 土钉置入现场土体后土钉置入现场土体后, ,如果土体不变形如果土体不变形, ,土钉就不会土钉就不会受力。随着往下开挖或地表上施加荷载受力。随着往下开挖或地表上施加荷载, ,土体发生变形土体发生变形, ,于是通过土钉与土体或土体与钻孔注浆之间的界面作用于是通过土钉与土体或土体与钻孔注浆之间的界面作用使土钉参与工作。试验表明使土钉参与工作。试验表明, ,土体只要产生微小的变形就土体只要产生微小的变形就可使土钉受力。为能充分发挥土钉的作用可使土钉受力。为能充分发挥土钉的作用, ,土钉的设置方土钉的设置方向宜与土体可能发生的剪切滑移面成某一角度向宜与

11、土体可能发生的剪切滑移面成某一角度, ,使土使土钉受拉并能充分提高土体的抗剪强度。钉受拉并能充分提高土体的抗剪强度。 10沐风书苑土钉墙的可能破坏形式有土钉墙的可能破坏形式有: : (1) (1) 密集的土钉与周围土体形成一个加固的整体密集的土钉与周围土体形成一个加固的整体, ,若可能若可能发生剪切滑移破坏发生剪切滑移破坏, ,则呈整体破坏形式则呈整体破坏形式( (图图1) ,1) ,这时的土这时的土钉墙就如一个重力式挡土墙钉墙就如一个重力式挡土墙, ,在墙体内部在墙体内部, ,土钉沿全长受土钉沿全长受拉。拉。 (2) (2) 滑移面穿过土钉加固土体的全部或下部滑移面穿过土钉加固土体的全部或下

12、部( (图图2) 2) 。这。这时的土体被滑移面分割成主动区和被动区两部分时的土体被滑移面分割成主动区和被动区两部分, ,可能发可能发生两种类型的土钉破坏生两种类型的土钉破坏, ,或者是土钉在最大受力截面处拉或者是土钉在最大受力截面处拉断断, ,或者是土钉被拔出或者是土钉被拔出, ,已有的工程经验表明已有的工程经验表明, ,土钉破坏一土钉破坏一般都是拔出破坏。土钉的受拉破坏还在一定程度上受到般都是拔出破坏。土钉的受拉破坏还在一定程度上受到其它因素的影响其它因素的影响, ,如在滑移面上如在滑移面上, ,土钉不可避免的还会同土钉不可避免的还会同时受到剪力和弯矩的作用。时受到剪力和弯矩的作用。5.3

13、土钉钉支挡挡体系设计设计11沐风书苑5.3土钉钉支挡挡体系设计设计12沐风书苑二、设计的要求及内容二、设计的要求及内容（一）要求（一）要求 土钉墙结构的稳定必须经受内力和外力的作用。土钉墙结构的稳定必须经受内力和外力的作用。 内部稳定：内部稳定：1.1.单根土钉维持周围土体的平衡单根土钉维持周围土体的平衡 2.2.土钉长度控制（土钉与土间结合力）土钉长度控制（土钉与土间结合力） 外部稳定：外部稳定：1.1.加筋区必须能抵抗其后面非加筋区的外推加筋区必须能抵抗其后面非加筋区的外推 力而不能移动。力而不能移动。 2.2.加筋区自重及其所承受侧向土压力作用下加筋区自重及其所承受侧向土压力作用下 不能

14、引起地基失稳。不能引起地基失稳。 3.3.挡土结构的稳定，必须考虑防止深层整体挡土结构的稳定，必须考虑防止深层整体 破坏。破坏。5.3土钉支挡体系设计土钉支挡体系设计13沐风书苑（二）设计内容（二）设计内容 1. 1.根据土坡的几何尺寸（深度、坡角）。土性和超载根据土坡的几何尺寸（深度、坡角）。土性和超载情况，估算潜在破裂面位置。情况，估算潜在破裂面位置。 2. 2.选择土钉的形式，截面积、长度、设置倾角和间选择土钉的形式，截面积、长度、设置倾角和间距。距。 3. 3.验算土钉结构的内外部稳定性。验算土钉结构的内外部稳定性。三、估算潜在破裂面三、估算潜在破裂面 假定条件：假定条件：1.1.破裂

15、面为圆弧形；破裂面为圆弧形；2.2.破坏时土钉最大拉破坏时土钉最大拉力和剪力在破裂面处确定可能的圆心点位置力和剪力在破裂面处确定可能的圆心点位置确定圆确定圆心搜索区范围心搜索区范围确定最危险破裂面（确定最危险破裂面（K K值最小的圆心）值最小的圆心）5.3土钉钉支挡挡体系设计设计14沐风书苑5.3土钉钉支挡挡体系设计设计15沐风书苑5.3土钉钉支挡挡体系设计设计16沐风书苑5.3土钉钉支挡挡体系设计设计17沐风书苑四、土钉几何尺寸的确定四、土钉几何尺寸的确定 初步设计：初步设计： 土钉长度土钉长度L L 与基坑深度与基坑深度H H之比之比L L：H H0.70.71.01.0，密实砂土和干硬性

16、，密实砂土和干硬性黏土取低值，饱和土或软黏土取低值，饱和土或软黏黏土取高值或土取高值或2.02.0。第一排土钉。第一排土钉（顶层）可适当加长。初选可按下式（顶层）可适当加长。初选可按下式式中：式中：m m经验系数，经验系数，0.70.71.01.0； H H土坡的垂直高度，土坡的垂直高度，m m； S S0 0止浆器长度，止浆器长度，0.80.81.5m1.5m。 0LmHS5.3土钉钉支挡挡体系设计设计18沐风书苑 2. 2.土钉孔直径及间距布置土钉孔直径及间距布置 土钉孔径土钉孔径120120200mm200mm，常用，常用120120150mm150mm。以。以SxSx，SySy表示土表

17、示土钉的列距，取值与注浆的影响区域有关（一次压力注浆可使钉的列距，取值与注浆的影响区域有关（一次压力注浆可使孔外孔外4D4D临近范围内有应力变化。故按（临近范围内有应力变化。故按（6 68 8）D D选定土钉选定土钉SxSx，SySy。 松散砂土和含水量高的软黏土可小到松散砂土和含水量高的软黏土可小到1m1m；而在干硬黏性土；而在干硬黏性土中可超过中可超过2m2m。竖向间距与每次开挖深度对应。竖向间距与每次开挖深度对应。 3. 3.土钉加筋杆直径土钉加筋杆直径dbdb 20 2035mm35mm的的级或级或级热轧变形钢筋或级热轧变形钢筋或dbdb(20(2025)25)1010-3-3 SxS

18、x SySy 土钉的倾角土钉轴线与水平面的夹角土钉的倾角土钉轴线与水平面的夹角0 02020，遇有局部，遇有局部障碍时允许上倾角施工。障碍时允许上倾角施工。5.3土钉钉支挡挡体系设计设计19沐风书苑5.3土钉钉支挡挡体系设计设计五、内部稳定性验算五、内部稳定性验算（一）（一） 土钉墙受土压力的计算土钉墙受土压力的计算土压力土压力N N 土钉墙受土压力的计算土钉墙受土压力的计算yxSSPN 20沐风书苑5.3土钉钉支挡挡体系设计设计式中：式中： 范围内的侧压力范围内的侧压力P的平均值；的平均值； 对于砂土对于砂土 PP,xySS(/0.05)CHqKPHKPaa21,5 . 0对于黏性土对于黏性

19、土 (0.050.2)CH1210.51aaCPKHHK10.150.6aHPHKqKPa221沐风书苑5.3土钉钉支挡挡体系设计设计王步云建议的公式：王步云建议的公式：式中：式中：q作用于土钉墙上的土压力，作用于土钉墙上的土压力，kPa； me工作条件系数，临时土钉墙（工作条件系数，临时土钉墙（2年以内）年以内）1.10；永久土钉墙；永久土钉墙（2年以上），年以上），1.20； K土压力系数，土压力系数，【 】，分别为静、主动土压力系数；，分别为静、主动土压力系数； 土的天然重度，土的天然重度，kN/m3； h土压力作用点至坡顶距离，当土压力作用点至坡顶距离，当hH/2时，按实际取值；当时，

20、按实际取值；当hH/2时，按时，按H/2取值；取值； H土坡的垂直高度，土坡的垂直高度，m。（二）土钉受拉所满足强度条件（二）土钉受拉所满足强度条件 抗拉断裂极限状态：抗拉断裂极限状态：eqm K h012aKKK22沐风书苑5.3土钉钉支挡挡体系设计设计24hydK Nf锚固力极限状态：锚固力极限状态：eKNDL式中：式中：K，K土钉的局部稳定性系数，土钉的局部稳定性系数，K1.5，K1.32.0，临时，临时 取低值，永久取高值；取低值，永久取高值； D，dh土钉孔径和拉筋直径，土钉孔径和拉筋直径，m； LeLe 土钉在稳定土体中的长度，土钉在稳定土体中的长度，Le0.5时，取时，取0； f

21、y钢筋设计强度；钢筋设计强度； 土钉与土体间的粘结强度。土钉与土体间的粘结强度。23沐风书苑5.3土钉钉支挡挡体系设计设计（三）（三） 喷射混凝土面层强度验算喷射混凝土面层强度验算 1.土钉头所受土压力的局部冲切强度验算土钉头所受土压力的局部冲切强度验算式中：式中：Kp 安全系数，安全系数， KpKp 1.5； Pk土钉头板四周混凝土抗冲切能力，土钉头板四周混凝土抗冲切能力， ； b土钉头处接钢筋的长度和宽度，土钉头处接钢筋的长度和宽度，m； F喷射混凝土抗剪强度；喷射混凝土抗剪强度； n喷射混凝土厚度，喷射混凝土厚度，m； Ep作用在土钉头处的侧压力。作用在土钉头处的侧压力。 2.土钉间喷射

22、混凝土强度验算土钉间喷射混凝土强度验算 Kp=局部土体下滑力局部土体下滑力/土钉间面板抗剪力土钉间面板抗剪力kpPPKEcos45knPabFsin 452cos 452ipWKF n s 24沐风书苑5.3土钉钉支挡挡体系设计设计六、外部稳定性验算六、外部稳定性验算（一）（一） 土钉墙有效计算厚度的确定方法土钉墙有效计算厚度的确定方法以重力式挡墙方法分析以重力式挡墙方法分析当土钉水平布置时当土钉水平布置时 当土钉倾斜布置时当土钉倾斜布置时 （二）（二） 抗滑稳定性抗滑稳定性K Kh h抗滑力抗滑力/ /滑动力滑动力1112LL土钉1112LL土钉 cos土钉墙外部稳定性验算1.3yhxGEK

23、E25沐风书苑5.3土钉钉支挡挡体系设计设计式中：式中： K Kh h抗滑安全系数；抗滑安全系数； G GABCDABCD土体的重力；土体的重力； Ex Ex，EyEy作用于墙背主动土压力作用于墙背主动土压力EaEa的水平及垂直分布；的水平及垂直分布；土对挡土墙基底的摩擦系数，查表，排水好土对挡土墙基底的摩擦系数，查表，排水好 ；排水；排水不好不好, ,则：则：（三）（三） 倾覆稳定性验算倾覆稳定性验算 K Kq q稳定力矩稳定力矩/ /倾覆力矩倾覆力矩112310 3cos ,sinxayaEEEE1.5yqxGbE aKE h式中：式中：KqKq抗倾覆安全系数；抗倾覆安全系数； h h、b

24、 b、a a分别为分别为ExEx、G G、EyEy对墙对墙体外下踢脚的力臂。体外下踢脚的力臂。26沐风书苑5.3土钉钉支挡挡体系设计设计（四）（四） 地基强度验算（一般均满足要求）地基强度验算（一般均满足要求）式中：式中： 挡土墙底面边缘处的最大和最小压应力，挡土墙底面边缘处的最大和最小压应力，kPakPa； e e荷载作用于墙底面上的偏心距，荷载作用于墙底面上的偏心距，m m； f f地基承载力设计值，地基承载力设计值，kPakPa。 maxmin61yGEeaamaxminmaxmin261.2 ,0yxyG bEaEhaaeGEf 若通过以上验算并不能满足土钉外部稳定时，可若通过以上验算并不能满足土钉外部稳定时，可调整坡度角或增加土钉长度，以满足土钉墙的外部稳调整坡度角或增加土钉长度，以满足土钉墙的外部稳定性的要求。定性的要求。27沐风书苑