土钉墙支护体系

土钉墙支护体系1.结构形式土钉墙支护体系主要由土钉，面层，周围岩土体及排水系统组成（如下图）。土钉通常采用钻孔注浆钉，钉材一般选用Ⅱ，Ⅲ级钢筋，浆体一般选用水泥浆或水泥砂浆。面层通常采用网喷混凝土做成，排水系统视具体情况采用截水，浅层排水及深层排水三种方式。1—水泥注浆2—Ⅱ级钢筋3—钢垫板4—钢筋网5—第一层喷射砼6—第二层喷射砼7—第三层水泥砂浆除了钻孔注浆钉外，还有打入型土钉（在土体中直接打入角钢、圆钢或钢筋等，不再注浆）及射入型土钉（直接将带孔的钢管打入土中，然后高压注浆形成土钉）。2.支护原理土钉墙是在土体内放置一定长度和分布密度的土钉体与土共同作用，弥补土体自身强度的不足。通过以增强坡体自身稳定性的主动制约机制来稳定坡体，可以有效提高土体的整体刚度，弥补了土体抗拉、抗剪强度低的弱点。通过相互作用，土体自身结构强度潜力得到充分发挥，改变了边坡变形和破坏的性状，显著提高了整体稳定性，更重要的是土钉墙受荷载过程中不会发生素土边坡那样的突发性塌滑，土钉墙不仅延迟塑性变形发展阶段，而且具有明显的渐进性变形和开裂破坏，不会发生整体性塌滑。其加固机理主要表现在：（1）增强原位岩土体强度。土钉体与岩土体共同作用，形成复合体，从而提高原位岩土体强度，以弥补岩土体自身强度不足，增强坡体稳定性。（2）土钉对复合土体起箍束骨架作用。由于土钉本身的强度与刚度，以及它在岩土体内分布的空间组合形成的骨架网络可以约束岩土体变形。（3）土钉对复合体起分担作用。土钉与土体共同承担外荷载和土体自重应力，土钉有很高的抗拉抗剪强度，所以土体进入塑性状态后，应力逐渐向土钉转移，土钉分担作用更为突出。（4）土钉起着应力传递与扩散作用。土钉可以将滑裂域内部分应力传递到稳定岩土体中，分散在较大范围的岩土体内，降低应力集中程度。（5）对坡面变形起约束作用。在坡面上设置的与土钉在一起的钢筋网喷射砼面板限制坡面开挖卸荷而膨胀变形，加强边界约束的作用。3.计算方法选取何种计算方法关键在于搞清楚土钉墙发生何种破坏模式。土钉墙可能发生的的破坏模式分为内部破坏，外部破坏及超量变形。对于外部破坏，工程中多采用类似于重力式挡土墙的计算方法进行水平滑动稳定，抗倾覆稳定，墙底土承载力和整体抗滑稳定性验算。对于内部破坏，主要有极限平衡法，有限元法，工程简化法。极限平衡法又因为安全系数的定义，破裂面形状假定等的不同又分为三种：（1）假定滑移面为双曲线形并通过土坡坡脚，进行力的极限平衡总体稳定分析，仅考虑土钉的抗拉作用，土的抗剪强度由莫尔—库仑准则确定。（2）假定滑移面为过坡脚的抛物线形，仅考虑土钉的抗拉作用。（3）假定滑移面为圆弧形，根据传统边坡稳定中的条分法，并考虑穿过滑移面土钉的抗拉、抗剪和抗弯作用来进行力矩极限平衡分析。有限元法不仅可以计算出土钉墙中的土钉内力，土体应力应变关系等，而且可以考虑土体的非均匀性及各向异性的复杂性态。但其计算结果与计算模型及参数选取有关，对土钉内力计算结果较好，变形计算结果不够理想。工程简化法作为估算土钉拉力和为有经验者进行土钉初步设计是一种较为简便的方法。其实质是直接给定临界滑移面的位置及不同部位土钉的最大拉力。常用的有二分之一分割法，楔形破坏滑移面法，双折线滑移面法，王步云法，王长科方法，冶金部建筑研究总院方法等。下面介绍《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-99方法：一.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jajkzjxjjkessTcos（3.2-1）其中荷载折减系数ζ可按下式计算)245(tan/tan12tan12tan2kk（3.2-2）式中β——土钉墙坡面与水平面的夹角；k——土的内摩擦角标准值。ζ——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根土钉与相邻土钉平均水平、垂直间距；αj——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：isiknjsujlqdT1（3.2-3）式中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2k。（3）单根土钉抗拉承载力计算应符合下列要求：ujjkTT025.1（3.2-4）式中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。二.整体稳定性验算（图3.2-2）图3.2-2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：nisiknjnjlqdT（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：]tan)sin(21)[cos(tancos)(1110ikjjnimjjinjikniiiiiikTbqwsLcsniiiikbqws100sin)(≥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；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；θi——第i分条滑裂面处中点切线与水平面夹角；i——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。4.适用范围（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，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。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。5.参考经济指标设一基坑开挖深度为H，基坑宽为20米，基坑坡面坡角73.3°地下水距基坑底5米，不考虑地下水影响，土质为粘性土，容重18KN/M³,黏聚力10kpa，内摩擦角20°，坑顶超载为均布荷载，q=15kpa，土钉与水平面的倾角取15°，土钉竖直间距取1.2米，水平间距取1.2米，机械成孔，取孔径130㎜。采用理正计算不同高度下的土钉墙主要工程量，以探究土钉墙在所给地质情况下比较经济的适用高度。项目H=3米单位数量单价（元）金额（元）土钉体钻孔米4.125520.625注浆立方米0.054754129.605钢筋吨0.0046310014.325面层混凝土立方米63502100钢筋吨0.2843000852总计：3016.556单位表面积造价：50.275每延米造价：150.827项目H=5米单位数量单价（元）金额（元）土钉体钻孔米11.507557.535注浆立方米0.152654182.587钢筋吨0.0148310045.924面层混凝土立方米103503500钢筋吨0.47430001422总计：5108.047单位表面积造价：51.080每延米造价：255.402项目H=7米单位数量单价（元）金额（元）土钉体钻孔米20.5595102.795注浆立方米0.27275411436.896钢筋吨0.0329310051.15面层混凝土立方米143504900钢筋吨0.66430001992总计：7244.448单位表面积造价：51.746每延米造价：362.222项目H=9米单位数量单价（元）金额（元）土钉体钻孔米52.1145260.57注浆立方米0.6913541374.031钢筋吨0.23643100733.021面层混凝土立方米183506300钢筋吨0.85330002559总计：10226.623单位表面积造价：56.814每延米造价：511.331项目H=11米单位数量单价（元）金额（元）土钉体钻孔米83.9315419.655注浆立方米1.1134541602.387钢筋吨0.619331001920.04面层混凝土立方米223507700钢筋吨1.04330003129总计：13771.086单位表面积造价：62.595每延米造价：688.554项目H=13米单位数量单价（元）金额（元）土钉体钻孔米105.3565526.78注浆立方米1.3977541756.158钢筋吨0.716031002219.716面层混凝土立方米263509100钢筋吨1.23230003696总计：16298.655单位表面积造价：62.687每延米造价：814.932项目H=15米单位数量单价（元）金额（元）土钉体钻孔米124.7395623.695注浆立方米1.6548541895.273钢筋吨0.841531002608.772面层混凝土立方米3035010500钢筋吨1.42230004266总计：18893.741单位表面积造价：62.979每延米造价：944.687由于各项工程量皆为估算，且未计人工费，机械台班费等其它费用，所以导致具体造价与实际存在出入，但是不影响为探究边坡经济高度而将不同高度边坡下的造价进行比较。采用originpro模拟曲线如下图：由图形可知，单位表面积造价随边坡高度（3米至15米）的增加而增加，边坡高度在7.5米以下时，造价基本随高度缓慢增加，基本维持在51元左右，当边坡高度超过7米后，单位表面积造价开始急速上升，一直到11米左右增速放缓，11米之后造价又趋于缓和，基本维持在62.6元左右。从图形分析可知，在采取土钉墙进行支护的前提下，土钉墙经济高度以不超过7米为宜。虽然边坡高度在11米之后造价又趋于缓和，但是从理正计算得出的土钉墙钻孔过长，在高度为13米时，上层土钉钻孔已接近20米，增加施工难度，人工费等其它未计费用占造价比例增大，所以11米之后数据代表性降低。加之结合相关规范及工程经验，在本例所给地质条件下，该经济高度是比较符合实际的。同样，由每延米造价图可以看出每延米造价随边坡高度增加而增加，但是在边坡高度小于7米时，增速基本不变，当超过7米后，增速变大，当边坡高度达到11米时，增速又减小，之后趋于稳定。从图分析知，7米至11米是造价快速增长的范围，结合以上单位表现积造价可以得在本例所给地质及其他条件下，该土钉墙经济高度不超过7米为宜。6.工程实例设一基坑开挖深度为7m，建筑物7层，每层荷载取12Kpa,距基坑4.5m，则总荷载为12×7=84Kpa，建筑物每层3m共21m，根据规范取基坑深为地面下1.4m，按条形基础扩散，则在基坑深度为5.9m处有影响，不考虑地下水影响，土质为粘性土，容重18KN/M³,黏聚力10kpa，内摩擦角20°。6.1土压力计算KpazbpbPcdk73.2645tan6210)4.11884(10tan2)(0b－条形基础宽取10mPk－总的荷载标准值Z－基底至软弱下卧层距离P－扩散后荷载cd－基底自重应力值6.1.1主动土压力计算aaaKcKhqE2q—地面荷载（kN）