3土钉支护技术及其应用实例

土钉支护技术及其应用实例湖南路桥建设集团公司陈浩土钉支护技术及其应用实例摘要：介绍了土钉工作原理以及内部整体稳定性分析的方法，介绍了土钉支护的特点通过“湖南路桥大厦”基坑支护实例简述了土钉支护的施工工艺，认为土钉支护是一种既适用性广泛又经济，施工方便且行之有效的施工方案。主题词：土钉、支护、应用、实例前言基础开挖常受到相邻建筑物影响或受用地红线及地形条件限制。以上情况的基坑开挖坡比常接近90。，甚至出现内倾坡比。而自然边坡只能以较小的临界高度保持直立。当坡面有较大超载或环境因素改变都会引起边坡失稳。如何保证相邻结构物的安全以及边坡稳定，是工程技术人员经常遇到的问题，土钉支护技术以其可靠的技术性能，日益成熟的施工经验，以及较低的造价被广泛应用于此类工程。1、土钉支护工作原理及结构分析土钉支护由设置在土体中的土钉体和面板组成，通过土钉与周围土体形成一个组合体，以群体起作用。在土体发生变形的情况下，通过与土体接触界面上的摩擦力或者粘结力，使土钉被动受拉，并主要通过受拉工作给土体以约束加固使其稳定。土钉对复合土体起着箍束骨架作用，同时起着应力传递和扩散作用。它不仅提高了土体整体刚度，又弥补了土体的抗拉强度和抗剪强度低的缺点，提高整个边坡的稳定性。土钉构造图图（1）喷混凝土钢筋网短钢筋楔形垫板螺帽垫板土钉钢筋PVC塑料对中定位架注满砂浆土钉支护的结构分析需要满足，支护结构对极限状态（强度破坏和稳定破坏）而言有一定的富余，并在使用状态下能满足变形限制要求。结构分析涉及结构的整体稳定性分析，其中又分为外部稳定性分析和内部稳定性分析。前者发生失稳的破坏面是在土钉加固土体的外部，后者发生失稳的破坏面则穿过土钉支护的内部。破坏型式可为滑动、倾覆（转动）等。本篇仅介绍内部整体稳定性分析，假定破坏面上的土钉只承受拉力且达到最大抗力R，按圆弧破坏面采用普通条法对支护做整体稳定性分析（图2），取单位长度支护进行计算，按下式算出内部整体稳定性安全系数为：Fs=∑[（Wi+Qi）cosai×tanфj+（Rk/Shk）sinβk×tanфj+cj(Δi/cosai)+(Rk/Shk)cosβk]/∑[(Wi+Qi)sinai]式中Wi、Qi—作用于土条i的自重和地面、地下荷载ai—土条i圆弧破坏面切线与水平面的夹角；Δi—土条i的宽度；фj—土条i圆弧破坏面所处第j层土的内摩擦角；Cj—土条i圆弧破坏面所处第j层土的粘聚力；Rk—破坏面上第k排土钉的最大抗力；βk—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。当有地下水时，在上式中尚应计入地下水压力的作用及其对土体强度的影响。作为设计依据的临界破坏面位置需根据试算确定，与其相应的稳定性安全系数在各种可能的破坏面（图3）中为最小值，并不低于表（1）中规定的数值。支护内部整体稳定性安全系数表（1）注：1.当支护变形较大会造成严重环境安全问题时，表中安全系数值应增加到0.1—0.3。2.表中安全系数值不适用于软塑、流塑粘性土。基坑深度（m）≤66—12≥12安全系数最低值1.21.31.4图2图3OW1αTβ1RKφc11TφcRI11Q对支护作内部整体稳定性分析时，土体破坏面上每一土钉达到的极限抗拉能力R按下列公式计算，并取其中最小值：按土钉受拔条件R=πdoLaι按土钉受拉屈服条件R=1.1×(πd2/4)fyk式中do—土钉孔径；d—土钉钢筋直径；La—土钉在破坏面一侧伸入稳定土体中的长度；ι—土钉与土体之间的界面粘结强度；fyk—钢筋抗拉强度标准值，按《混凝土结构设计规范》（GBJ10—89）取用。对于靠近支护底部的土钉，尚应考虑破坏面外侧土体和喷混凝土面层脱离土钉滑出的可能，其最大抗力尚应满足下列条件：R≤πdo（L—La）ι+R1式中R1为土钉端部与面层连接处的极限抗拔力。2、土钉支护的特点：2.1、施工设备简单，施工场地要求不高，便于操作，一般情况下使用自制洛阳铲或小型地质钻机，无需大型机械设备，能紧贴相邻建筑物施工。2.2、施工速度快，成本较低，每一作业面从土钉成孔，制作土钉、注浆及挂网喷射混凝土，仅三个工作日，其成孔工作量和挂网钢筋的数量，混凝土工程量都较少，成本不到挡土墙的一半，远远低于连续墙支护。2.3、结构轻巧、柔性大，有很好的延性，实用性强。土钉支护自重小，不像其他防护设施须做基础，并具有良好抗振性能，可适合有一定粘性的砂土、粘土、硬塑与干硬粘土。2.4、技术成熟、安全可靠。土钉技术从70年代发展以来经过很多重大工程实验，在技术上不断改进，已基本成熟。土钉作为一个工作群体，不会因为个别土钉出现质量问题或者失效而对整体结构造成影响。2.5、土钉支护的缺陷性：2.5.1、土钉支护常会与地下管网或建筑物基础相互干扰，而影响施工这种情况下常会对土钉整体作用造成影响必须作一些特殊设计；2.5.2、有松散砂土、软塑、流砂以及地下水丰富的情况下必须与其他加固方式联合使用，不适合在软土中使用，故在使用范围有其局限性；2.5.3、作永久防护须考虑防锈防腐处理；3、土钉的其他几种使用情况。在施工过程中因地质情况复杂，在开挖深度较大，用单纯的土钉支护不足以达到稳固的目的时，常采取土钉与其他支护相结合的方法以满足工程需要，常见的方法有：3.1土钉与桩结合。常见的方式是上部一定深度用土钉支护、下部采用桩锚支护，在桩与桩之间设置土钉。3.2土钉与止水帷幕结合。具有一定强度水泥浆与土体混合后与土钉共同作用。3.3土钉与钢管桩，连续墙结合。3.4土钉与预应力锚杆结合，预应力锚杆一般在基坑顶部实施。4、工程实例4.1、工程概况湖南“路桥大厦”基坑东南长150M-170M，西向长60M，北向长22M。地表以下依次为素填土1.5-5.5M、粉质粘土3.0-4.5M、粗砂5.0-8.0M、圆砾2.0-3.2M。地下滞留水标高-10.0M。东端基坑边线离住宅楼4.0M开挖深度12.0-15.0M，边坡开挖坡比1：0.1。北端边线离1500T水池5.0M，附近有12层办公楼开挖深度12.0M。西端边线紧靠韶山路开挖深度6.0-8.0M坡比1：0.2素填土达5.3M厚且管网密集。南端开挖深度15.0-17.5M，坡比1：0.1。4.2、支护设计：4.2.1、本工程为临时支护，分一、二、三型三个支护区。一型区土钉抗拔安全系数为1.58。二、三型区土钉抗拔安全系数为1.65。（个型支护见图）二型区设三道，三型区设五道预紧力土钉，预紧力为设计值的20-30%。4.2.2、土钉孔径为120mm。土钉倾角为12.5·。隔3-5m设φ50长度为500mm仰角为3-5·的PVC排水管。4.2.3、土方一次开挖高度应与土钉层高相适应，一次开挖最大高度不大于2M，连续开挖长度不得大于15M。4.2.4、按楔形滑移面法验算时，假定滑移面的倾角为（45·+φ/2），φ取分层土摩擦角的加权平均值，滑移面通过边坡基脚。每一土钉在滑移面上的最大拉力取为：T=(γhc+q)Ka·Sh·Sv式中,γ为土体平均重度;Sh、Sv分别为土钉的水平、垂直间距；hc为土钉的计算深度，当土钉埋深Z＜0.5H时取hc=0.5H；q为地表荷载；Ka=tan2(45○－φ/2)。要求所有土钉在滑移面内侧的稳定土体中有足够的锚固长度，能满足抗拔安全系数。基坑周围环境与支护分区图（图4）韶山路人行道一型配电房三型三型一型三型三型基坑8层砖混一型办公楼(12层桩筏)地下水池一型二型8层砖混排水沟二型区和三型区三型区一型区一型土钉布置剖面图（图5）L=8000@13001φ201L=9000@13001φ20L=10000@13001φ20L=8000@13001φ22L=6000@13001φ22L=5000@13001φ20喷射砼62345钢筋网片素填土砼散水C10、δ=1001:0.2φ111122φ2233φ33圆砾粉质粘土二型土钉布置剖面图（图6）44圆砾4φ4下=9000@15001φ286下=9000@15001φ28533φ3粗砂3下=11000@13001φ28下=9000@13001φ2843下=12000@15001φ252下=9000@13001φ25上=15000@15001φ2515上=7000@13001φ224砼散水C10、δ=100φ2粉质粘土22φ211素填土11上=7000@13001φ222上=7000@13001φ223钢筋砼水池上=7000@13001φ221钢筋网片1200三型土钉布置剖面图（图7）4.3施工程序测量、放样开挖工作面修整边坡成孔、设置土钉、注浆、补浆铺设钢筋网土钉锁定安装泄水管喷射混凝土面层排水、监测5、总结5.1、本项工程开挖深度较大，且地下层夹有粉质砂性土，地下水丰富，为防止附近地面不均匀沉降而引起楼房开裂或破坏，施工过程特别慎重：在基坑四周做了沉降观测点，在施工工艺控制上，严格按规范施工，限制每层开挖深度和工作面，边坡开挖面暴露时间尽量缩短，认真做好排水处理。整个过程从2003年3月15日开始施工至4月26日完成。至目前边坡处于稳定状况，未出现建筑物沉降及变形。5.2、本项目在施工过程中做到了设计与施工相结合，施工中出现的情况及时反馈给设计，及时修改。如基坑东侧原设计为Ⅱ型支护，在施工中发现砂性土中富含地下水，施工单位邀请专家教授现场论证，修改为土钉与桩结合的Ⅲ方案，保证了边坡的稳定。5.3、本项目原计划采用钢板桩，经论证后采取了土钉支护技术，在造价上节约成本约80万元，工期缩短1个月。参考文献陈肇元、崔京浩主编《土钉支护在基坑工程中的应用》，北京：中国建筑工业出版社2000年12月刘正峰《地基与基础工程新技术使用手册》，海潮出版社2000年