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地基处理耿永常2第二十二讲土的加筋技术—锚杆和土钉3一、锚杆及其加固1.1.锚杆锚杆•锚杆通常由锚固段、非锚固段和锚头三部分组成，锚固段处于稳定土层，一般对施加预应力。•通过锚杆提供较大的锚固力，维持和提高边坡稳定。图22.1典型锚杆示意图42.2.锚杆加固锚杆加固一、锚杆及其加固•在天然地层中的锚杆加固方法多以钻孔灌浆为主，一般称为灌浆锚杆。•灌浆锚杆的组成见图22.2所示。图22.2锚杆的组成5•锚杆加固的设计要点：一、锚杆及其加固(1)对周围环境和工程地质及水文地质条件做详细调查。(2)锚杆的锚固力需通过抗拔试验确定。(3)拉杆材料。(4)灌浆水泥可采用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，强度等级宜大于32.5。6二、土钉的类型、特点及适用性1.1.土钉土钉•土钉是将拉筋插入土体内部，常用钢筋做拉筋，尺寸小，全长度与土粘结，并在坡面上喷射混凝土，从而形成土体加固区带，其结构类似于重力式挡土墙，用以提高整个边坡的稳定性。72.2.土钉的类型土钉的类型按施工方法钻孔注浆型土钉打入型土钉射入型土钉以上三类施工方法及原理、特点和应用状况见表22.1。二、土钉的类型、特点及适用性8表22.1土钉的施工方法及特点二、土钉的类型、特点及适用性93.3.土钉的特点土钉的特点•对场地邻近建筑物影响小•施工机具简单、施工灵活•经济效益好二、土钉的类型、特点及适用性104.4.土钉的适用性土钉的适用性•土钉适用于地下水位低于土坡开挖段或经过降水使地下水位低于卉挖层的情况。适用于有一定粘结性的杂填土、粘性土、粉性土、黄土类土及弱胶结的砂土边坡。•当采用喷射混凝土面层或坡面浅层注浆等稳定坡面措施能够保证每一切坡台阶的自立稳定时，也可采用土钉支挡体系作为稳定边坡的方法。•对标准贯入击数低于10击或相对密实度低于0.3的砂土边坡，采用土钉法一般是不经济的；•对不均匀系数小于2的级配不良的砂土，土钉法不可采用；二、土钉的类型、特点及适用性114.土钉的适用性•对塑性指数Ip，大于20的粘性土，必须仔细评价其徐变特性后，方可将土钉用作永久性支挡结构；•土钉法不适用于软土边坡，这是由于软土只能提供很低的界面摩阻力，假如采用土钉稳定软土边坡，其长度与设置密度均需提得很高，且成孔时保护孔壁的稳定也较困难，技术经济综合效益均不理想；•同样，土钉法不适用于侵蚀性土（如煤渣、矿渣、炉渣、酸性矿物废料等）中作为永久性支挡结构。二、土钉的类型、特点及适用性12三、土钉与加筋土挡墙、土层锚杆的比较1.1.土钉与加筋土挡墙比较土钉与加筋土挡墙比较•主要相同之处(1)加筋体(拉筋或土钉)均处于无预应力状态，只有在土体产生位移后，才能发挥其作用。(2)加筋体抗力都是由加筋体与土之间产生的界面摩阻力提供的，加筋土体内部本身处于稳定状态，它们承受着其后外部土体的推力，类似于重力式挡墙的作用。(3)面层（加筋土挡墙面板为预制构件，土钉面层是现场喷射混凝土）都较薄，在支挡结构的整体稳定中不起主要作用。13•主要不同之处(1)虽然竣工后两种结构外观相似，但其施工程序却截然不同。土钉施工是“自上而下”，分步施工。加筋土挡墙的施工则是“自下而上”（图22.2）。这对筋体应力分布有重大影响，施工期间尤甚。(2)土钉是一种原位加筋技术，是用来改良天然土层的，不像加筋土挡墙那样，能够预定和控制加筋土填土的性质。(3)土钉技术通常包含使用灌浆技术，使筋体和其周围土层粘结起来，荷载通过浆体传递给土层。在加筋土挡墙中，摩擦力直接产生于筋条和土层间。(4)土钉既可水平布置，也可倾斜布置，当其垂直于潜在滑裂面设置时，将会充分地发挥其抗力；而加筋土挡墙内的拉筋一般为水平设置（或很小角度的倾斜布置）。三、土钉与加筋土挡墙、土层锚杆的比较14图22.2土钉与加筋土挡墙施工程序比较(a)“自上而下”的土钉结构；(b)“自下而而”的加筋土挡墙三、土钉与加筋土挡墙、土层锚杆的比较152.2.土钉与土层锚杆比较土钉与土层锚杆比较(1)土层锚杆在安装后便于张拉，因此在运行时能理想地防止结构发生各种位移。相比之下，土钉则不予张拉，在发生少量(虽然非常小)位移后才可发挥作用。(2)土钉长度(一般为3～10m)的绝大部分和土层相接触，而土层锚杆则是通过在锚杆末端固定的长度传递荷载。其直接后果是在支挡土体内产生的应力分布不同。(3)由于土钉安装密度很高(一般每0.5～5.0m2一根)，因此单筋破坏的后果未必严重。另外，土钉的施工精度要求不高，它们是以相互作用的方式形成一个整体。三、土钉与加筋土挡墙、土层锚杆的比较162.土钉与土层锚杆比较(4)因锚杆承受荷载很大，在锚杆的顶部需要安装适当的承载装置，以减小出现穿过挡土结构面发生“刺入”破坏的可能性。土钉则不需要安装坚固的承载装置，其顶部承担的荷载小，可由安装在喷射混凝土表面的钢垫来承担。(5)锚杆往往较长(一般为15～45m)，因此需要用大型设备来安装。锚杆体系常用于大型挡土结构，如地下连续墙和钻孔灌注桩挡墙，这些结构本身也需要大型施工设备。三、土钉与加筋土挡墙、土层锚杆的比较17四、土钉加固机理1.1.提高原位土体强度提高原位土体强度•土钉是在土体内增设一定长度与分布密度的锚固体，它与土体牢固结合而共同工作，以弥补土体自身强度的不足，增强土坡坡体自身的稳定性，它属于主动制约机制的支挡体系。•素土（未加筋）边坡在坡顶超载作用下，当其产生的水平位移远低于土钉加固的土坡时，就出现快速的整体滑裂和塌落（图22.3）。18图22.3素土边坡和土钉加筋边坡的破坏形式(a)素土边坡；(b)土钉加筋边坡四、土钉加固机理192.2.土与土钉间相互作用土与土钉间相互作用•类似加筋土挡墙内拉筋与土的相互作用，土钉与土间的摩阻力的发挥，主要是由于土钉与土间的相对位移而产生的。在土钉加筋的边坡内，同样存在着主动区和被动区（图22.4）。主动区和被动区内土体与土钉间摩阻力发挥方向正好相反，而被动区内土钉可起到锚固作用。图22.4土与土钉间相互作用四、土钉加固机理203.3.面层土压力分布面层土压力分布图22.4土钉面层土压力分布1.实测土压力；2.主动土压力；3.简化土压力•面层不是土钉结构的主要受力构件，而是面层上压力传力体系的构件，同时起保证各土钉不被侵蚀风化的作用。•山西省太原煤矿设计研究院曾对山西某黄土边坡土钉工程进行了原位观测（图22.4）。四、土钉加固机理214.破裂面形式•对原位加筋土钉复合陡坡的破坏形式，太原煤矿设计研究院对此进行了原位试验及理论分析，并获得了如图22.5所示的结果。图22.5土钉复合陡坡破裂面型式1.库仑破裂面；2.有限元解；3.实测值四、土钉加固机理22五、设计计算1.1.外部稳定方面的要求外部稳定方面的要求(1)加筋区必须能抵抗其后面的非加筋区的外推力而不能滑、动；(2)在加筋区自重及其所承受侧向土压力共同作用下，不能引起地基失稳；(3)挡土结构的稳定，必须考虑防止深层整体破坏。2.2.内部稳定方面的要求内部稳定方面的要求(1)单根土钉必须能维持其周围土体的平衡，这一局部稳定条件控制着土钉的间距；(2)为防止土钉与土间结合力的不够，或土钉断裂而引起加筋区整体滑动破坏，因此要求控制土钉的所需长度。233.3.设计步骤设计步骤土钉支挡体系的设计一般应包括以下几个步骤：•根据土坡的几何尺寸（深度、切坡倾角）、土性和超载情况，估算潜在破裂面的位置；•选择土钉的形式、截面积、长度、设置倾角和间距；•验算土钉结构的内外部稳定性。五、设计计算24六、施工技术1.1.开挖和护面开挖和护面2.2.排水排水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。一般坡面支护必须尽早进行，以免土层出现松弛或剥落。（1）浅部排水（2）深部排水（3）坡面排水253.3.土钉设置土钉设置4.4.土钉防腐土钉防腐（1）成孔（2）清孔（3）置筋（4）注浆—最关键的步骤•在标准环境里，对临时支护工程，一般仅由灌浆做锈蚀防护层。有时在钢筋表面加一环氧涂层，对永久性工程，就在筋外加一层至少有5mm厚的环状塑料护层，以提高锈蚀防护的能力。六、施工技术26七、检验和监测•与土层锚杆不同，对土钉不必逐一检查。这表明土钉的整体效能是主要的。•对支护系统整体效能最为重要的观测是对墙体或斜坡在施工期间和竣工后的变形观测。27思考题