土钉支护的设计与应用

1、2018/9/7,1,土钉支护的设计与应用 中国建筑科学研究院 钱 力 航 2008年1月 北京,2018/9/7,2,土钉支护是用于土体开挖和边坡稳定的一项技术。土钉是在原位土体中先成孔(75150mm),置入钢筋(1832mm)或钢管,然后注入水泥砂浆或纯水泥浆形成的含筋受力体。也可以是将钢筋或钢管直接击入土体中作为受力体。还可以是将带孔的钢管击入土体中,通过注入水泥浆形成的受力体。,2018/9/7,3,土钉支护的作用机理是当土体发生变形时,通过与土体接触界面上的黏结力或磨擦力,使土钉受拉,从而约束土体的变形。土钉按较密的间距(1.5m)排列,依靠群体的作用,以保证边坡的稳定。,2018/9/7,4,现代土钉技术在上世纪70年代出现,许多国家几乎在同一时期内,各自独立地提出了这种支护方法,并迅速加以开发,广泛地应用于边坡稳定和深基坑支护工程。我国的情况也是这样,有记载的国内首例土钉工程是1980年山西太原煤矿设计院王步云在山西柳湾煤矿应用的边坡支护工程。该工程挖深10.2m,坡角80度,边坡长40m,采用注浆钉，钉长m,孔径1220cm，钢筋直径25mm,倾角15度。,2018/

2、9/7,5,虽然起步稍晚于国外,但由于我国经济发展迅速,建设规模巨大,特别是高层建筑深基坑支护和高速公路、铁路护坡的需要,土钉支护工程的数量估计已超过其它国家。土钉支护技术发展的内在原因是它具有下列优点： 材料用量和工程量少，施工速度快； 施工设备轻便，操作简便，最简单的是洛阳铲；,2018/9/7,6, 对场地土的适应性强，有一定黏性的砂土、粉土、硬塑和可塑的黏性土等均可； 所需施工场地小，能紧贴已有建筑物开挖； 因为是边挖土边支护，又是靠群体作用，安全度较高； 经济，一般造价比锚杆低1030，也有说是其它支护结构价格的1/31/2,2018/9/7,7,土钉支护的局限性： 现场须有设置土钉的地下空间； 在松散砂土、软塑、流塑黏性土及丰富地下水土层中不能单独使用； 当作为永久结构时，须考虑防锈耐久问题。另一个问题是由于发展太快，研究工作滞后，也出了不少工程事故。主要事故就是边坡失去稳定。,2018/9/7,8,土钉的受力机理与锚杆是不同的。锚杆沿全长分为自由段和锚固段,作用于挡土墙或挡土桩上的侧向土压力通过自由段和锚固段传递到深部土体,起到锚固作用。锚杆的数量少,拉力大,一般都施加预

3、应力。,2018/9/7,9,土钉不分自由段和锚固段,它靠全长与土体接触形成的黏结力传递荷载,与加固了的土体作为挡土结构,类似于重力式挡土墙。土钉的数量多,单根拉力小,靠的是群体作用。土钉一般也不施加预应力。,2018/9/7,10,土钉的类型与构造,常用的土钉有注浆钉、击入钉和击入注浆钉。1 注浆钉 在原位土体中先成孔,置入钢筋或钢管,然后在全长注入水泥砂浆或纯水泥浆,有时也用细石混凝土,形成含筋的受力体。 孔径一般为75150mm, 钢筋直径一般为1832mm,钢筋的屈服强度一般为400500MPa,钢筋强度过低不经济,过高则脆性大,可焊性差。为保证钢筋处于孔的中心位置,沿全长每隔23m应设置一个对中支架。,2018/9/7,11,注浆钉构造示意图,2018/9/7,12,2018/9/7,13,注浆的强度等级不应低于c25 (12MPa),3天强度不低于6MPa。可采用重力或低压注浆(0.5MPa) 。对于端部通过螺母、垫板与面层相连的土钉,可以在浆体结硬后,用拧紧螺母的办法施加少许预应力(约为设计拉力的1020%) 。此时应在离孔口留约30cm的一小段非黏结长度,用黏土填充,或

4、在拧紧螺母后再注浆填满。,2018/9/7,14,2 击入钉 击入钉采用钢筋、角钢(L50505或 L60606)、钢管等材料直接击入土中。不注浆。因其与土体的接触面小，钉长受限止，故布置较密，每平米竖向投影面积内可设24根。击入式土钉不适用于砾石土、硬胶结土、和松散砂土。,2018/9/7,15,3 击入注浆钉将周面带孔端部封闭的钢管击入土中,然后从管内注浆,使浆液渗入土中形成土钉。 土钉的长度土钉的长度l与基坑深度H之比,对非饱和土宜取0.51.2;对密实砂土和坚硬黏性土取低值;对软塑黏性土l/H1.0。为减少支护变形,控制地面开裂,顶部土钉的长度应适当增加。非饱和土中底部土钉长度可适当减少,但不宜小于0.5H,含水量高的黏性土中钉长度不应减少。,2018/9/7,16,土钉的倾角,土钉向下的倾角宜为520,采用重力注浆时不宜小于15。在软弱土层中可适当加大倾角,使土钉向下进入较好土层。 土钉的间距土钉竖向和横向间距不宜大于1.5m2m,在软土中不宜大于1m。,2018/9/7,17,土钉的面层,土钉的喷射混凝土面层厚度宜取50150mm,混凝土强度等级不应低于c20,三天不应低于

5、10MPa。喷射混凝土面层内应设置钢筋网,钢筋直径宜采用610mm,网格尺寸宜为150300mm,当面层厚度大于120mm时,宜设置双层钢筋网。,2018/9/7,18,土钉钢筋与面层喷射混凝土可以通过钢垫板、螺帽垫圈等方式连接,土钉与面层钢筋应与加强筋焊接,加强筋连接相邻的土钉,如图所示。,2018/9/7,19,2018/9/7,20,土钉的喷射混凝土面层宜插入基坑底面以下,插入深度不应小于0.3;在基坑顶部也宜设置宽度为12的喷射混凝土护顶面层。土钉墙面 的坡度不宜大于 1:0.1,2018/9/7,21,土钉的稳定性分析基于土钉支护的作用机理,其稳定性分析分为外部稳定性分析和内部稳定性分析。外部稳定性分析针对的是体外破坏,这时整个支护结构作为一个刚体,可能发生以下三种形式的破坏；a 沿支护体底面滑动,2018/9/7,22,b 绕支护面层底端(墙趾)倾复,或者支护底面竖向压力过大,超过地基土的承载力而失稳;c 与周围和深部土体一起来整体滑动。前两种破坏可按重力式挡土墙的模式进行分析;c种破坏则可按一般边坡稳定的方法进行分析。一般取抗滑安全系数1.3,抗倾复安全系数1.5。这种体

6、外破坏的情况是否真会发生，尚有争议。,2018/9/7,23,建筑地基基础设计规范JGJ50007 663 边坡支挡结构土压力计算应符合下列规定：1 计算支挡结构的土压力时，可按主动土压力计算；2 边坡工程主动土压力应按下式进行计算：式中 Ea主动土压力；c主动土压力增大系数，土坡高度小于5m时宜取 1.0；高度为58m时宜取1.1；高度大于8m时宜取1.2；填土的重度；h挡土结构的高度；ka主动土压力系数，按本规范附录L确定。,2018/9/7,24,当填土为无粘性土时，主动土压力系数可按库伦土压力理论确定。当支挡结构满足朗肯条件时，主动土压力系数可按朗肯土压力理论确定。粘性土或粉土的主动土压力也可采用楔体试算法图解求得。,2018/9/7,25,附录L,L.0.1 挡土墙在主动土压力作用下,其主动土压力系数应按下列公式计算:q-地表均布荷载(以单位水平投影面积上的荷载强度计),2018/9/7,26,L.0.2对于高度小于或等于5m的挡土墙,当排水条件符合本规范6.6.1条,填土符合下列质量要求时,其主动土压力系数可按附图查得.当地下水丰富时,应考虑水压力作用.类 碎石土: 中密,

7、干密度应2.0t/m3; 类 砾、粗、中砂：中密,干密度应.t/m3;类 黏土夹块石：干密度应1.90t/m3;类 粉质黏土：干密度应1.t/m3;,2018/9/7,27,2018/9/7,28,2018/9/7,29,2018/9/7,30,2018/9/7,31,665 挡土墙的稳定性验算应符合下列要求（图6.6.5-1）：1 抗滑移稳定性应按下式验算；（6.6.5-1）Gn=G cos 0 Gt=G sin0 Eat=Easin( 0 ) Ean=Eacos( 0 ) 式中 挡土墙每延米自重；0 挡土墙基底的倾角； 挡土墙墙背的倾角；土对挡土墙墙背的摩擦角，可按表6.6.5-1选用；土对挡土墙基底的摩擦系数，由试验确定，也可按表6.6.5-2选用。,2018/9/7,32,表6.6.5-1 土对挡土墙墙背的摩擦角,注：k为墙背填土的内摩擦角。,2018/9/7,33,表6.6.5-2 土对挡土墙基底的摩擦系数 土 的 类 别 摩擦系数 粘性土可塑 0.250.30硬塑 0.300.35坚硬 0.350.45 粉土 0.300.40 中砂、粗砂、砾砂 0.400.50 碎石土 0

8、.400.60 软质岩 0.400.60 表面粗糙的硬质岩 0.650.75 注：1 对易风化的软质岩和塑性指数p大于22的粘性土， 基底摩擦系数应通过试验确定。2 对碎石土，可根据其密实程度、填充物状况、风化程度等确定。,2018/9/7,34,2 抗倾覆稳定性应按下式验算（图6.6.5-2）：Eax=Easin()Eaz=Eacos()xf=b-zcot zf=z-btan0 式中 z土压力作用点离墙踵的高度； x0挡土墙重心离墙趾的水平距离； b基底的水平投影宽度。,2018/9/7,35,3 整体滑动稳定性验算：可采用圆弧滑动面法。4 地基承载力验算，除应符合本规范第5.2节的规定外，基底合力的偏心距不应大于0.25倍基础的宽度。当基底下有软弱下卧层时，尚应验算下卧层的承载力。,2018/9/7,36,内部稳定性分析针对的是体内破坏，此时破坏面全部或部分穿过加固了的土体。,2018/9/7,37,计算分析采用边坡稳定的极限平衡 方法，破坏面的形状假定为圆弧面、抛 物面、双折线面或对数螺旋曲面中的一 种，破坏面的底端通过坡面底端，破坏 面与地表的交线需通过试算确定，此交线 至挡土墙面的距离一般不超过墙高的035 倍。破坏面上的作用力要考虑水压力的影 响。破坏面上的抗力为土体的抗剪力与土 钉提供的抗力之和。常用条分法进行计 算。,2018/9/7,38,建筑基坑支护技术规程JGJ120-99,6.1土钉抗拉承载力计算 6.1.1单根土钉抗拉承载力计算应符合下式要求: 1.250TjkTuj (6.1.1) 式中Tjk-第j根土钉受拉荷载标准值,可按本规程6.1.2条确定; Tuj -第j根土钉抗拉承载力设计值,可按本规程6.1.4条确定;,2018/9/7,39,6.1.2 单根土钉受拉荷载标准值可按下式计算: Tjk=eajksxjszj/cosj (6.1.2) 式中-荷载折减系数,根据本规程6.1.3条确 定;eajk第j个土钉位置处的基坑水平荷载标 准值; Sxj 、szj第j根土钉与相邻土钉的水平、垂直间距;j-第j根土钉与水平面的夹角。,2018/9/7,40,6.1.3 荷载折减系数可按下式计算:(61.3)式中-土钉墙坡面与水平面的夹角。,

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