复合土钉支护技术

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1、第二章第二章 土土 钉钉 支支 护护深基坑逐层开挖，逐层在边坡以较密排列(上下左右)打入土钉( 钢筋)，强化受力土体，并在土钉坡面设置钢筋网，分层喷射混凝 土，就是土钉支护。亦称喷锚支护、土钉墙。英文名SoilNailing。 第一节第一节 概概 述述一、土钉的概念一、土钉的概念在基坑开挖坡面，用机械钻孔或洛阳铲成孔，孔内放钢筋，并 注浆，在坡面安装钢筋网，喷射C20厚80100mm的混凝土，使 土体、钢筋与喷射混凝土面板结合，成为深基坑土钉支护。如图2 1所示，基坑坡面可以竖直900，也可是800左右，土钉长度按计 算确定。 二、土钉的发展二、土钉的发展70年代德国法国和美国都对土钉进行了研

2、究与应用。在德国是 由挡土墙和锚杆发展起来的，法国是基于新奥法的原理发展起来 的，新奥法系奥地利隧道施工中利用喷射混凝土与全长粘结的锚 杆相结合，为岩石隧道开控提供有效的稳定支护。 1图2-1 土钉喷射混凝土剖面1972年法国承包商博格斯提出了新奥法原理能够用于土质 边坡和软岩边坡的临时支护，并成功地应用于工程上，几乎同 时德国和美国也发展了土钉技术。目前该技术在法国、德国、 英国、美国和日本得到广泛应用。新兴的科学技术试验研究要 得到政府的大力支持，才会很好地发展。比如1985年法国政府 2一次就拨款350万美元，进行土锚钉墙的实际模拟试验。1990 年在美国召开的挡土结构国际学术会议上，土

3、钉作为一个独立 的专题，与锚杆挡墙并列，使它成为一个独立的学科分支。在国内，80年代末北京工业大学和北京农村建筑总公司对插 筋补强护坡和索土边坡， 进行了荷载作用下的破坏试验。插筋 补强技术与土钉喷射混凝土相似，只是插筋补强的钢筋用锚定 板，坡面铺钢筋网抹水泥砂浆，而土钉在坡面钢筋网上喷射混 凝土。这个试验表明了以下几点：这个试验表明了以下几点：1插筋锚体与边坡土体形成复合体，插筋锚体形成的骨架 ，弥补土体抗拉强度甚低的弱点，发挥了共同作用，显著提高 了边坡的承载能力和稳定性。2插筋锚体对土体的约束作用、应力分担作用、应力传递 与扩散作用，增强了土体变形的延性，荷载达到一定程度后， 边坡变形速

4、率增加，而土体保持完好的整体性，无明显滑裂面 形成。33试验证明，在边坡破坏阶段，近于直立的插筋锚体边坡是 渐进开裂向整体开裂发展，局部坡脚坍裂破坏，仍保持整体性 。而素土无插筋锚体，外荷加到一定程度时，坡面网状裂缝出 现，沉降急剧增大，边坡突然崩塌。插筋土体增加边坡破坏阶 段的安全性。对上述试验结果，90年代初在北京国家体委办公楼、方 庄11楼、邮政枢纽等7个工程深基坑支护作试点，但基坑深仅 10m。现在土钉支护板面喷射混凝土及注浆加压，增加抗剪强 度，已做到坑深1318m。 三、三、 土钉支护的特点及应用范围土钉支护的特点及应用范围1土钉与土体形成复合体，提高了边坡整体稳定和承受坡 顶超载

5、能力，增强土体破坏延性，改变边坡突然坍方性质，有 利于安全施工。2土钉墙体位移小，一般测试约20mm，对相邻建筑影响 小。43设备简单，易于推广。由于土钉比土层锚杆长度小得多 ，钻孔方便，注浆亦易，只需喷射混凝土等设备，施工单位均 易办到。4如能与土方开挖配合好，实行平行流水作业，则工期可 缩短，噪音小。5经济效益好，一般成本低于灌注桩支护。6因分段分层施工，易产生施工阶段的不稳定性，因此必 须在施工开始就进行土钉墙体位移监测，以便于采取必要的措 施。7适宜于地下水位以上或经降水措施后的杂填土、普通粘 土或非松散性的砂土，一般认为可用于N值在5以上的砂质土与 N值在3以上的粘性土。 四、国内实

6、际工程应用概况四、国内实际工程应用概况90年代初北京在10m以内的基坑工程中应用插筋补强技术， 此后土钉喷射混凝土技术用于深圳全安大厦，坑深8m，深圳 民航大厦，坑深9.510m。最近几年发展较快，已经做到坑 深十多米，最深为广州056工程，深18m。5现将近年来在北京、广州、深圳等地施工的10m以上的23个 工程，列于表21。国内部分深基坑土钉支护实例 表2-1 序 号 工 程 名 称 深度 (rn) 备 注 l深圳文锦广场建材集团大厦基坑边坡支 护13.0直立流砂，淤泥2深圳发展银行大厦基坑边坡支护14.4基本直立，淤泥质饱 和粘土3深圳新世界大厦基坑边坡支护12.5抢险 ，基本直立4深圳

7、金辉中心大厦基坑边坡支护12.5直立，淤泥、流砂介质5深圳地王大厦基坑边坡支护14.8桩锚 与锚喷 相结合6深圳百货广场深基坑边坡支护14.8基本直立7深圳金田大厦深基坑边坡支护14.0基本直立8广州荔湾区商业大厦基坑边坡支护13.5直立，粉质粘土9广州大道高层商品住宅楼基坑边坡支护13.0基本直立，粘质土层10广州丰伟国际大酒店深基坑支护12.0基本直立，粉质粘土11广东省公安厅某工程基坑支护13.0基本直立，粉质粘土12广州065工程18.0原桩锚 工程失误后改用锚钉喷 射混凝 土614北京庄胜商业中心深基坑边坡支护14.3基本直立，粉细砂层15北京燕京大厦深基坑边坡支护15.3基本直立，

8、粉质粘土16北京安外6号地综合楼基坑边坡支护16.9基本直立，粉土、细砂层17北京金运大厦基坑支护12.0基本直立，粉土层18北京长新大厦基坑支护12.5基本直立，粉土层19北京西客站住京2号楼基坑边坡支护13.0基本直立，粉砂层20北京航华科贸中心02，03楼基坑边 坡支护11.0基本直立，粉土、细砂层21 北京新亚综合楼深基坑边坡支护15.0直立、粉土、细砂层利用锚 喷墙作外墙模板22 北京公主坟商业大厦基坑边坡支护16.5 基本直立，粉砂土、砂砾石23 北京百盛大厦基坑边坡支护17.0基本直立，粉土、砂卵石层 7第二节第二节 土钉支护的基本原理土钉支护的基本原理一、 土钉应用原理土体的抗

9、剪强度较低，几乎没有抗拉强度，但土体具有一定的 结构整体性。在土体内放置一定长度和分布密集的锚钉，与土共 同作用，形成复合体，可弥补土体强度不足并发挥锚钉作用。在 基坑开挖的边坡中应用土钉，形成复合墙体，不仅有效地提高土 体的整体刚度，又弥补了土体抗拉、抗剪的不足，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 状态、显著提高了整体稳定性。试验证明：土钉复合墙体与素土承载力相比，经北京工业大学 试验提高23倍，更为重要的是，素土坡面出现网状裂缝，沉降 急剧增大，边坡突然崩塌。而土钉复合墙体，延迟了塑性变形阶 段，明显地为渐进性变形和开裂，逐步扩展，直至丧失承载能力 ，但

10、不发生整体性崩塌。土钉复合墙体产生这种性状，是通过锚钉与土体相互作用实 现的，这种作用一方面体现锚钉与土界面间阻力的发挥程度，8另一方面由于锚钉与土体刚度比相差很大，所以在复合体墙进 入塑性阶段后，锚钉自身作用增强，从而改善了复合体塑性变 形和破坏状态。 二、土钉的作用机理二、土钉的作用机理（一）、土钉对复合体起骨架约束作用（一）、土钉对复合体起骨架约束作用由于土钉本身的刚度和强度，以及它在土体内分布的空间组 成复合体的骨架，使复合土体构成一个整体，骨架有约束土体 变形的作用。（二）、土钉对复合体起分担作用（二）、土钉对复合体起分担作用在复合体内，锚钉与土体共同承担外荷载和自重应力，土钉 起着

11、分担作用。由于土钉有很高的抗拉、抗剪强度和土体无法 相比的抗弯刚度，所以在土体进入塑性状态后，应力逐渐向土 钉转移。当土体开裂时，土钉分担作用更为突出，这时土钉内 出现了弯剪、拉剪等复合应力，从而导致锚体中浆体碎裂、钢 筋屈服。复合体之所以塑性变形延迟，渐进性开裂，与锚钉的 分担作用是密切相关的。分担的比例取决于：91土钉与土体相对刚度比。2土钉所处的空间位置。3复合土体的应力水平。 （三）土钉起着应力传递与扩散作用（三）土钉起着应力传递与扩散作用北京工业大学的试验说明，当荷载增到一定程度，边坡表面 和内部裂缝已发展到一定宽度，此时坡脚应力最大。这时下层 锚体伸入到滑裂域外稳定土体中的部分仍能

12、提供较大的抗拉力 。锚体通过其应力传递作用，将滑裂域内部分应力传递到后边 稳定土体中，并分散在较大范围的土体内，降低应力集中程度 。（四）坡面变形的约束作用（四）坡面变形的约束作用在坡面上设置与土钉连在一起的钢筋网喷射混凝土面板，在坡面上设置与土钉连在一起的钢筋网喷射混凝土面板， 是发挥土钉有效作用的重要组成部分。喷射混凝土面板起到坡是发挥土钉有效作用的重要组成部分。喷射混凝土面板起到坡 面变形的约束作用，面板约束力取决于土钉表面与土的摩阻力面变形的约束作用，面板约束力取决于土钉表面与土的摩阻力 ，当复合土体开裂面区域扩大并连成片时，摩阻力主要来自开，当复合土体开裂面区域扩大并连成片时，摩阻力

13、主要来自开 裂区域后的稳定复合土体。裂区域后的稳定复合土体。10三、国外试验所得结果三、国外试验所得结果1986年在法国由政府主持进行一项大型模拟试验。通过试验 及现有试验资料分析，得出：1土钉墙变形一般是微小的，最大变形发生于顶部，越往下 越小。最大变形与开挖深度之比，一般为0.0010.0036，比锚 杆挡墙的水平位移要大一些，这种位移值在适用性和耐用性极限 范围之内。墙体内的水平变形随离开墙面距离增加而减小。2土钉的内力分布一般不均匀，在破裂面临近处达到最大， 往两端越来越小。土体产生微小变位才能使土钉受力，在喷射混 凝土面板附近土钉所受力不大，这表明土钉已将其所受力大部分 传到土体中去

14、了。土钉位置越往下。其最大受力点越往面板处移 。3在密集土钉加固的墙体，类似重力式挡墙，破坏时明显地 带有平移和转动的性质，故设计时除了验算土钉内部稳定(局部 滑动面破坏)性，以保证有足够的锚固长度、合理间距外，还必 需验算外部稳定(整体安全)，即验算土钉墙体的抗滑与抗倾覆安 全性。114根据大比例试验结果看，在土钉整体破坏之前，从未发现 喷射混凝土面板和锚头产生破坏现象，在实际工程中也未见锚头 有破坏现象。5复合墙体后的土压力分布接近三角形，在坡角处土压力减 少，其合力约为库仑土压力的70，这种土压力的减小，可能 是土钉将土连成一个整体面造成的。经过多次观察测量，发现土 压力值至少降低为库仑

15、土压力值的30一40。第三节、土钉喷射混凝土设计第三节、土钉喷射混凝土设计一、一、 设计内容设计内容1确定土钉的平面和剖面尺寸，及分段施工高度。2确定土钉布置方式和间距。3确定土钉的直径、长度、倾角及在空间的方向。4确定钢筋类型、直径及构造。5注浆配方设计、注浆方式、浆体强度指标。6喷射混凝土面层设计及坡顶防护措施。7土钉抗拔力验算。128进行整体稳定性分析。 9变形预测和可靠性分析。 10施工图设计及说明书。 11现场监测和质量控制设计。二、二、 设计原则与构造要求设计原则与构造要求1一般用于基坑在15m左右的边坡，斜面坡为700900。2土钉长度一般为开挖深度的0.51.5倍，其间距宜12

16、m， 土钉与水平面夹角宜为100200。3土钉必须和面层有效地连接在一起，常设有承压板和加强钢 筋。4土钉宜用级以上螺纹钢筋，钢筋直径宜为1632mm， 钻孔直径宜为70120mm。5喷射混凝土面层厚度宜为80200mm，常用为100mm。6喷射混凝土强度等级不宜低于C20。7喷射混凝土面层中应配钢筋网，钢筋网采用I级钢筋6 10mm，间距150300mm。8注浆材料宜用水泥净浆，强度不低于20MPa。 13三、三、 设计计算及公式设计计算及公式（一）条分法简介（一）条分法简介粘性土坡的稳定性分析（a）土坡剖面；（b）作用于土条上的力14此方法是瑞典Fellenius(1927)提出的。它不仅可以分析简 单土坡(亦即土坡的顶面和底面都是水平的，并延伸至无穷远 处，土坡由均质