岩土加固技术4土层锚杆与土钉墙支护

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1、4 土层锚杆与土钉墙支护技术,4 土层锚杆与土钉墙支护技术,4.1 一般概念 4.2 土钉的基本构造与分类 4.3 土钉加固特点与工作原理 4.4 土钉加固设计 4.5 土钉施工与设备,4.1 一般概念,4.1.1 土钉和土钉墙的基本概念,图4-1 土钉墙示意图,土钉的概念：又称土层锚杆，是杆状或索状材料与土体构成的锚固结构。 土钉墙的概念： 土钉加固常和喷混凝土一起使用，又称为土钉墙。它由被加固土体、土钉和面层组成。 由较小、较密的土钉加固的天然土体与面板相结合，既有与锚杆作用相同的土钉构成的加固体，又形成挡土墙式的“复合结构”，从而形成对土体的加固、支挡和稳定作用。 土钉兼有加固与锚固的双

2、重作用。,4.1.1 土钉和土钉墙的基本概念,土钉施工过程： 待土坑开挖一段深度后，在坡面上用面板（喷混凝土）覆盖，施工土钉，挂网，上锚，再复喷混凝土到设计厚度，然后继续开挖，并重复上述工序到足够深度。,4.1.1 土钉和土钉墙的基本概念,土钉墙的优点： 具有施工工艺、设备简单，需要场地小，开挖与支护可以并行作业，总体进度快，成本低，且具有无污染、噪声小、稳定可靠、社会效益与经济效益好等许多优点。 土钉的适用条件： 土钉墙技术对于地下水位以上，或经降水后标贯值大于10 的砂质土，或标贯值大于3 的粘性土都可以应用。 对于饱和软土中的应用成本较高但可采用复合土钉墙形式。,4.1.2 土钉加固技术

3、的发展概况,古代应用土层锚杆（纤维材料）修建城门、洞穴等。 因岩石锚杆的成功运用促进了现代土层锚杆技术的应用。 而土钉墙是在20世纪50年代的土层锚杆技术和60年代的加筋土技术的基础上发展起来的。 土钉墙技术特别适于挖方工程，并且结构简单、经济。 因此，国外和国内分别从20世纪70年代和80年代迅速地采用和发展了这项技术。,4.1.2 土钉加固技术的发展概况,在国际上： 1957年法国公司在土层中采用了锚杆加固的形式。 60年代就开始采用了加筋的土钉技术。,4.1.2 土钉加固技术的发展概况,有关土钉理论研究也不断被加强，已进行了大量模型试验，并获得了长期现场观测成果； 建立了通用的规范与专用

4、计算程序建筑基坑工程技术规程 （JGJ120-2012）。 1979年在法国巴黎就召开了专门的国际会议； 1990年美国的挡土结构国际会议上，土钉支护已经被列为专题内容，使它成为独立的土体加固学科分支。,4.1.2 土钉加固技术的发展概况,我国最早应用土钉结构是在20世纪70年代末或80年代初； 目前可应用土钉加固方法处理高边坡、深基坑等工程； 且在一些高地下水位软弱土层和土坡失稳、塌滑的事故抢险工程中的应用复合土钉。,4.1.3 土钉加固的应用,土钉加固主要用在土坡稳定和基坑加固的领域。 包括基础托换、基坑或竖井加固、斜坡挡土墙、稳定边坡面、与锚杆结合作斜面防护等。,城市建筑物基坑维护,城市

5、建筑物基坑维护,城市建筑物基坑维护,复合土钉墙技术,4.1.3 土钉加固的应用,在永久性工程方面： 可在土体开挖过程中或主体工程施工前作临时性支护。 如深基坑开挖支护、地下洞室口部的开挖支护、土坡的开挖支护等； 构筑永久性挡土结构。 如路堑土坡挡墙、桥台挡墙，隧道口部的正面和侧面挡墙等； 对已有挡土结构的加固、抢险、维修或改建。,4.1.3 土钉加固的应用,从土质上看，土钉支护适用于： 有一定毛细水粘聚力的中细砂土（含水量56）； 有一定天然胶结能力的砂土、砾石土和有天然粘聚力的粉土、低塑粘土、填土以及风化岩层等。 这些都是开挖时保持边坡切割面短时间稳定所必须的，否则就要预先加固土体。,4.1

6、.3 土钉加固的应用,土钉加固主要靠土与土钉间的粘结作用。 因此，对于软土其有效性和可靠性还比较差。特别是在高含水条件下，土钉支护容易失效。同样容易液化的土不宜单独采用土钉。 由于塑性粘土的蠕变变形严重，土钉加固的长期效果会受到大大影响，易使结构有较大位移。 因土钉在土层中工作，因此长期使用的土钉要解决防腐蚀问题。 使用土钉前应考虑有土钉的安设范围，并且不会对今后的工程或环境造成影响可回收结构。 目前土钉加固技术的应用还有一定的盲目性。随认识的提高，土钉支护存在的技术问题将被逐步完善和解决。,4.2 土钉的基本构造与分类,4.2.1 土钉的基本构造 包括：土体内的杆体（土钉）、面层结构和排防水

7、系统三部分组成。,4.2 土钉的基本构造与分类,（1）土钉 最常用土钉类型是：钻孔注浆钉，即先在土中成孔，置入变形钢筋，然后沿全长注浆填孔，这样整个土钉体由土钉钢筋和外裹的水泥砂浆组成。 需沿钉长每隔2.53.0m设对中支架。 土钉钢筋直径多在2535mm之间，置于75150mm或更大钻孔中。 最简单的注浆方式是重力注浆，一般情况下宜用低压注浆，并设置止浆塞和排气管；也可用二次劈裂注浆等增大界面粘结力的方法。 在浆液固结硬化后可对土钉中施加一定的预应力。,图4-4 钻孔注浆钉构造,4.2.1 土钉的基本构造,（2）面层 土钉支护面层结构：通常用50150 mm厚喷混凝土加钢筋网组成，钢筋直径为

8、610mm，网格200300 mm。 也采用预制混凝土板拼合，或由混凝土板与喷混凝土组合。 在块状岩体中，可仅用焊接网而不喷混凝土。 另可用土工织物作为面层，通过土钉压紧形成对表层土的约束。 在面层上绿化也成为结构要求的一部分（TBS挂网植草防护）。 土钉端部与面层的连接可采用螺母、垫板等方法，也可以将土钉钢筋通过井字形短钢筋相互焊接到钢筋网上。 连接处喷射混凝土层内应加设局部钢筋网以增加局部承压强度。,图4-5 土钉喷射混凝上面层做法,4.2.1 土钉的基本构造,（3）排水系统 土钉加固常常要求配设排水设施。目的： 以避免地表水的渗流造成对喷混凝土和金属层网的动水压力； 或因在土钉加固区域内

9、形成饱和土而降低土体强度和土与土钉间的结合力。 排水设施主要包括：设置地表排水沟或地表不透水面层，以及插进土体内部的各种排水管，和其它土坡排水方法。,4.2.2 土钉的分类,根据土钉的锚固方式，可分为： 钻孔灌浆式土钉 钻装（打入）式土钉 注浆式土钉（含压力注浆土钉、喷射注浆土钉） 混合式土钉,4.2.2 土钉的分类,钻孔灌浆式土钉 就是将锚杆钢筋置于先在土中钻成的孔中后，在孔内灌浆，形成由浆液粘结的土中锚杆。 钻装式土钉 就是采用机械振动冲击或液压锤将杆体材料直接打入土中，形成钉子式的加固作用。 注浆式土钉 就是土钉本身兼为注浆管。含压力注浆土钉、喷射注浆式土钉。 混合式土钉 这是将注浆与开

10、凿钻孔结合在一起的土钉施工方法。,4.3 土钉加固特点与工作原理,土钉加固的工作原理也和锚杆类似。 关系到:土体荷载（土压力）对土钉的作用、土与土钉间的相互作用、土钉的应力分布、土钉与面层相互影响及与土层的稳定关系等重要问题。 在理论和实验研究方面已经取得一系列成果，从而建立了相关技术规范和设计方法，应用广泛。但在土钉作用机制和耦合作用等方面还需深入研究。,4.3 土钉加固特点与工作原理,4.3.1 土钉加固的基本原理 1）土钉加固后可提高土体强度 C、 。 2）土钉和面层结构形成新的挡墙结构，可提供更高承载能力。 3）使土体处于三向应力状态。 除此之外，土体的变形和破坏是一个渐进的过程。 上

11、部土体的破坏，将使土体从承载体转变为荷载体；而土钉支护是随开挖过程而施筑的，在土体破坏前提供更高的承载能力而使土体保持承载体的作用，直到开挖的坡底，一直保证土体的高抵抗能力和完整性。,图4-6 强度提高系数与土钉设置 排数之间关系,图4-7 土钉墙加固前后承载力与位移对比,图4-8 土钉对应力状态的影响 （a）未加筋边坡的应力变化；（b）加筋边坡的应力状态,4.3.1 土钉加固的基本原理,按土钉墙的各结构要素分析其对土钉墙的贡献，可认为： 土钉：可以增加复合体的抗拉、抗剪能力，可阻止、推迟和延缓土体的塑性流动和滑塌。 注浆：浆液渗到土体的孔隙中对土颗粒起胶结作用，胶结改善了土体的松散性，提高了

12、原状土的整体性能，保证并加强了土、砂浆柱及钢筋之间力的传递和转移。 面层：使分布在土体中的土钉起共同作用，限制坡面膨胀和局部塌落，保持坡面完整性，并起护坡作用等。,4.3.1 土钉加固的基本原理,由于土钉与土体界面的摩阻力、联结作用以及土钉产生的应力与变形的分担作用，将大大地提高复合体的抗拉、抗剪能力以及整体稳定性； 面层可约束土向临空面的侧向变形，制约表面崩塌或侵蚀向土体内部的扩展，以及递次将相邻近的土钉联结协调为一个整体起着重要作用。 因此，土钉墙能将人工的构筑与天然原位土体的潜在自稳能力结合在一起，省工省料，是基坑开挖与边坡稳定的一种较理想的支护形式。,4.3.2 土钉加固作用的特点,土

13、钉是一种被动支护 土钉在安设以后就封闭土层表面（表层施工），不再施加预应力，对土没有预压作用。 土钉作用是在土体本身变形过程中引起土钉对土体变形的约束。 土钉施工与土坑开挖同步进行 土钉施工是随土体开挖到一定深度后立即进行，能保证支护的及时性。 其施工顺序也是跟随土体的开挖过程（如基坑施工总是随开挖由上而下施工）而进行的。,4.3.2 土钉加固作用的特点,布置比较密集 土钉支护是一种集体支护，依靠大量土钉的群体作用实现土坡的整体稳定，支护的可靠性高。土钉支护还属于柔性支护，有较好的抗震性。 辅有面板结构 为发挥土钉的作用和保证土体的整体稳定，单独的土钉作用是不够的，必须依靠面板结构。 一方面是

14、约束土钉周围坡面土体从而发挥土钉的控制作用，同时也是保证土钉群能在更大范围内的整体约束作用。,4.3.2 土钉加固作用的特点,适应性强，适用面宽 土钉支护的适应性强，适用面宽。可以适用于砂土、粘性土或破碎风化岩石。 工艺简单，对土层扰动小，成本低 土钉加固的施工过程对土体的扰动少，有利于保持土体原有的性能和强度。同时，土钉支护也是一种经济性的加固形式。,4.4 土钉加固设计,4.4.1 土钉加固土体破坏形式 4.4.2 土钉受力分析 4.4.3 土钉加固设计基本内容 4.4.4 土钉加固结构设计方法 4.4.5 土钉设计的强度与稳定性验算,4.4.1 土钉加固土体破坏形式,（1）土钉破坏形式

15、加固体内整体失稳破坏：指破坏时发生的滑动面在加固范围内部。 加固体外失稳破坏。有几种情况：滑动面通过面层根部附近的整体滑动、更大范围的滑动、面层和加固体沿基底面滑动、面层倾覆。,4.4.1 土钉加固土体破坏形式,局部破坏：如面层局部开裂或剥落、土钉与面层间破损、个别土钉失效。 面层超量变形：指面层虽未破坏，但变形量超过工程要求。,4.4.1 土钉加固土体破坏形式,（2）土坡滑动面形状 根据理论研究和对实测结果分析，并考虑计算的方便，一般将土钉加固下的土坡或基坑滑动面的形式假设为下面几种： 郎金土压力理论；双直线理论；直线假设方法；圆弧线；螺旋线。,4.4.2 土钉受力分析,（1）沿高度方向的土

16、钉受力 沿土坡高度不同，土钉的受力情况相差较大。 中部土钉：受力最大，靠顶部和基坑底部的受力较小。因此,中部土钉在边坡或基坑稳定中起到关键作用。 顶部土钉：对避免土体出现开裂及其进一步发展有重要作用，从而可减少下部土压力和坡面水平位移。 底部土钉：则起到防止边坡或基坑基底或更深部土体发生整体滑动，避免面层结构产生过大水平位移或发生倾覆等。,（1）沿高度方向的土钉受力,根据郎金土压力理论确定土钉压力 埋置不同深度的土钉的土压力公式为： 不考虑地面载荷时 结果是深度越大，土钉受的压力越大。 与前述观点有不一致之处！,（1）沿高度方向的土钉受力,根据Juran假设确定土钉最大拉力 Juran提出土钉压力呈梯形分布的简化式： TN的取值与土体性质相关砂土、黏性砂土、黏土。,（1）沿高度方向的土钉受力,根据建筑基坑支护技术规程 （JGJ120-2012）确定土压力分布 规程提出的土压力分布为： 为某土钉以长度中点为计算深度的 土体自重引起的土钉压力，其取值可根据不同土质进行选择。 地表荷载引起的侧压力。