基坑开挖边坡支护土钉墙设计讲义

土土钉墙钉墙支支护设护设计计土钉支护是近10多年来发展起来的用于土体开挖 和边坡稳定的一种新型挡土结构，由于经济、可靠 且施工快速简便，已在我国得到迅速推广和应用。在基坑开挖中，土钉支护现已成为桩、墙、撑和锚 支护之后又一项较为成熟的支护技术。所谓“土钉”（Soil Nails,源自法文Clouage de Sol），就是置入于现场原位土体中以较密间距排 列的细长杆件，如钢筋或钢管等，通常还外裹水泥 砂浆或水泥净浆浆体。土钉的特点是沿通长与周围 土体接触，以群体起作用，与周围土体形成一个组 合体。在土体发生微小变形的条件下，通过与土体 接触界面上的粘结力或摩擦力，使土钉被动受拉变 形，并主要通过受拉工作给土体以约束加固或使其 稳定。一、土一、土钉墙钉墙的工的工艺艺原理及特原理及特点点（一）土（一）土钉墙钉墙的工的工艺艺原原理理工工艺艺原理：土原理：土钉墙钉墙是采用土是采用土钉钉加固的基坑加固的基坑侧侧壁土壁土体体 与与护护面等面等组组成的成的结结构。它是将拉筋插入土体内部构。它是将拉筋插入土体内部全全 长长度与土粘度与土粘结结，并在坡面上挂，并在坡面上挂钢钢筋网并筋网并喷喷射混凝土射混凝土，从而形成加筋土体加固区段，用以提高整个原位从而形成加筋土体加固区段，用以提高整个原位土土 体的体的强强度并限制其位移，并增度并限制其位移，并增强强基坑基坑边边坡坡体的坡坡体的自自 身身稳稳定性定性。土土钉墙钉墙的的类类型：型：钻钻孔注孔注浆浆型土型土钉钉、打入型土、打入型土钉钉和和射射 入型土入型土钉钉（二）土（二）土钉墙钉墙支支护护的特的特点点1、能合理地利用土体的自承能力，将土体作、能合理地利用土体的自承能力，将土体作为为支支护结护结构的构的不不 可分割部分可分割部分；2、结结构构轻轻型，柔性大，有良好的抗震性和延性型，柔性大，有良好的抗震性和延性；3、施工便捷、安全，土、施工便捷、安全，土钉钉的制作与成孔的制作与成孔简单简单易行，且灵活易行，且灵活机机 动动，便于根据，便于根据现场监测现场监测的的变变形数据和特殊情况，及形数据和特殊情况，及时变时变更更设设 计计；4、施工不需、施工不需单单独占用独占用场场地，地，对对于施工于施工场场地狭小、放坡困地狭小、放坡困难难、有相有相邻邻建筑、大型建筑、大型护护坡施工坡施工设备设备不能不能进场时进场时，该该技技术显术显示示出出 独特的独特的优优越性越性；5、稳稳定可靠，支定可靠，支护护后后边边坡位移小，水平位移一般坡位移小，水平位移一般为为基坑深基坑深度度 的的0.10.2，最大不超，最大不超过过0.3，超，超载载能力能力强强；6、总总工期短，可以随开挖随支工期短，可以随开挖随支护护，基本不占用施工工期，基本不占用施工工期；7、费费用低，用低，经济经济，与其他支，与其他支护类护类型相比，工程造价降低型相比，工程造价降低1040左右左右。二、土二、土钉墙钉墙支支护护的的应应用范用范围围与适用条与适用条件件1、土、土钉墙钉墙支支护护的的应应用范用范围围托托换换基基础础；基坑或基坑或竖竖井的支井的支挡挡；基坑工程基坑工程抢险抢险；斜坡面的斜坡面的稳稳定定；与与预应预应力力锚锚杆相杆相结结合做斜面的防合做斜面的防护护。二、土二、土钉墙钉墙支支护护的的应应用范用范围围与适用条与适用条件件2、适用条、适用条件件土土钉钉墙墙支支护护一一般般适适用用于于地地下下水水位位以以上上或或进进行行人人工工降降水水后后的的可可 塑塑、硬硬塑塑或或坚坚硬硬的的粘粘性性土土，胶胶结结或或弱弱胶胶结结(包包括括毛毛细细水水粘粘结结)的的粉粉土土、砂砂土土和和角角砾砾、填填土土；随随着着土土钉钉墙墙理理论论与与施施工工技技术术的的 不不断断成成熟熟，在在经经过过大大量量工工程程实实践践后后，土土钉钉墙墙支支护护在在杂杂填填土土、松松散散砂砂土土、软软塑塑或或流流塑塑土土、软软土土中中也也得得以以应应用用，并并可可与与混混凝凝 土土灌灌注注桩桩、钢钢板板桩桩或或在在地地下下水水位位以以上上的的土土层层与与止止水水帷帷幕幕等等配配 合合使使用用进进行行支支护护，从从而而扩扩大大了了土土钉钉墙墙支支护护的的使使用用范范围围。采采用用 土土钉墙钉墙支支护护的基坑，其深度不宜超的基坑，其深度不宜超过过18m。三、土三、土钉墙钉墙的的设计设计与构与构造造（一）土（一）土钉墙钉墙的构的构造造土土钉墙钉墙一般由土一般由土钉钉、面、面层层、泄排水系、泄排水系统统等三部分等三部分组组 成。成。详细设计详细设计及构造及构造应应符合下列符合下列规规定定：1、土、土钉墙墙钉墙墙面坡度不宜大于面坡度不宜大于1：0.1；2、土、土钉钉必必须须和面和面层层有效有效连连接接应设应设置承置承压压板或加板或加强强钢钢筋等构造筋等构造措措 施，承施，承压压板或加板或加强强钢钢筋筋应应与土与土钉钉螺栓螺栓连连接或接或钢钢筋筋焊焊接接连连接接；3、土、土钉钉的的长长度宜度宜为为开挖深度的开挖深度的0.51.2倍，倍，间间距宜距宜为为12m，与水平面与水平面夹夹角宜角宜为为50200；4、土、土钉钢钉钢筋宜采用筋宜采用、级钢级钢筋，筋，钢钢筋直径宜筋直径宜为为1632mm，钻钻孔直径宜孔直径宜为为70120mm；三、土三、土钉墙钉墙的的设计设计与构与构造造（一）土（一）土钉墙钉墙的构的构造造5、注、注浆浆材料宜采用水泥材料宜采用水泥浆浆或水泥砂或水泥砂浆浆，其，其强强度等度等级级不宜低不宜低于于 M10；6、喷喷射混凝土面射混凝土面层应层应配置配置钢钢筋网，筋网，钢钢筋直径宜筋直径宜为为610mm，网网 格格间间距宜距宜为为150300mm，喷喷射混凝土射混凝土强强度等度等级级不宜低不宜低于于 C20，面面层层厚度不宜小于厚度不宜小于80mm；7、坡面上下段、坡面上下段钢钢筋网搭接筋网搭接长长度度应应大于大于300mm；8、当地下水位高于基坑底面、当地下水位高于基坑底面时应时应采取降水或截水措施，土采取降水或截水措施，土钉钉墙墙 墙顶应墙顶应采用砂采用砂浆浆或混凝土或混凝土护护面，坡面，坡顶顶和坡脚和坡脚应设应设排水措施，排水措施，坡坡 面上可根据具体情况面上可根据具体情况设设置泄水孔置泄水孔。土钉与面层的连接1垫块；2螺母；3喷射混凝土；4钢筋网；5土钉 钻孔；6土钉钢筋；7钢垫板；8锁定筋；9井字形钢筋；10网筋；11纵横主筋（二）土（二）土钉墙钉墙支支护护的作用机理、工作性能与的作用机理、工作性能与计计算方算方法法1、土、土钉墙钉墙支支护护的作用机的作用机理理土钉通过滑裂面将坑周土体加固，土钉与土共同工作，形成了能大大提高原状土强度和刚度的复合土体，如同 重力式挡土墙。在土体受力条件改变的情况下，土体必 然发生相应变形，通过土钉加固体与土的摩擦力，使土 钉被动受拉而给土体以约束加固使其稳定，它由密集的 土钉群、被加固的原位土体、喷射混凝土面层和必要的 防水系统组成。2、土、土钉墙钉墙支支护护的工作性的工作性能能土土钉钉墙墙支支护护变变形形较较小小，最最大大水水平平位位移移发发生生于于墙墙体体顶顶部部，越越 往往下下越越小小。土土钉钉墙墙支支护护体体内内的的水水平平位位移移随随离离开开墙墙面面距距离离增增 大而减少大而减少；土土钉钉内的拉力分布是不均匀的，一般呈内的拉力分布是不均匀的，一般呈现现中中间间大、两端大、两端小小 的的规规律，土体律，土体产产生微小生微小变变位才能使土位才能使土钉钉受力受力；采用密集土采用密集土钉钉加固的土加固的土钉墙钉墙支支护护性能性能类类似重力式似重力式挡挡土土墙墙，破坏破坏时时明明显带显带有平移和有平移和转动转动的性的性质质；在土在土钉墙钉墙支支护护整体破坏以前，整体破坏以前，喷喷射混凝土面射混凝土面层层和土和土钉钉一一般般 不会不会产产生破坏生破坏现现象象；墙墙面土面土压压力分布并不接近三角形，在坡角力分布并不接近三角形，在坡角处处土土压压力减少力减少，其合力其合力为库仑为库仑土土压压力的力的70，这这种土种土压压力减少是土力减少是土钉钉将将 土土连连接成一个整体而造成的。其土接成一个整体而造成的。其土压压力力值值至少降低至少降低库仑库仑土土 压压力力值值的的3040。3、土、土钉墙钉墙的的计计算方算方法法土土钉墙钉墙的研究在国内起步的研究在国内起步较较晚，其晚，其设计设计在理在理论论上尚无一上尚无一套套 完整完整严严格的分析格的分析计计算体系。目前国内比算体系。目前国内比较认较认可的可的计计算方算方法法 是参照建筑基坑支是参照建筑基坑支护护技技术规术规程程JGJ120-2012中的中的土土 钉钉抗拉承抗拉承载载力力计计算和土算和土钉墙钉墙整体整体稳稳定性定性验验算的方法算的方法进进行行设设 计计计计算算。17（一）土（一）土钉墙稳钉墙稳定定计计算分析方算分析方法法通通过过稳稳定定性性分分析析，可可以以验验证证所所选选土土钉钉各各个个参参数数的的 合合理理性性、可可行行性性，以以及及所所设设计计土土钉钉墙墙的的安安全全性性、适用性。土适用性。土钉墙钉墙可能破坏的形式分可能破坏的形式分为为内部破坏内部破坏(墙墙体内整体失体内整体失稳稳和局部破坏和局部破坏)外部破坏外部破坏(整体整体侧侧移、移、倾倾覆和整体滑移覆和整体滑移)超量超量变变形形三种三种类类型型。对对外部破坏分析，工程中一般采用外部破坏分析，工程中一般采用类类似重力似重力挡挡墙墙 设计设计方法方法进进行水平滑行水平滑动稳动稳定、抗定、抗倾倾覆覆稳稳定、定、墙墙底底 土承土承载载力和整体抗滑力和整体抗滑稳稳定定验验算；算；对对内部破坏分析内部破坏分析，目前尚无工程界普遍目前尚无工程界普遍认认同的方法，各国根据各同的方法，各国根据各自自 的的试验试验研究，提出了相研究，提出了相应应的分析和的分析和计计算方法，算方法，归归 纳纳起来，主要有极限平衡法、有限元法、工程起来，主要有极限平衡法、有限元法、工程简简 化分析法化分析法。18（二）土（二）土钉墙设计钉墙设计内内容容对对于一般土于一般土钉墙钉墙工程，工程，设计设计内容内容为为：根据根据总总体体设计设计布置确定土布置确定土钉墙钉墙的平、剖面尺寸的平、剖面尺寸；根据根据边边坡岩土特性确定分坡岩土特性确定分层层施工高度施工高度；确定土确定土钉钉布置方式和布置方式和间间距距；确定土确定土钉钉的直径、的直径、长长度和度和倾倾角角；确定土确定土钉钢钉钢筋的筋的类类型、直径和构造型、直径和构造；注注浆浆配比和注配比和注浆浆方式方式；喷喷射混凝土面板射混凝土面板设计设计及坡及坡顶顶防防护设计护设计；土土钉墙钉墙内部及整体内部及整体稳稳定分析定分析；排水系排水系统设计统设计；现场监测现场监测和和质质量控制量控制设计设计。（三）土钉墙设计一般原则（1）土）土钉墙钉墙高度宜控制在高度宜控制在20m以内，以内，墙墙面胸坡面胸坡为为1 0.11 0.4，根据地形地根据地形地质质条件，条件，边边坡坡较较高高时时宜宜设设多多级级。多。多级墙级墙上上、下下两两级级之之间应设间应设置平台，平台置平台，平台宽宽度不宜小于度不宜小于2m，每，每级墙级墙高不宜高不宜大大 于于10m。单级单级土土钉墙墙钉墙墙高宜控制在高宜控制在12m以内以内。（2）土）土钉钉的的长长度一般度一般为墙为墙高高H的的0.41.0倍（即倍（即0.41.0H）。）。岩岩质边质边坡宜坡宜为为0.40.7H，岩性岩性较较差及地下水差及地下水发发育育时时取大取大值值；非；非饱饱 和土土和土土质边质边坡宜坡宜为为0.61.0H。（3）土）土钉间钉间距距0.752m，与水平面与水平面夹夹角宜角宜为为520。（4）土）土钉墙设计应钉墙设计应遵循遵循“保住中部、保住中部、稳稳定坡脚定坡脚”的原的原则则。现场现场量量 测测结结果表明，沿支果表明，沿支护护高度上下分布的土高度上下分布的土钉钉，其受力，其受力为为中中间间大，上大，上部部 和和下部小。而数下部小。而数值值分析分析结结果表明，土果表明，土钉墙钉墙坡脚坡脚应应力集中明力集中明显显。因。因此此 设设计时边计时边坡中部的土坡中部的土钉钉宜适当