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1、第五章第五章 土钉墙土钉墙1沐风书苑本章内容本章内容5.1 5.1 概述概述5.25.2土钉的技术作用及其工作原理土钉的技术作用及其工作原理5.35.3 土钉支档体系设计土钉支档体系设计2沐风书苑5.1 5.1 概述概述一、土钉墙含义一、土钉墙含义 土钉是一种原位加筋技术。它是由水平或近于水平设置天然边坡或土钉是一种原位加筋技术。它是由水平或近于水平设置天然边坡或开挖形成的边坡中的加筋杆件及面层结构形成的挡土体系，用以改良原位开挖形成的边坡中的加筋杆件及面层结构形成的挡土体系，用以改良原位土体的性能，并与原位土体共同作用形成重力挡土墙式的轻型支型结构，土体的性能，并与原位土体共同作用形成重力挡
2、土墙式的轻型支型结构，从而提高整个边坡的稳定性。从而提高整个边坡的稳定性。 深基坑土钉墙是一项较新的挡深基坑土钉墙是一项较新的挡土结构，土结构，7070年代初在法、德、美等年代初在法、德、美等少数国家应用，少数国家应用，9292年底才在我国独年底才在我国独立开发和以研究。时间虽短，但已立开发和以研究。时间虽短，但已经在我国二十多个省市数百栋高层经在我国二十多个省市数百栋高层建筑地下室施工中得到应用，取得建筑地下室施工中得到应用，取得了巨大的经济效果。了巨大的经济效果。土钉墙示意图土钉墙示意图3沐风书苑5.1 5.1 概述概述预应力锚杆预应力锚杆喷射混凝土肋梁喷射混凝土肋梁复合土钉墙技术复合土钉
3、墙技术 土钉墙及微型钢管桩基坑支护土钉墙及微型钢管桩基坑支护4沐风书苑5.1 5.1 概述概述二、土二、土钉与与锚杆、加筋土的杆、加筋土的对比比（一）（一） 土土钉与与锚杆杆 1. 1.土土钉可被可被视为小尺寸被小尺寸被动式式锚杆（相同）；杆（相同）； 2. 2.预应力力问题：锚杆有，土杆有，土钉小或无；小或无； 3. 3.粘合粘合长度：度：锚杆杆仅在在锚固段，土固段，土钉在全在全长； 4. 4.设置密度：土置密度：土钉0.50.52.0m2.0m一根，密度高，一根，密度高，锚杆密度低；杆密度低； 5. 5.工作机理：工作机理：锚杆杆将将主主动区区荷荷载使主破裂使主破裂区区后的后的稳定定区内区
4、内；土；土钉是新是新奥奥法理法理论基基础重力式重力式挡土土墙； 6. 6.承受荷承受荷载：锚杆：杆：400kN400kN；土；土钉：100kN100kN以下；以下； 7. 7.施工施工规模：模：锚杆杆长、设备大；土大；土钉短、短、规模小。模小。（二）土（二）土钉与与加筋土加筋土 1. 1.受力机理（相同点）；受力机理（相同点）； 2. 2.应用范用范围：土：土钉用于用于稳定天然定天然边坡或坡或挖挖方方区区，土介，土介质不能人工不能人工选定。定。而加筋土可以人工而加筋土可以人工选填填料；料； 3. 3.施工施工顺序：土序：土钉自上而下；加筋土自下而上；自上而下；加筋土自下而上； 4. 4.设置形
5、式：土置形式：土钉可垂直于可垂直于锚在滑裂面，充分在滑裂面，充分发挥其抗剪强度，加筋其抗剪强度，加筋土一般水平布置。土一般水平布置。5沐风书苑5.1 5.1 概述概述三、土三、土钉的分的分类 （一）（一）钻孔注孔注浆型：型：100100200mm200mm插插入入钢筋、筋、钢杆或杆或钢绞索等索等构构件件压力注力注浆设置面置面网网喷射混凝土。射混凝土。 （二）打入型：（二）打入型：钢杆件杆件L50505L50505L60605L60605的等的等边角角钢；气气动土土钉机，土机，土钉长度一般小于度一般小于6m6m。 （三）射入型：射（三）射入型：射钉机。机。 重点介重点介绍钻孔注孔注浆型土型土钉。
6、四、土四、土钉的适用土的适用土层及其可行性及其可行性评价价 土土钉墙适用于地下水位以上或适用于地下水位以上或经过排降水排降水处理后的理后的杂填填土、粘性土、土、粘性土、黄黄土土与与弱弱胶胶结的砂土的砂土边坡；坡；N N值5 5以上的砂以上的砂质土和土和N N值在在3 3以上的粘性以上的粘性土。土。 不均不均匀匀系系数数小于小于2 2的的级配不良的砂土、配不良的砂土、软土土边坡及腐坡及腐蚀性土中土性土中土钉墙不适用。不适用。6沐风书苑5.1 5.1 概述概述四、四、应用用领域域（一）托（一）托换基基础（二）（二）竖井或基坑支井或基坑支档档（三）斜（三）斜边面面挡土土墙（四）（四）边坡坡稳定定（五
7、）（五）与与锚杆杆并并用的斜面防用的斜面防护7沐风书苑5.25.2土钉的技术作用及其工作原理土钉的技术作用及其工作原理 土体的抗剪强度低，抗拉强度几乎可以忽略。因土体的抗剪强度低，抗拉强度几乎可以忽略。因而自然土坡只能以较小的高度，即临界高度，直立存而自然土坡只能以较小的高度，即临界高度，直立存在。当土坡直立高度超过临界值或坡顶面荷载较大以在。当土坡直立高度超过临界值或坡顶面荷载较大以及其他环境因素发生变化时，将引起土坡的失稳。为及其他环境因素发生变化时，将引起土坡的失稳。为此常采用支档结构承受侧压力并限制其变形发展，这此常采用支档结构承受侧压力并限制其变形发展，这属于常规的被动制约机制的支挡
8、结构。土钉则是在土属于常规的被动制约机制的支挡结构。土钉则是在土体内增设一定长度与分布密度的锚固体，他与土体牢体内增设一定长度与分布密度的锚固体，他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，他属于主动制约机制的支强土坡坡体自身的稳定性，他属于主动制约机制的支档体系。档体系。8沐风书苑 其主要加固机理：其主要加固机理： 1 1、提高了原位土体强度、提高了原位土体强度 土钉在复合土体中起箍束骨架作土钉在复合土体中起箍束骨架作用，提高了土坡刚度与整体稳定性。用，提高了土坡刚度与整体稳定性。 2 2、在裂隙发育地层注浆，
9、按照裂隙注浆原理，浆液扩渗，、在裂隙发育地层注浆，按照裂隙注浆原理，浆液扩渗，形成网状胶结，增强土钉与周围土体的粘结，形成整体作用。形成网状胶结，增强土钉与周围土体的粘结，形成整体作用。 3 3、锚固原理主动区，被动区，类似于锚杆。、锚固原理主动区，被动区，类似于锚杆。 4 4、土钉之间面层土的变形通过钢筋网喷射混凝土进行约、土钉之间面层土的变形通过钢筋网喷射混凝土进行约束。束。5.25.2土土钉的技的技术作用及其工作原理作用及其工作原理9沐风书苑5.35.3土土钉支支挡体系体系设计一、土钉墙的破坏形式一、土钉墙的破坏形式 土钉置入现场土体后土钉置入现场土体后, ,如果土体不变形如果土体不变形
10、, ,土钉就不会土钉就不会受力。随着往下开挖或地表上施加荷载受力。随着往下开挖或地表上施加荷载, ,土体发生变形土体发生变形, ,于是通过土钉与土体或土体与钻孔注浆之间的界面作用于是通过土钉与土体或土体与钻孔注浆之间的界面作用使土钉参与工作。试验表明使土钉参与工作。试验表明, ,土体只要产生微小的变形就土体只要产生微小的变形就可使土钉受力。为能充分发挥土钉的作用可使土钉受力。为能充分发挥土钉的作用, ,土钉的设置方土钉的设置方向宜与土体可能发生的剪切滑移面成某一角度向宜与土体可能发生的剪切滑移面成某一角度, ,使土使土钉受拉并能充分提高土体的抗剪强度。钉受拉并能充分提高土体的抗剪强度。 10沐
11、风书苑土钉墙的可能破坏形式有土钉墙的可能破坏形式有: : (1) (1) 密集的土钉与周围土体形成一个加固的整体密集的土钉与周围土体形成一个加固的整体, ,若可能若可能发生剪切滑移破坏发生剪切滑移破坏, ,则呈整体破坏形式则呈整体破坏形式( (图图1) ,1) ,这时的土钉这时的土钉墙就如一个重力式挡土墙墙就如一个重力式挡土墙, ,在墙体内部在墙体内部, ,土钉沿全长受拉。土钉沿全长受拉。 (2) (2) 滑移面穿过土钉加固土体的全部或下部滑移面穿过土钉加固土体的全部或下部( (图图2) 2) 。这时。这时的土体被滑移面分割成主动区和被动区两部分的土体被滑移面分割成主动区和被动区两部分, ,可
12、能发生可能发生两种类型的土钉破坏两种类型的土钉破坏, ,或者是土钉在最大受力截面处拉断或者是土钉在最大受力截面处拉断, ,或者是土钉被拔出或者是土钉被拔出, ,已有的工程经验表明已有的工程经验表明, ,土钉破坏一般都土钉破坏一般都是拔出破坏。土钉的受拉破坏还在一定程度上受到其它因是拔出破坏。土钉的受拉破坏还在一定程度上受到其它因素的影响素的影响, ,如在滑移面上如在滑移面上, ,土钉不可避免的还会同时受到剪土钉不可避免的还会同时受到剪力和弯矩的作用。力和弯矩的作用。5.35.3土土钉支支挡体系体系设计11沐风书苑5.35.3土土钉支支挡体系体系设计12沐风书苑二、设计的要求及内容二、设计的要求
13、及内容（一）要求（一）要求 土钉墙结构的稳定必须经受内力和外力的作用。土钉墙结构的稳定必须经受内力和外力的作用。 内部稳定：内部稳定：1.1.单根土钉维持周围土体的平衡单根土钉维持周围土体的平衡 2.2.土钉长度控制（土钉与土间结合力）土钉长度控制（土钉与土间结合力） 外部稳定：外部稳定：1.1.加筋区必须能抵抗其后面非加筋区的外推加筋区必须能抵抗其后面非加筋区的外推 力而不能移动。力而不能移动。 2.2.加筋区自重及其所承受侧向土压力作用下加筋区自重及其所承受侧向土压力作用下 不能引起地基失稳。不能引起地基失稳。 3.3.挡土结构的稳定，必须考虑防止深层整体挡土结构的稳定，必须考虑防止深层整
14、体 破坏。破坏。5.35.3土钉支挡体系设计土钉支挡体系设计13沐风书苑（二）设计内容（二）设计内容 1. 1.根据土坡的几何尺寸（深度、坡角）。土性和超载根据土坡的几何尺寸（深度、坡角）。土性和超载情况，估算潜在破裂面位置。情况，估算潜在破裂面位置。 2. 2.选择土钉的形式，截面积、长度、设置倾角和间选择土钉的形式，截面积、长度、设置倾角和间距。距。 3. 3.验算土钉结构的内外部稳定性。验算土钉结构的内外部稳定性。三、估算潜在破裂面三、估算潜在破裂面 假定条件：假定条件：1.1.破裂面为圆弧形；破裂面为圆弧形；2.2.破坏时土钉最大拉破坏时土钉最大拉力和剪力在破裂面处确定可能的圆心点位置
15、力和剪力在破裂面处确定可能的圆心点位置确定圆确定圆心搜索区范围心搜索区范围确定最危险破裂面（确定最危险破裂面（K K值最小的圆心）值最小的圆心）5.35.3土土钉支支挡体系体系设计14沐风书苑5.35.3土土钉支支挡体系体系设计15沐风书苑5.35.3土土钉支支挡体系体系设计16沐风书苑5.35.3土土钉支支挡体系体系设计17沐风书苑四、土钉几何尺寸的确定四、土钉几何尺寸的确定 初步设计：初步设计： 土钉长度土钉长度L L 与基坑深度与基坑深度H H之比之比L L：H H0.70.71.01.0，密实砂土和干硬性，密实砂土和干硬性黏土取低值，饱和土或软黏土取低值，饱和土或软黏黏土取高值或土取高
16、值或2.02.0。第一排土钉。第一排土钉（顶层）可适当加长。初选可按下式（顶层）可适当加长。初选可按下式式中：式中：m m经验系数，经验系数，0.70.71.01.0； H H土坡的垂直高度，土坡的垂直高度，m m； S S0 0止浆器长度，止浆器长度，0.80.81.5m1.5m。 5.35.3土土钉支支挡体系体系设计18沐风书苑 2. 2.土钉孔直径及间距布置土钉孔直径及间距布置 土钉孔径土钉孔径120120200mm200mm，常用，常用120120150mm150mm。以。以SxSx，SySy表示土表示土钉的列距，取值与注浆的影响区域有关（一次压力注浆可使钉的列距，取值与注浆的影响区域
17、有关（一次压力注浆可使孔外孔外4D4D临近范围内有应力变化。故按（临近范围内有应力变化。故按（6 68 8）D D选定土钉选定土钉SxSx，SySy。 松散砂土和含水量高的软黏土可小到松散砂土和含水量高的软黏土可小到1m1m；而在干硬黏性土；而在干硬黏性土中可超过中可超过2m2m。竖向间距与每次开挖深度对应。竖向间距与每次开挖深度对应。 3. 3.土钉加筋杆直径土钉加筋杆直径dbdb 20 2035mm35mm的的级或级或级热轧变形钢筋或级热轧变形钢筋或dbdb(20(2025)25)1010-3-3 SxSx SySy 土钉的倾角土钉轴线与水平面的夹角土钉的倾角土钉轴线与水平面的夹角0 02
18、020，遇有局部，遇有局部障碍时允许上倾角施工。障碍时允许上倾角施工。5.35.3土土钉支支挡体系体系设计19沐风书苑5.35.3土土钉支支挡体系体系设计五、内部稳定性验算五、内部稳定性验算（一）（一） 土钉墙受土压力的计算土钉墙受土压力的计算土压力土压力N N 土钉墙受土压力的计算土钉墙受土压力的计算20沐风书苑5.35.3土土钉支支挡体系体系设计式中：式中： 范围内的侧压力范围内的侧压力P P的平均值；的平均值； 对于砂土对于砂土 对于黏性土对于黏性土 21沐风书苑5.35.3土土钉支支挡体系体系设计王步云建议的公式：王步云建议的公式：式中：式中：q q作用于土钉墙上的土压力，作用于土钉墙
19、上的土压力，kPakPa； m me e工作条件系数，临时土钉墙（工作条件系数，临时土钉墙（2 2年以内）年以内）1.101.10；永久土钉墙；永久土钉墙（2 2年以上），年以上），1.201.20； K K土压力系数，土压力系数，【 】，分别为静、主动土压力系数；，分别为静、主动土压力系数； 土的天然重度，土的天然重度，kN/mkN/m3 3； h h土压力作用点至坡顶距离，当土压力作用点至坡顶距离，当h hH/2H/2时，按实际取值；当时，按实际取值；当h hH/2H/2时，按时，按H/2H/2取值；取值； H H土坡的垂直高度，土坡的垂直高度，m m。（二）土钉受拉所满足强度条件（二）土
20、钉受拉所满足强度条件 抗拉断裂极限状态：抗拉断裂极限状态：22沐风书苑5.35.3土土钉支支挡体系体系设计锚固力极限状态：锚固力极限状态：式中：式中：K K，K K土钉的局部稳定性系数，土钉的局部稳定性系数，K K1.51.5，K K1.31.32.02.0，临时，临时 取低值，永久取高值；取低值，永久取高值； D D，d dh h土钉孔径和拉筋直径，土钉孔径和拉筋直径，m m； LeLe 土钉在稳定土体中的长度，土钉在稳定土体中的长度，LeLe0.50.5时，取时，取0 0； f fy y钢筋设计强度；钢筋设计强度； 土钉与土体间的粘结强度。土钉与土体间的粘结强度。23沐风书苑5.35.3土
21、土钉支支挡体系体系设计（三）（三） 喷射混凝土面层强度验算喷射混凝土面层强度验算 1. 1.土钉头所受土压力的局部冲切强度验算土钉头所受土压力的局部冲切强度验算式中：式中：K Kp p 安全系数，安全系数， KpKp 1.51.5； P Pk k土钉头板四周混凝土抗冲切能力，土钉头板四周混凝土抗冲切能力， ； b b土钉头处接钢筋的长度和宽度，土钉头处接钢筋的长度和宽度，m m； F F喷射混凝土抗剪强度；喷射混凝土抗剪强度； n n喷射混凝土厚度，喷射混凝土厚度，m m； Ep Ep作用在土钉头处的侧压力。作用在土钉头处的侧压力。 2. 2.土钉间喷射混凝土强度验算土钉间喷射混凝土强度验算
22、K Kp p= =局部土体下滑力局部土体下滑力/ /土钉间面板抗剪力土钉间面板抗剪力24沐风书苑5.35.3土土钉支支挡体系体系设计六、外部稳定性验算六、外部稳定性验算（一）（一） 土钉墙有效计算厚度的确定方法土钉墙有效计算厚度的确定方法以重力式挡墙方法分析以重力式挡墙方法分析当土钉水平布置时当土钉水平布置时 当土钉倾斜布置时当土钉倾斜布置时 （二）（二） 抗滑稳定性抗滑稳定性K Kh h抗滑力抗滑力/ /滑动力滑动力土钉墙外部稳定性验算25沐风书苑5.35.3土土钉支支挡体系体系设计式中：式中： K Kh h抗滑安全系数；抗滑安全系数； G GABCDABCD土体的重力；土体的重力； Ex
23、Ex，EyEy作用于墙背主动土压力作用于墙背主动土压力EaEa的水平及垂直分布；的水平及垂直分布；土土对对挡挡土土墙墙基基底底的的摩摩擦擦系系数数，查查表表，排排水水好好 ；排排水水不好不好, ,则：则：（三）（三） 倾覆稳定性验算倾覆稳定性验算 K Kq q稳定力矩稳定力矩/ /倾覆力矩倾覆力矩式中：式中：KqKq抗倾覆安全系数；抗倾覆安全系数； h h、b b、a a分分别别为为ExEx、G G、EyEy对对墙墙体外下踢脚的力臂。体外下踢脚的力臂。26沐风书苑5.35.3土土钉支支挡体系体系设计（四）（四） 地基强度验算（一般均满足要求）地基强度验算（一般均满足要求）式中：式中： 挡土墙底面边缘处的最大和最小压应力，挡土墙底面边缘处的最大和最小压应力，kPakPa； e e荷载作用于墙底面上的偏心距，荷载作用于墙底面上的偏心距，m m； f f地基承载力设计值，地基承载力设计值，kPakPa。 若通过以上验算并不能满足土钉外部稳定时，可若通过以上验算并不能满足土钉外部稳定时，可调整坡度角或增加土钉长度，以满足土钉墙的外部稳调整坡度角或增加土钉长度，以满足土钉墙的外部稳定性的要求。定性的要求。27沐风书苑
