深基坑與邊坡工程課件

5土釘支護(hù)5.1概述5.1.1土釘支護(hù)的概念土釘支護(hù)亦稱錨噴支護(hù)，就是逐層開挖基坑，逐層布置排列較密的土釘（鋼筋），強(qiáng)化邊坡土體，并在坡面鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，噴射混凝土。相應(yīng)的支護(hù)體稱為土釘墻，它由被加固的土體、放置在土體中的土釘與噴射混凝土面板三個(gè)緊密結(jié)合的部分組成。土釘是其最主要的構(gòu)件，英文名叫SoilNailing，它的設(shè)置有打入法，旋入法，以及先鉆孔、后置入、再灌漿三種方法。5土釘支護(hù)5.1概述1深基坑與邊坡工程課件25.1.2土釘?shù)陌l(fā)展70年代初，德國、法國和美國就各自開始了土釘支護(hù)的研究與應(yīng)用，但土釘誕生的原因并不相同。在德國是基于土層錨桿和加筋土擋墻發(fā)展起來的，在法國卻是基于新奧法的原理發(fā)展起來的，新奧法在60年代主要用于巖石隧道的支護(hù)，70年代初被成功的用于土質(zhì)隧道和土質(zhì)邊坡的支護(hù)。美國最早的土釘墻用于1974年匹茨堡PPG工業(yè)總部的深基坑支護(hù)。目前該技術(shù)在法國、德國、英國、美國和日本得到廣泛應(yīng)用。我國應(yīng)用土釘支護(hù)的首例工程可能是1980年山西柳灣煤礦的邊坡工程。最近十多年來，冶金建筑研究總院、北京工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、總參工程兵三所等單位在土釘支護(hù)的研究開發(fā)中做了不少工作。目前，這一新技術(shù)已經(jīng)在北京、深圳、廣州、武漢等全國各地得到了廣泛應(yīng)用。5.1.2土釘?shù)陌l(fā)展35.1.3土釘支護(hù)的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍一、特點(diǎn)與其它支護(hù)類型相比，土釘支護(hù)具有以下一些特點(diǎn)或優(yōu)點(diǎn)：1.土釘與土體共同形成了一個(gè)復(fù)合體，土體是支護(hù)結(jié)構(gòu)不可分割的部分。從而合理的利用了土體的自承能力。2.結(jié)構(gòu)輕柔，有良好的延性和抗震性。1989年美國加州7.1級(jí)地震中，震區(qū)內(nèi)有8個(gè)土釘墻結(jié)構(gòu)，其中有三個(gè)位于震中33km范圍內(nèi)，估計(jì)至少遭到了約0.4g的水平地震加速度作用，均未出現(xiàn)任何損害跡象。5.1.3土釘支護(hù)的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍一、特點(diǎn)43.施工設(shè)備簡(jiǎn)單。土釘?shù)闹谱髋c成孔、噴射混凝土面層都不需要復(fù)雜的技術(shù)和大型機(jī)具。4.施工占用場(chǎng)地少。需要堆放的材料設(shè)備少。5.對(duì)周圍環(huán)境的干擾小。沒有打樁或鉆孔機(jī)械的轟隆聲，也沒有地連墻施工時(shí)污濁的泥漿。6.土釘支護(hù)是邊開挖邊支護(hù)，流水作業(yè)，不占獨(dú)立工期，施工快捷。7.工程造價(jià)低，經(jīng)濟(jì)效益好，國內(nèi)外資料表明，土釘支護(hù)的工程造價(jià)能夠比其它支護(hù)低1/2~1/3。8.容易實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和信息化施工。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)位移或變形監(jiān)測(cè)反饋的信息，很容易調(diào)整土釘?shù)拈L(zhǎng)度和間距，也容易調(diào)整面層的厚度。既可以避免浪費(fèi)，又能夠防止出現(xiàn)工程事故。3.施工設(shè)備簡(jiǎn)單。土釘?shù)闹谱髋c成孔、噴射混凝土面層都不需要5二、適用范圍土釘支護(hù)適用于地下水位以上或經(jīng)人工降水措施后的雜填土、普通粘土或弱膠結(jié)的砂土的基坑支護(hù)或邊坡加固。一般認(rèn)為可用于標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N值在5以上的砂質(zhì)土與N值在3以上的粘性土。單獨(dú)的土釘墻宜用于深度不大于12m的基坑支護(hù)或邊坡維護(hù)，當(dāng)土釘墻與放坡開挖、土層錨桿聯(lián)合使用時(shí)，深度可以進(jìn)一步加大。土釘支護(hù)不宜用于含水豐富的粉細(xì)砂巖、砂礫卵石層和淤泥質(zhì)土。不得用于沒有自穩(wěn)能力的淤泥和飽和軟弱土層。二、適用范圍65.2土釘支護(hù)的基本原理5.2.1土釘?shù)淖饔脵C(jī)理總的說來，土釘在復(fù)合土體中有以下幾種作用機(jī)理：1.箍束骨架作用該作用是由土釘本身的剛度和強(qiáng)度，以及它在土體內(nèi)分布的空間所決定的。它在復(fù)合體中起骨架作用，使復(fù)合土體構(gòu)成一個(gè)整體，從而約束土體的變形和破壞。5.2土釘支護(hù)的基本原理5.2.1土釘?shù)淖饔脵C(jī)理72.分擔(dān)作用在復(fù)合體內(nèi)，土釘與土體共同承擔(dān)外荷載和自重應(yīng)力，土釘起著分擔(dān)作用。由于土釘有很高的抗拉、抗剪強(qiáng)度和土體無法相比的抗彎剛度，所以在土體進(jìn)入塑性狀態(tài)后，應(yīng)力逐漸向土釘轉(zhuǎn)移。當(dāng)土體發(fā)生開裂后，土釘?shù)姆謸?dān)作用更為突出，這時(shí)土釘內(nèi)出現(xiàn)了彎剪、拉剪等復(fù)合應(yīng)力，從而導(dǎo)致土釘中的漿體碎裂、鋼筋屈服。土釘墻之所以能夠延遲塑性變形，并表現(xiàn)出漸進(jìn)性開裂，與土釘?shù)姆謸?dān)作用是密切相關(guān)的。2.分擔(dān)作用83.應(yīng)力傳遞與擴(kuò)散作用北京工業(yè)大學(xué)的研究表明：當(dāng)荷載增加到一定程度，邊坡表面和內(nèi)部裂縫已經(jīng)發(fā)展到一定寬度，坡腳應(yīng)力達(dá)最大。此時(shí)，下部土釘位于滑裂區(qū)域以外土體中的部分仍然能夠提供較大的抗力。土釘通過它的應(yīng)力傳遞作用可將滑裂區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力傳遞到后面穩(wěn)定的土體中，分布在較大范圍的土體內(nèi)，降低應(yīng)力集中程度。4.對(duì)坡面變形的約束作用在坡面上設(shè)置的與土釘連在一起的鋼筋網(wǎng)噴射混凝土面板是發(fā)揮土釘有效作用的重要組成部分。噴射混凝土面板對(duì)坡面變形起到約束作用，面板的約束力取決于土釘表面與土之間的摩阻力，當(dāng)復(fù)合土體開裂面區(qū)域擴(kuò)大并連成片時(shí)，摩阻力主要來自開裂區(qū)域后的穩(wěn)定復(fù)合土體。3.應(yīng)力傳遞與擴(kuò)散作用95.2.2土釘墻的工作性能國內(nèi)外大型模擬試驗(yàn)結(jié)果及許多實(shí)際工程測(cè)試結(jié)果表明土釘墻具有以下幾點(diǎn)工作性能：1.土釘墻的變形一般是微小的，但比錨桿擋墻的水平位移要大一些。最大水平位移發(fā)生于墻體頂部，越往下越小。最大水平位移與開挖深度之比一般在1‰~3‰。這種位移值不會(huì)影響工程的適用性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，它對(duì)整個(gè)土釘墻來說，不應(yīng)當(dāng)是控制設(shè)計(jì)的主要因素。墻體內(nèi)的水平位移隨離開墻面的距離增加而減小。5.2.2土釘墻的工作性能國內(nèi)外大型模擬試驗(yàn)結(jié)果及許多實(shí)際102.土釘只有在土體產(chǎn)生微小變位后才能受力，開始開挖時(shí)，土釘上的最大拉力位于噴射混凝土面板附近，隨著開挖深度的增加，最大拉力的位置將從面層附近逐漸向深部土體中轉(zhuǎn)移，因此，越靠基坑底部的土釘，其最大受力點(diǎn)距離面板就越近。同一土釘內(nèi)的內(nèi)力分布一般呈現(xiàn)中間大，兩端小的規(guī)律，在破裂面臨近處達(dá)到最大。3.土釘墻上的土壓力以及不同土釘上的最大拉力沿基坑深度的分布都是中間大、上下小，接近梯形而不是三角形。2.土釘只有在土體產(chǎn)生微小變位后才能受力，開始開挖時(shí)，土釘114.采用密集土釘加固的土釘墻的性能類似于重力式擋墻，破壞時(shí)明顯地帶有平移和轉(zhuǎn)動(dòng)的性質(zhì)，故設(shè)計(jì)時(shí)除了要驗(yàn)算土釘墻的內(nèi)部穩(wěn)定性（局部滑動(dòng)破壞），以保證土釘有足夠的錨固長(zhǎng)度、直徑及合理間距外，還必需驗(yàn)算外部整體穩(wěn)定性，即驗(yàn)算土釘墻體的抗滑與抗傾覆安全性。5.根據(jù)大比例足尺試驗(yàn)結(jié)果看，在土釘墻整體破壞之前，并未發(fā)現(xiàn)噴射混凝土面板和錨頭產(chǎn)生破壞現(xiàn)象，在實(shí)際工程中也未見任何錨頭破壞現(xiàn)象。所以，在設(shè)計(jì)中，對(duì)面板和錨頭不要進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)，只要滿足結(jié)構(gòu)上的構(gòu)造要求即可。4.采用密集土釘加固的土釘墻的性能類似于重力式擋墻，破壞時(shí)125.3土釘支護(hù)設(shè)計(jì)5.3.1確定土釘墻結(jié)構(gòu)尺寸在初步設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)先根據(jù)基坑環(huán)境條件和工程地質(zhì)資料，確定土釘墻的適用性，然后確定土釘墻的結(jié)構(gòu)尺寸，土釘墻高度由工程開挖深度決定，開挖面坡度可取600~

900，在條件許可時(shí)，盡可能降低坡面坡度。土釘墻均是分層分段施工，每層開挖的最大高度取決于該土體可以自然站立而不破壞的能力。在砂性土中，每層開挖高度一般為0.5

~

2.0m，在粘性土中可以增大一些。開挖高度一般與土釘豎向間距相同，常用1.0

~1.5m；每層單次開挖的縱向長(zhǎng)度，取決于土體維持穩(wěn)定的最長(zhǎng)時(shí)間和施工流程的相互銜接，一般多用10m長(zhǎng)。5.3土釘支護(hù)設(shè)計(jì)5.3.1確定土釘墻結(jié)構(gòu)尺寸135.3.2參數(shù)設(shè)計(jì)土釘支護(hù)參數(shù)主要包括土釘長(zhǎng)度、間距、布置、孔徑和鋼筋直徑等。一、土釘長(zhǎng)度在實(shí)際工程中，土釘長(zhǎng)度L常采用坡面垂直高度H的60%

~

70%。土釘一般下斜，與水平面的夾角宜為50~200。Bruce和Jewell(1987)通過對(duì)十幾項(xiàng)土釘工程的分析表明：對(duì)鉆孔注漿型土釘，用于粒狀土陡坡加固時(shí)，L/H一般為0.5~

0.8；對(duì)打入型土釘，用于加固粒狀土陡坡時(shí)，其長(zhǎng)度比一般為0.5~

0.6。99規(guī)程要求L/H一般為0.5~

1.2。其實(shí)，只有在飽和軟土中才會(huì)取L/H大于1。5.3.2參數(shù)設(shè)計(jì)土釘支護(hù)參數(shù)主要包括土釘長(zhǎng)度、間距、布置14二、土釘直徑及間距土釘直徑D

一般由施工方法確定。打入的鋼筋土釘一般為16~32mm，常是25mm，打入鋼管一般是50mm；人工成孔時(shí)，孔徑一般為70~120mm，機(jī)械成孔時(shí)，孔徑一般為100

~150mm。土釘間距包括水平間距(列距)Sx和垂直間距(行距)Sy，其數(shù)值對(duì)土釘?shù)恼w作用效果有重要影響，大小宜為1~2m。對(duì)鉆孔注漿土釘，可按6

~12倍土釘直徑D選定土釘行距和列距，且宜滿足：Sx·Sy=K·D

·L(5-1)式中：

K

—

注漿工藝系數(shù)，一次壓力注漿，K

=

1.5~2.5；

D、L

—

土釘直徑和長(zhǎng)度，m；

Sx、Sy

—

土釘水平間距和垂直間距，m。二、土釘直徑及間距155.3.3穩(wěn)定性分析一、內(nèi)部穩(wěn)定分析土釘墻內(nèi)部穩(wěn)定性分析是為了保證土釘墻本身的穩(wěn)定，這時(shí)的破裂面全部或部分穿過加固土體的內(nèi)部，部分穿過加固土體時(shí)又稱為混合破壞。對(duì)內(nèi)部穩(wěn)定性的分析國內(nèi)外有數(shù)種不同的方法。下面僅介紹二種方法—冶建總院方法和Schlosser方法。5.3.3穩(wěn)定性分析一、內(nèi)部穩(wěn)定分析161.冶建總院方法—力矩極限平衡法（1）基本假定①破裂面為圓弧形，破壞是由圓形破裂面確定的準(zhǔn)剛性 區(qū)整體滑動(dòng)產(chǎn)生的；②破壞時(shí)，土釘?shù)淖畲罄图袅Χ荚谄屏衙嫣?；③沿著破裂面的土體抗剪強(qiáng)度能夠全部發(fā)揮，并且符合 庫侖公式；④假定小土條兩邊的水平作用力大小相等、方向相反、 且作用于一條直線上；（與瑞典條分法假設(shè)相同）⑤土體強(qiáng)度參數(shù)取加權(quán)平均值。1.冶建總院方法—力矩極限平衡法17（2）土釘受力簡(jiǎn)化土釘墻中的土釘受力狀態(tài)非常復(fù)雜，一般同時(shí)有拉應(yīng)力、剪應(yīng)力和彎矩。要合理地確定土釘中所產(chǎn)生的拉力、剪力和彎矩的大小往往是比較困難的。力矩極限平衡法在土釘墻穩(wěn)定性分析計(jì)算中僅考慮土釘?shù)目估饔?，并將土釘與土體界面摩阻力簡(jiǎn)化成沿土釘全長(zhǎng)均勻分布（實(shí)際土釘界面摩阻力的分布是非均勻的，一般在破裂面處最大，往兩邊逐漸減?。?。這是因?yàn)橥ぐl(fā)側(cè)向力相比，激發(fā)土釘?shù)目估芰λ蟮耐馏w變形量要小得多(Juran1985)，而且只考慮土釘?shù)目估饔媚苁沟梅治鲇?jì)算大大簡(jiǎn)化。大量足尺試驗(yàn)認(rèn)為，土釘剪力的作用是次要的，僅考慮抗拉作用的設(shè)計(jì)雖有點(diǎn)保守，卻是很方便的設(shè)計(jì)方法(Gassler1980)。土釘相對(duì)彎曲剛度對(duì)土釘墻安全系數(shù)的提高大約為0%

~15%之間(Glasgow1980)。（2）土釘受力簡(jiǎn)化18土釘?shù)目估芰x可以按照如下幾種情況計(jì)算：①由土釘與破裂面交點(diǎn)之外的土釘與土體間的摩擦力決定，即：Tx1=

·D

·LB·f（5-3） 式中： LB—

土釘伸入破裂面外約束區(qū)的長(zhǎng)度（m）;

f—

土釘與土體間的抗剪強(qiáng)度（kN/m2），一般應(yīng)由試驗(yàn)資料確定，如果無試驗(yàn)資料，可由下頁表5-1確定。土釘?shù)目估芰x可以按照如下幾種情況計(jì)算：19表5-1土釘錨固體與土體間的摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值表5-1土釘錨固體與土體間的摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值20②由土釘中的鋼筋強(qiáng)度fyk決定，即：Tx2

=1.1fyk

·

As (5-4)式中：As—

鋼筋截面積（m2）；③由土釘與破裂面相交點(diǎn)之外的鋼筋與砂漿間的粘結(jié)強(qiáng)度τg決定，即：Tx3=

·d

·(L-LB)·

g (5-5)式中：d—鋼筋直徑（m）；

g

—

鋼筋與砂漿界面的粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（kN/m2）（當(dāng)無試驗(yàn)資料時(shí)，可用注漿體的抗剪強(qiáng)度代替）。在實(shí)際計(jì)算中，取（5-3）~（5-5）式計(jì)算結(jié)果中的最小值作為土釘?shù)目估芰?biāo)準(zhǔn)值。一般情況下，土釘破壞均是土釘與土體界面的破壞，即土釘是被拔出的，因此，土釘?shù)目估芰?biāo)準(zhǔn)值通常由式（5-3）決定。②由土釘中的鋼筋強(qiáng)度fyk決定，即：21（3）最危險(xiǎn)破裂面的選擇土釘墻的實(shí)際破裂面是沒有確定形狀的，它往往取決于坡面的幾何形狀、土體的強(qiáng)度參數(shù)、土釘間距、土釘承載力以及土釘?shù)膬A斜角度等等。冶建總院法采用圓弧形破裂面，是因?yàn)樗c一些試驗(yàn)結(jié)果比較接近，并且圓弧形破裂面分析計(jì)算比較容易。雖然實(shí)際的土釘是三維空間分布，但為簡(jiǎn)化計(jì)算，仍用二維分析方法，取單位長(zhǎng)度的土釘墻來進(jìn)行穩(wěn)定性分析。最危險(xiǎn)破裂面具體選擇方法如下：①確定可能的圓心點(diǎn)位置根據(jù)Gred.Gadehus對(duì)于土坡穩(wěn)定性分析的研究結(jié)果，土坡圓弧滑動(dòng)可能的圓心位置是x

=

H

[(40

-

)

/

70

-

(

-

40)

/50]，y

=

H

[0.8

+

(40

-

)

/100]，它與土的內(nèi)摩擦角值、邊坡高度H及邊坡坡角

值有關(guān)。這個(gè)圓心的位置就是土釘墻穩(wěn)定性分析時(shí)圓心搜索區(qū)域的中心。（3）最危險(xiǎn)破裂面的選擇22②

確定圓心搜索區(qū)域范圍以上面確定的圓心位置為中心，四個(gè)方向各伸展0.35Hi，形成一個(gè)0.7Hi×0.7Hi的矩形區(qū)域作為計(jì)算滑裂面圓心的搜索范圍，經(jīng)反復(fù)計(jì)算驗(yàn)證，上面所確定的區(qū)域已足夠大，再擴(kuò)大搜索計(jì)算范圍已無必要，此處Hi=

H+H0(而H為每次計(jì)算的坡高，H0為坡頂超載換算的高度)。③

確定最危險(xiǎn)破裂面在滑裂面圓心搜索范圍內(nèi)按一定規(guī)律確定m×n個(gè)圓心，以圓心到計(jì)算高度底部連線為半徑畫弧，確定了m×n個(gè)圓弧形破裂面，分別計(jì)算每個(gè)滑裂面上考慮與不考慮土釘作用的穩(wěn)定安全系數(shù)，從中可以找到最小的安全系數(shù)，它所對(duì)應(yīng)的滑動(dòng)面就是最危險(xiǎn)破裂面。②確定圓心搜索區(qū)域范圍23（4）整體安全系數(shù)計(jì)算整體安全系數(shù)計(jì)算是改進(jìn)的穩(wěn)定性分析條分法(圖5-1)。對(duì)于施工時(shí)不同開挖高度和使用時(shí)不同位置，沿破裂面滑動(dòng)的安全系數(shù)等于滑裂面上抗滑力矩與下滑力矩之比(對(duì)應(yīng)于各自的圓心)。一般情況下整體安全系數(shù)應(yīng)大于1.2。圖5-1土釘墻的內(nèi)部穩(wěn)定性計(jì)算簡(jiǎn)圖（4）整體安全系數(shù)計(jì)算圖5-1土釘墻的內(nèi)部穩(wěn)定性計(jì)算簡(jiǎn)圖24①當(dāng)不考慮土釘作用時(shí)，其安全系數(shù)Ksi為：(5-6)②當(dāng)考慮土釘作用時(shí)，其安全系數(shù)Kpi為：(5-7)式中：Li—

土條滑動(dòng)面弧長(zhǎng)，m；Txj

—

某位置土釘?shù)目估文芰?biāo)準(zhǔn)值，kN；S

—

計(jì)算單元的寬度（一般取S

=

Sx），m；

i

—

滑動(dòng)面某處切線與水平面之間的夾角（0）；

i

—

某土釘與水平面之間的夾角（0）。①當(dāng)不考慮土釘作用時(shí)，其安全系數(shù)Ksi為：25（5）計(jì)算高度的選擇①使用階段計(jì)算高度的選擇以往人們的試驗(yàn)結(jié)果表明，在土釘墻建成以后，滑裂面破壞一般會(huì)通過某層土釘頭部附近位置；在最下排土釘離基坑底面較近的情況下，最危險(xiǎn)的滑動(dòng)面常常通過最下排土釘頭位置。因此，不但要計(jì)算基坑底部的滑裂面安全系數(shù)，還需計(jì)算通過每排土釘頭位置的滑裂面安全系數(shù)。②施工階段計(jì)算高度的選擇由于土釘墻是從上到下逐段施工而成的，因而在基坑邊坡開挖階段的穩(wěn)定性非常重要，它往往比建成土釘墻后使用階段更為危險(xiǎn)，尤其是某一層開挖完畢，而土釘還沒有安裝的情況下。因此，設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)要對(duì)每個(gè)開挖階段的這個(gè)時(shí)刻進(jìn)行穩(wěn)定性分析。（5）計(jì)算高度的選擇26（6）土釘抗拔力極限狀態(tài)驗(yàn)算土釘抗拔力驗(yàn)算是對(duì)內(nèi)部整體穩(wěn)定性分析的補(bǔ)充。為簡(jiǎn)化計(jì)算，采用圖5-2a所示的簡(jiǎn)化破裂面進(jìn)行土釘抗拔力驗(yàn)算，相應(yīng)的土壓力采用圖5-2b的形式，圖中K=

(1/2)(K0+Ka)，K0=1-sin，Ka=

tan2(450-

/2)。土釘抗拔力驗(yàn)算包括單根土釘抗拔力驗(yàn)算和計(jì)算斷面內(nèi)全部土釘總抗拔力驗(yàn)算。圖5-2土釘抗拔力驗(yàn)算簡(jiǎn)圖及土壓力分布圖（6）土釘抗拔力極限狀態(tài)驗(yàn)算圖5-2土釘抗拔力驗(yàn)算簡(jiǎn)圖及土27①單根土釘抗拔力驗(yàn)算在破裂面后土壓力的作用下，土釘墻內(nèi)部給定破裂面后的土釘有效錨固段應(yīng)能提供足夠的抗拉能力使土釘不被拔出或拉斷，應(yīng)滿足下式：>1 （5-8） Txj=Df{L-(H-

Hj)sin/

[sin

·sin(j)]}式中KBj—

某一土釘抗拔力安全系數(shù)，取1.5~2.0，臨時(shí)性土釘墻工程取小值，永久性工程取大值；Txj—

破裂面外土體對(duì)第

j個(gè)土釘提供的有效抗拉能力標(biāo)準(zhǔn)值（kN），破裂面與水平面間的夾角取(+)/2；①單根土釘抗拔力驗(yàn)算28②全部土釘?shù)目偪拱瘟︱?yàn)算由土釘墻內(nèi)部給定破裂面后土釘有效抗拔能力對(duì)土釘墻底部的力矩應(yīng)大于主動(dòng)土壓力所產(chǎn)生的力矩，即：>1 （5-9）式中：KF

—土釘總體抗拔力安全系數(shù)，取2.0~3.0，臨時(shí)性土 釘墻工程取小值，永久性工程取大值；Ea

—

整個(gè)面層所受的主動(dòng)土壓力合力（kN）；

Ha

—

主動(dòng)土壓力合力到土釘墻底面的距離（m）。②全部土釘?shù)目偪拱瘟︱?yàn)算292.法國的

Schlosser方法（1）土釘與土體間的界面摩阻力

對(duì)沒有超載或均勻超載的情況，土釘墻可能產(chǎn)生的破裂面與水平線的夾角為

=

(

+

)/2，如下圖所示。圖5-3Schlosser方法計(jì)算簡(jiǎn)圖2.法國的Schlosser方法圖5-3Schlos30考慮作用于土釘側(cè)面的水平應(yīng)力，土釘與土體間的摩阻力為：TNi=Lbi·tan··D

·[2+

(-2)·K0](5-10)式中：TNi—破裂面之外的土釘與土體間的界面摩阻力(kN)；Lbi—破裂面之外土釘?shù)腻^固長(zhǎng)度（m）；—

土釘有效錨固長(zhǎng)度以上的土層厚度（m）。計(jì)算單位寬度內(nèi)若干土釘?shù)目偰ψ枇Α芓Ni及側(cè)向總壓力E：E

=

0.5·Ka··H2 (5-11)

式中：Ka—主動(dòng)土壓力系數(shù)，考慮作用于土釘側(cè)面的水平應(yīng)力，土釘與土體間的摩阻力為：31土釘墻結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)為：K

=∑TNi

/

E考慮到目前為止已建土釘工程數(shù)量有限，建議K取2.5。土釘墻結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)為：32（2）土釘承受的拉力

每根土釘產(chǎn)生的拉力可假定為作用于該土釘所控制坡面面層上的側(cè)向土壓力。由于面層上的側(cè)向土壓力是隨著土釘設(shè)置深度的增大而增大的，所以，最低層的土釘上的拉力最大，其值可按下式計(jì)算：T

=

Ka··hm·Sx·Sy (5-12)式中：T

—

土釘?shù)睦Γ╧N）；hm—最底層土釘?shù)纳疃龋╩）；

Sx、Sy—土釘間的水平間距和垂直間距（m）。當(dāng)土釘鋼筋具有極限強(qiáng)度fu時(shí)，材料抗拉安全系數(shù)為：Kg=(fu·

·

d2/4)

/

T (5-13)（2）土釘承受的拉力33二、外部穩(wěn)定性分析土釘墻在內(nèi)部穩(wěn)定得到保證的情況下，它的作用類似重力式擋墻，所以土釘墻外部穩(wěn)定性分析可按重力式擋墻考慮，包括土釘墻的抗傾覆穩(wěn)定、抗滑動(dòng)穩(wěn)定及墻底土的承載力穩(wěn)定性，如右圖所示。計(jì)算時(shí)取單位長(zhǎng)度的土釘墻，厚度取土釘水平方向投影的11/12。圖5-4土釘墻外部穩(wěn)定性計(jì)算簡(jiǎn)圖二、外部穩(wěn)定性分析圖5-4土釘墻外部穩(wěn)定性計(jì)算簡(jiǎn)圖345.3.4土釘墻變形分析用極限平衡分析法無法了解變形信息，土釘墻的變形可以用有限元分析方法作出估計(jì)，但單純的有限元計(jì)算不一定能得出可信的定量數(shù)據(jù)；所以，目前對(duì)土釘墻變形性能的認(rèn)識(shí)主要來自對(duì)監(jiān)測(cè)資料的分析。Elias和Juran綜合工程實(shí)測(cè)和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，提出了以下幾點(diǎn)看法：（1）土釘墻變形引起的地表角變形和位移隨L/H增加而減少；（2）粗顆粒土中離開面層水平距離（1~1.25）H時(shí)，地表角變形(局部?jī)A斜)已不會(huì)對(duì)周圍地表建(構(gòu))筑造成影響；5.3.4土釘墻變形分析用極限平衡分析法無法了解變形信息，35（3）頂部最大水平位移與豎向沉降的比值隨L/H減少而增加，其最大值為1.0。對(duì)于常用的L/H=0.6~1.0情況，可取為1.0~0.75。這與一般的內(nèi)撐式支護(hù)相近；（4）增大土釘傾角，會(huì)增加地表變形與支護(hù)位移；（5）水平位移過大將導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞，最大水平位移一般不能大于5‰H。（3）頂部最大水平位移與豎向沉降的比值隨L/H減少而增加，其36Schlosser指出，在土釘墻面層頂部，最大水平位移

h與豎向位移v大體相等。最大水平位移H與墻高H的比值據(jù)法國觀測(cè)資料為1‰~3‰，德國為2.5‰~3‰。地表的水平位移和豎向位移在離開墻面為=k(1-tan)H處接近于零，其中為支護(hù)層面與鉛垂線的夾角，直立開挖時(shí)=0，k為系數(shù)，對(duì)風(fēng)化巖層，砂性土和粘性土分別為0.8、1.25和1.5。但是根據(jù)有些測(cè)斜儀的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來看，上式給出的值可能偏小。土釘墻后部地面的水平位移0據(jù)法國報(bào)道為0/H

=

(4~5)10-5，而相應(yīng)的h/H

=1‰~3‰。不過有一個(gè)早期的實(shí)測(cè)資料說，面層頂部最大水平變位為10mm（1.8‰），而離開面層0.53H和1.2H的地面處，仍有(0.7~1)‰的水平位移，不過這一支護(hù)為打入式土釘，釘體為50505的角鋼。Schlosser指出，在土釘墻面層頂部，最大水平位移h37看來對(duì)一般非飽和土中的土釘墻支護(hù)，如發(fā)現(xiàn)h/H大于3‰~4‰就應(yīng)視為有趨向失常的可能，需密切監(jiān)視。現(xiàn)在還沒有軟土中土釘支護(hù)的數(shù)據(jù)，據(jù)軟土中內(nèi)撐式支護(hù)的量測(cè)資料，軟土中變形值要比非飽和土中大得多?？梢愿鶕?jù)傳統(tǒng)支護(hù)變形的經(jīng)驗(yàn)來估計(jì)土釘墻支護(hù)對(duì)鄰近建筑物的影響，當(dāng)?shù)乇淼慕亲冃畏謩e超過1‰和1.3‰時(shí)，可能導(dǎo)致磚砌承重結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)中的建筑損害（如抹灰層開裂）。角變形如超過7‰，磚砌承重結(jié)構(gòu)本身就會(huì)遭到嚴(yán)重?fù)p害。我國在基坑支護(hù)設(shè)計(jì)中，一般要求對(duì)土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移和沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，據(jù)一些工程的統(tǒng)計(jì)，位移數(shù)據(jù)一般在5~50mm之間。看來對(duì)一般非飽和土中的土釘墻支護(hù)，如發(fā)現(xiàn)h/H大于3‰~4385.4施工技術(shù)土釘墻施工主要包括以下幾個(gè)方面：1.開挖基坑開挖應(yīng)分步進(jìn)行，分步開挖深度主要取決于暴露坡面的“直立”能力。另外，當(dāng)要求變形很小時(shí)，可視工地情況和經(jīng)濟(jì)效益將分步開挖的深度降至最低。在粒狀土中開挖深度一般為0.5~2.0m；對(duì)粘性土中每層開挖深度可按下式計(jì)算：（5-14）對(duì)超固結(jié)粘性土開挖深度可加大。5.4施工技術(shù)土釘墻施工主要包括以下幾個(gè)方面：39考慮到土釘施工設(shè)備，分步開挖寬度至少要6m，開挖長(zhǎng)度則取決于交叉施工期間能保持坡面穩(wěn)定的坡面面積。當(dāng)要求變形過于嚴(yán)格時(shí)，可分段開挖施工，各段長(zhǎng)度一般為10m。使用的開挖施工設(shè)備必須能挖出光滑規(guī)則的斜坡面，最大限度地減小對(duì)支護(hù)土層的擾動(dòng)。任何松動(dòng)部分在坡面支護(hù)前必須予以清除，對(duì)松散的或干燥的無粘性土，尤其是當(dāng)坡面受到外來振動(dòng)時(shí)，要先進(jìn)行灌漿處理，當(dāng)采用挖土機(jī)挖土?xí)r，應(yīng)輔以人工整修?？紤]到土釘施工設(shè)備，分步開挖寬度至少要6m，開挖長(zhǎng)度則取決于402.制作面層一般情況下，為了防止土體松弛和崩解，必須盡快做第一層面層。根據(jù)地層的性質(zhì)，可以在安設(shè)土釘之前做，也可在放置土釘之后做。對(duì)臨時(shí)工程，面層一般做一層，厚度為50~150mm；而對(duì)永久性工程則多用兩層或三層，厚度為100~300mm。兩次噴射作業(yè)應(yīng)留一定的時(shí)間間隔。根據(jù)工程規(guī)模、材料和設(shè)備的性能，可進(jìn)行“濕式”或“干式”噴射混凝土。通常規(guī)定最大粒徑10~15mm，并摻入適量外加劑以利加速固結(jié)。少數(shù)情況下還可降低固態(tài)混凝土的塑性。噴射混凝土的強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)當(dāng)?shù)陀贑15，混凝土中的水泥含量不宜低于400kg/m3，速凝噴射混凝土8h無側(cè)限抗壓強(qiáng)度應(yīng)達(dá)5Mpa，最好在養(yǎng)護(hù)24h后再投入工作。當(dāng)不允許產(chǎn)生裂縫時(shí)進(jìn)行適當(dāng)?shù)酿B(yǎng)護(hù)尤為重要。2.制作面層41噴射混凝土通常在每步開挖的底部預(yù)留300mm暫不噴射，并做成450的斜面形狀，這樣會(huì)有利于下步開挖后安裝鋼筋網(wǎng)，和下部450倒角的噴射混凝土層澆接。一般在面層和土釘交接處加一塊150mm150mm10mm或200mm200mm12mm的承壓板，承壓板后放置4~8根加強(qiáng)鋼筋。在噴射混凝土中，應(yīng)配置一定數(shù)量的鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)能對(duì)面層起加強(qiáng)作用，并對(duì)調(diào)整面層應(yīng)力有重要意義。鋼筋網(wǎng)間距通常為200mm~300mm，鋼筋直徑為Φ6mm~Φ10mm，在噴射混凝土面層中配置1~2層。有時(shí)，用粗鋼筋將各土釘相互連接起來，這樣面層的整體作用就能夠得到進(jìn)一步加強(qiáng)。噴射混凝土通常在每步開挖的底部預(yù)留300mm暫不噴射，并做成423.排水土釘支護(hù)的基坑開挖排水系統(tǒng)一般包括：（1）施工時(shí)應(yīng)提前沿坡頂挖設(shè)排水溝，并在坡頂一定范圍內(nèi)用混凝土或砂漿護(hù)面以排除地表水。（2）淺部排水：一般使用300mm~500mm長(zhǎng)的帶孔塑料管，上斜50或100，將坡后水迅速排除。這些管子的間距依地下水條件而定。（3）深部排水：用開縫管做排水管，長(zhǎng)度通常比土釘長(zhǎng)，管徑50mm，上斜50或100。其間距取決于土體和地下水條件，一般坡面3m2布置一個(gè)就足夠了。（4）在坡底設(shè)置排水鉤和集水井，將排入集水坑的水及時(shí)抽出。溝底應(yīng)比開挖面低30cm，寬度一般不小于30cm，坡度不小于3/1000；集水井井底應(yīng)比開挖面低70~100cm，直徑或?qū)挾?0~80cm。3.排水434.土釘施工按施工方法，目前主要有鉆孔注漿型土釘和打入型土釘兩種。（1）打入型土釘將鋼桿件直接打入土中，歐洲多用等邊角鋼（500mm500mm5mm~60mm60mm5mm）作為桿體，采用專門施工機(jī)械，如氣動(dòng)土釘機(jī)，能夠快速、準(zhǔn)確地將土釘打入土中。長(zhǎng)度一般不超過6m，用氣動(dòng)土釘機(jī)每小時(shí)可施工15根。其提供的摩阻力較低，因而要求土釘表面積和設(shè)置密度均大于鉆孔注漿型土釘。打入型土釘?shù)拈L(zhǎng)期防腐工作難以保證。目前多用于臨時(shí)性支擋工程。4.土釘施工44（2）鉆孔注漿型土先在土坡上鉆直徑為100~200mm的一定深度的橫孔，然后插入鋼筋、鋼桿或鋼鉸索等小直徑桿件，再用壓力注漿充實(shí)孔穴，形成與周圍土體密實(shí)粘合的土釘，最后在土坡坡面設(shè)置與土釘端部聯(lián)結(jié)的聯(lián)系構(gòu)件，并用噴射混凝土組成土釘面層結(jié)構(gòu)，從而構(gòu)成一個(gè)具有自撐能力且能夠支擋其后土壓力的加筋區(qū)域。鉆孔注漿型土釘可用于永久性或臨時(shí)性的支擋工程，是應(yīng)用最多的一種型式。但在粉土，粉細(xì)砂土中尤其是有地下水情況下，成孔困難，需用套筒成孔，費(fèi)用較大。鉆孔注漿型土釘?shù)氖┕すに嚺c土層錨桿相似，包括：成孔；清孔；置筋

；注漿

（2）鉆孔注漿型土455.土釘防腐在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境里，對(duì)臨時(shí)支護(hù)工程，一般僅由灌漿做銹蝕防護(hù)層。有時(shí)在鋼筋表面加一環(huán)氧涂層；對(duì)永久性工程，就要在筋外加一層至少有5mm厚的環(huán)狀塑料護(hù)層，以提高銹蝕防護(hù)的能力。5.土釘防腐465.5施工監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和要求

表5-25.5施工監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和要求47演講完畢，謝謝觀看！演講完畢，謝謝觀看！485土釘支護(hù)5.1概述5.1.1土釘支護(hù)的概念土釘支護(hù)亦稱錨噴支護(hù)，就是逐層開挖基坑，逐層布置排列較密的土釘（鋼筋），強(qiáng)化邊坡土體，并在坡面鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，噴射混凝土。相應(yīng)的支護(hù)體稱為土釘墻，它由被加固的土體、放置在土體中的土釘與噴射混凝土面板三個(gè)緊密結(jié)合的部分組成。土釘是其最主要的構(gòu)件，英文名叫SoilNailing，它的設(shè)置有打入法，旋入法，以及先鉆孔、后置入、再灌漿三種方法。5土釘支護(hù)5.1概述49深基坑與邊坡工程課件505.1.2土釘?shù)陌l(fā)展70年代初，德國、法國和美國就各自開始了土釘支護(hù)的研究與應(yīng)用，但土釘誕生的原因并不相同。在德國是基于土層錨桿和加筋土擋墻發(fā)展起來的，在法國卻是基于新奧法的原理發(fā)展起來的，新奧法在60年代主要用于巖石隧道的支護(hù)，70年代初被成功的用于土質(zhì)隧道和土質(zhì)邊坡的支護(hù)。美國最早的土釘墻用于1974年匹茨堡PPG工業(yè)總部的深基坑支護(hù)。目前該技術(shù)在法國、德國、英國、美國和日本得到廣泛應(yīng)用。我國應(yīng)用土釘支護(hù)的首例工程可能是1980年山西柳灣煤礦的邊坡工程。最近十多年來，冶金建筑研究總院、北京工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、總參工程兵三所等單位在土釘支護(hù)的研究開發(fā)中做了不少工作。目前，這一新技術(shù)已經(jīng)在北京、深圳、廣州、武漢等全國各地得到了廣泛應(yīng)用。5.1.2土釘?shù)陌l(fā)展515.1.3土釘支護(hù)的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍一、特點(diǎn)與其它支護(hù)類型相比，土釘支護(hù)具有以下一些特點(diǎn)或優(yōu)點(diǎn)：1.土釘與土體共同形成了一個(gè)復(fù)合體，土體是支護(hù)結(jié)構(gòu)不可分割的部分。從而合理的利用了土體的自承能力。2.結(jié)構(gòu)輕柔，有良好的延性和抗震性。1989年美國加州7.1級(jí)地震中，震區(qū)內(nèi)有8個(gè)土釘墻結(jié)構(gòu)，其中有三個(gè)位于震中33km范圍內(nèi)，估計(jì)至少遭到了約0.4g的水平地震加速度作用，均未出現(xiàn)任何損害跡象。5.1.3土釘支護(hù)的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍一、特點(diǎn)523.施工設(shè)備簡(jiǎn)單。土釘?shù)闹谱髋c成孔、噴射混凝土面層都不需要復(fù)雜的技術(shù)和大型機(jī)具。4.施工占用場(chǎng)地少。需要堆放的材料設(shè)備少。5.對(duì)周圍環(huán)境的干擾小。沒有打樁或鉆孔機(jī)械的轟隆聲，也沒有地連墻施工時(shí)污濁的泥漿。6.土釘支護(hù)是邊開挖邊支護(hù)，流水作業(yè)，不占獨(dú)立工期，施工快捷。7.工程造價(jià)低，經(jīng)濟(jì)效益好，國內(nèi)外資料表明，土釘支護(hù)的工程造價(jià)能夠比其它支護(hù)低1/2~1/3。8.容易實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和信息化施工。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)位移或變形監(jiān)測(cè)反饋的信息，很容易調(diào)整土釘?shù)拈L(zhǎng)度和間距，也容易調(diào)整面層的厚度。既可以避免浪費(fèi)，又能夠防止出現(xiàn)工程事故。3.施工設(shè)備簡(jiǎn)單。土釘?shù)闹谱髋c成孔、噴射混凝土面層都不需要53二、適用范圍土釘支護(hù)適用于地下水位以上或經(jīng)人工降水措施后的雜填土、普通粘土或弱膠結(jié)的砂土的基坑支護(hù)或邊坡加固。一般認(rèn)為可用于標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N值在5以上的砂質(zhì)土與N值在3以上的粘性土。單獨(dú)的土釘墻宜用于深度不大于12m的基坑支護(hù)或邊坡維護(hù)，當(dāng)土釘墻與放坡開挖、土層錨桿聯(lián)合使用時(shí)，深度可以進(jìn)一步加大。土釘支護(hù)不宜用于含水豐富的粉細(xì)砂巖、砂礫卵石層和淤泥質(zhì)土。不得用于沒有自穩(wěn)能力的淤泥和飽和軟弱土層。二、適用范圍545.2土釘支護(hù)的基本原理5.2.1土釘?shù)淖饔脵C(jī)理總的說來，土釘在復(fù)合土體中有以下幾種作用機(jī)理：1.箍束骨架作用該作用是由土釘本身的剛度和強(qiáng)度，以及它在土體內(nèi)分布的空間所決定的。它在復(fù)合體中起骨架作用，使復(fù)合土體構(gòu)成一個(gè)整體，從而約束土體的變形和破壞。5.2土釘支護(hù)的基本原理5.2.1土釘?shù)淖饔脵C(jī)理552.分擔(dān)作用在復(fù)合體內(nèi)，土釘與土體共同承擔(dān)外荷載和自重應(yīng)力，土釘起著分擔(dān)作用。由于土釘有很高的抗拉、抗剪強(qiáng)度和土體無法相比的抗彎剛度，所以在土體進(jìn)入塑性狀態(tài)后，應(yīng)力逐漸向土釘轉(zhuǎn)移。當(dāng)土體發(fā)生開裂后，土釘?shù)姆謸?dān)作用更為突出，這時(shí)土釘內(nèi)出現(xiàn)了彎剪、拉剪等復(fù)合應(yīng)力，從而導(dǎo)致土釘中的漿體碎裂、鋼筋屈服。土釘墻之所以能夠延遲塑性變形，并表現(xiàn)出漸進(jìn)性開裂，與土釘?shù)姆謸?dān)作用是密切相關(guān)的。2.分擔(dān)作用563.應(yīng)力傳遞與擴(kuò)散作用北京工業(yè)大學(xué)的研究表明：當(dāng)荷載增加到一定程度，邊坡表面和內(nèi)部裂縫已經(jīng)發(fā)展到一定寬度，坡腳應(yīng)力達(dá)最大。此時(shí)，下部土釘位于滑裂區(qū)域以外土體中的部分仍然能夠提供較大的抗力。土釘通過它的應(yīng)力傳遞作用可將滑裂區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力傳遞到后面穩(wěn)定的土體中，分布在較大范圍的土體內(nèi)，降低應(yīng)力集中程度。4.對(duì)坡面變形的約束作用在坡面上設(shè)置的與土釘連在一起的鋼筋網(wǎng)噴射混凝土面板是發(fā)揮土釘有效作用的重要組成部分。噴射混凝土面板對(duì)坡面變形起到約束作用，面板的約束力取決于土釘表面與土之間的摩阻力，當(dāng)復(fù)合土體開裂面區(qū)域擴(kuò)大并連成片時(shí)，摩阻力主要來自開裂區(qū)域后的穩(wěn)定復(fù)合土體。3.應(yīng)力傳遞與擴(kuò)散作用575.2.2土釘墻的工作性能國內(nèi)外大型模擬試驗(yàn)結(jié)果及許多實(shí)際工程測(cè)試結(jié)果表明土釘墻具有以下幾點(diǎn)工作性能：1.土釘墻的變形一般是微小的，但比錨桿擋墻的水平位移要大一些。最大水平位移發(fā)生于墻體頂部，越往下越小。最大水平位移與開挖深度之比一般在1‰~3‰。這種位移值不會(huì)影響工程的適用性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，它對(duì)整個(gè)土釘墻來說，不應(yīng)當(dāng)是控制設(shè)計(jì)的主要因素。墻體內(nèi)的水平位移隨離開墻面的距離增加而減小。5.2.2土釘墻的工作性能國內(nèi)外大型模擬試驗(yàn)結(jié)果及許多實(shí)際582.土釘只有在土體產(chǎn)生微小變位后才能受力，開始開挖時(shí)，土釘上的最大拉力位于噴射混凝土面板附近，隨著開挖深度的增加，最大拉力的位置將從面層附近逐漸向深部土體中轉(zhuǎn)移，因此，越靠基坑底部的土釘，其最大受力點(diǎn)距離面板就越近。同一土釘內(nèi)的內(nèi)力分布一般呈現(xiàn)中間大，兩端小的規(guī)律，在破裂面臨近處達(dá)到最大。3.土釘墻上的土壓力以及不同土釘上的最大拉力沿基坑深度的分布都是中間大、上下小，接近梯形而不是三角形。2.土釘只有在土體產(chǎn)生微小變位后才能受力，開始開挖時(shí)，土釘594.采用密集土釘加固的土釘墻的性能類似于重力式擋墻，破壞時(shí)明顯地帶有平移和轉(zhuǎn)動(dòng)的性質(zhì)，故設(shè)計(jì)時(shí)除了要驗(yàn)算土釘墻的內(nèi)部穩(wěn)定性（局部滑動(dòng)破壞），以保證土釘有足夠的錨固長(zhǎng)度、直徑及合理間距外，還必需驗(yàn)算外部整體穩(wěn)定性，即驗(yàn)算土釘墻體的抗滑與抗傾覆安全性。5.根據(jù)大比例足尺試驗(yàn)結(jié)果看，在土釘墻整體破壞之前，并未發(fā)現(xiàn)噴射混凝土面板和錨頭產(chǎn)生破壞現(xiàn)象，在實(shí)際工程中也未見任何錨頭破壞現(xiàn)象。所以，在設(shè)計(jì)中，對(duì)面板和錨頭不要進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)，只要滿足結(jié)構(gòu)上的構(gòu)造要求即可。4.采用密集土釘加固的土釘墻的性能類似于重力式擋墻，破壞時(shí)605.3土釘支護(hù)設(shè)計(jì)5.3.1確定土釘墻結(jié)構(gòu)尺寸在初步設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)先根據(jù)基坑環(huán)境條件和工程地質(zhì)資料，確定土釘墻的適用性，然后確定土釘墻的結(jié)構(gòu)尺寸，土釘墻高度由工程開挖深度決定，開挖面坡度可取600~

900，在條件許可時(shí)，盡可能降低坡面坡度。土釘墻均是分層分段施工，每層開挖的最大高度取決于該土體可以自然站立而不破壞的能力。在砂性土中，每層開挖高度一般為0.5

~

2.0m，在粘性土中可以增大一些。開挖高度一般與土釘豎向間距相同，常用1.0

~1.5m；每層單次開挖的縱向長(zhǎng)度，取決于土體維持穩(wěn)定的最長(zhǎng)時(shí)間和施工流程的相互銜接，一般多用10m長(zhǎng)。5.3土釘支護(hù)設(shè)計(jì)5.3.1確定土釘墻結(jié)構(gòu)尺寸615.3.2參數(shù)設(shè)計(jì)土釘支護(hù)參數(shù)主要包括土釘長(zhǎng)度、間距、布置、孔徑和鋼筋直徑等。一、土釘長(zhǎng)度在實(shí)際工程中，土釘長(zhǎng)度L常采用坡面垂直高度H的60%

~

70%。土釘一般下斜，與水平面的夾角宜為50~200。Bruce和Jewell(1987)通過對(duì)十幾項(xiàng)土釘工程的分析表明：對(duì)鉆孔注漿型土釘，用于粒狀土陡坡加固時(shí)，L/H一般為0.5~

0.8；對(duì)打入型土釘，用于加固粒狀土陡坡時(shí)，其長(zhǎng)度比一般為0.5~

0.6。99規(guī)程要求L/H一般為0.5~

1.2。其實(shí)，只有在飽和軟土中才會(huì)取L/H大于1。5.3.2參數(shù)設(shè)計(jì)土釘支護(hù)參數(shù)主要包括土釘長(zhǎng)度、間距、布置62二、土釘直徑及間距土釘直徑D

一般由施工方法確定。打入的鋼筋土釘一般為16~32mm，常是25mm，打入鋼管一般是50mm；人工成孔時(shí)，孔徑一般為70~120mm，機(jī)械成孔時(shí)，孔徑一般為100

~150mm。土釘間距包括水平間距(列距)Sx和垂直間距(行距)Sy，其數(shù)值對(duì)土釘?shù)恼w作用效果有重要影響，大小宜為1~2m。對(duì)鉆孔注漿土釘，可按6

~12倍土釘直徑D選定土釘行距和列距，且宜滿足：Sx·Sy=K·D

·L(5-1)式中：

K

—

注漿工藝系數(shù)，一次壓力注漿，K

=

1.5~2.5；

D、L

—

土釘直徑和長(zhǎng)度，m；

Sx、Sy

—

土釘水平間距和垂直間距，m。二、土釘直徑及間距635.3.3穩(wěn)定性分析一、內(nèi)部穩(wěn)定分析土釘墻內(nèi)部穩(wěn)定性分析是為了保證土釘墻本身的穩(wěn)定，這時(shí)的破裂面全部或部分穿過加固土體的內(nèi)部，部分穿過加固土體時(shí)又稱為混合破壞。對(duì)內(nèi)部穩(wěn)定性的分析國內(nèi)外有數(shù)種不同的方法。下面僅介紹二種方法—冶建總院方法和Schlosser方法。5.3.3穩(wěn)定性分析一、內(nèi)部穩(wěn)定分析641.冶建總院方法—力矩極限平衡法（1）基本假定①破裂面為圓弧形，破壞是由圓形破裂面確定的準(zhǔn)剛性 區(qū)整體滑動(dòng)產(chǎn)生的；②破壞時(shí)，土釘?shù)淖畲罄图袅Χ荚谄屏衙嫣帲虎垩刂屏衙娴耐馏w抗剪強(qiáng)度能夠全部發(fā)揮，并且符合 庫侖公式；④假定小土條兩邊的水平作用力大小相等、方向相反、 且作用于一條直線上；（與瑞典條分法假設(shè)相同）⑤土體強(qiáng)度參數(shù)取加權(quán)平均值。1.冶建總院方法—力矩極限平衡法65（2）土釘受力簡(jiǎn)化土釘墻中的土釘受力狀態(tài)非常復(fù)雜，一般同時(shí)有拉應(yīng)力、剪應(yīng)力和彎矩。要合理地確定土釘中所產(chǎn)生的拉力、剪力和彎矩的大小往往是比較困難的。力矩極限平衡法在土釘墻穩(wěn)定性分析計(jì)算中僅考慮土釘?shù)目估饔?，并將土釘與土體界面摩阻力簡(jiǎn)化成沿土釘全長(zhǎng)均勻分布（實(shí)際土釘界面摩阻力的分布是非均勻的，一般在破裂面處最大，往兩邊逐漸減小）。這是因?yàn)橥ぐl(fā)側(cè)向力相比，激發(fā)土釘?shù)目估芰λ蟮耐馏w變形量要小得多(Juran1985)，而且只考慮土釘?shù)目估饔媚苁沟梅治鲇?jì)算大大簡(jiǎn)化。大量足尺試驗(yàn)認(rèn)為，土釘剪力的作用是次要的，僅考慮抗拉作用的設(shè)計(jì)雖有點(diǎn)保守，卻是很方便的設(shè)計(jì)方法(Gassler1980)。土釘相對(duì)彎曲剛度對(duì)土釘墻安全系數(shù)的提高大約為0%

~15%之間(Glasgow1980)。（2）土釘受力簡(jiǎn)化66土釘?shù)目估芰x可以按照如下幾種情況計(jì)算：①由土釘與破裂面交點(diǎn)之外的土釘與土體間的摩擦力決定，即：Tx1=

·D

·LB·f（5-3） 式中： LB—

土釘伸入破裂面外約束區(qū)的長(zhǎng)度（m）;

f—

土釘與土體間的抗剪強(qiáng)度（kN/m2），一般應(yīng)由試驗(yàn)資料確定，如果無試驗(yàn)資料，可由下頁表5-1確定。土釘?shù)目估芰x可以按照如下幾種情況計(jì)算：67表5-1土釘錨固體與土體間的摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值表5-1土釘錨固體與土體間的摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值68②由土釘中的鋼筋強(qiáng)度fyk決定，即：Tx2

=1.1fyk

·

As (5-4)式中：As—

鋼筋截面積（m2）；③由土釘與破裂面相交點(diǎn)之外的鋼筋與砂漿間的粘結(jié)強(qiáng)度τg決定，即：Tx3=

·d

·(L-LB)·

g (5-5)式中：d—鋼筋直徑（m）；

g

—

鋼筋與砂漿界面的粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（kN/m2）（當(dāng)無試驗(yàn)資料時(shí)，可用注漿體的抗剪強(qiáng)度代替）。在實(shí)際計(jì)算中，取（5-3）~（5-5）式計(jì)算結(jié)果中的最小值作為土釘?shù)目估芰?biāo)準(zhǔn)值。一般情況下，土釘破壞均是土釘與土體界面的破壞，即土釘是被拔出的，因此，土釘?shù)目估芰?biāo)準(zhǔn)值通常由式（5-3）決定。②由土釘中的鋼筋強(qiáng)度fyk決定，即：69（3）最危險(xiǎn)破裂面的選擇土釘墻的實(shí)際破裂面是沒有確定形狀的，它往往取決于坡面的幾何形狀、土體的強(qiáng)度參數(shù)、土釘間距、土釘承載力以及土釘?shù)膬A斜角度等等。冶建總院法采用圓弧形破裂面，是因?yàn)樗c一些試驗(yàn)結(jié)果比較接近，并且圓弧形破裂面分析計(jì)算比較容易。雖然實(shí)際的土釘是三維空間分布，但為簡(jiǎn)化計(jì)算，仍用二維分析方法，取單位長(zhǎng)度的土釘墻來進(jìn)行穩(wěn)定性分析。最危險(xiǎn)破裂面具體選擇方法如下：①確定可能的圓心點(diǎn)位置根據(jù)Gred.Gadehus對(duì)于土坡穩(wěn)定性分析的研究結(jié)果，土坡圓弧滑動(dòng)可能的圓心位置是x

=

H

[(40

-

)

/

70

-

(

-

40)

/50]，y

=

H

[0.8

+

(40

-

)

/100]，它與土的內(nèi)摩擦角值、邊坡高度H及邊坡坡角

值有關(guān)。這個(gè)圓心的位置就是土釘墻穩(wěn)定性分析時(shí)圓心搜索區(qū)域的中心。（3）最危險(xiǎn)破裂面的選擇70②

確定圓心搜索區(qū)域范圍以上面確定的圓心位置為中心，四個(gè)方向各伸展0.35Hi，形成一個(gè)0.7Hi×0.7Hi的矩形區(qū)域作為計(jì)算滑裂面圓心的搜索范圍，經(jīng)反復(fù)計(jì)算驗(yàn)證，上面所確定的區(qū)域已足夠大，再擴(kuò)大搜索計(jì)算范圍已無必要，此處Hi=

H+H0(而H為每次計(jì)算的坡高，H0為坡頂超載換算的高度)。③

確定最危險(xiǎn)破裂面在滑裂面圓心搜索范圍內(nèi)按一定規(guī)律確定m×n個(gè)圓心，以圓心到計(jì)算高度底部連線為半徑畫弧，確定了m×n個(gè)圓弧形破裂面，分別計(jì)算每個(gè)滑裂面上考慮與不考慮土釘作用的穩(wěn)定安全系數(shù)，從中可以找到最小的安全系數(shù)，它所對(duì)應(yīng)的滑動(dòng)面就是最危險(xiǎn)破裂面。②確定圓心搜索區(qū)域范圍71（4）整體安全系數(shù)計(jì)算整體安全系數(shù)計(jì)算是改進(jìn)的穩(wěn)定性分析條分法(圖5-1)。對(duì)于施工時(shí)不同開挖高度和使用時(shí)不同位置，沿破裂面滑動(dòng)的安全系數(shù)等于滑裂面上抗滑力矩與下滑力矩之比(對(duì)應(yīng)于各自的圓心)。一般情況下整體安全系數(shù)應(yīng)大于1.2。圖5-1土釘墻的內(nèi)部穩(wěn)定性計(jì)算簡(jiǎn)圖（4）整體安全系數(shù)計(jì)算圖5-1土釘墻的內(nèi)部穩(wěn)定性計(jì)算簡(jiǎn)圖72①當(dāng)不考慮土釘作用時(shí)，其安全系數(shù)Ksi為：(5-6)②當(dāng)考慮土釘作用時(shí)，其安全系數(shù)Kpi為：(5-7)式中：Li—

土條滑動(dòng)面弧長(zhǎng)，m；Txj

—

某位置土釘?shù)目估文芰?biāo)準(zhǔn)值，kN；S

—

計(jì)算單元的寬度（一般取S

=

Sx），m；

i

—

滑動(dòng)面某處切線與水平面之間的夾角（0）；

i

—

某土釘與水平面之間的夾角（0）。①當(dāng)不考慮土釘作用時(shí)，其安全系數(shù)Ksi為：73（5）計(jì)算高度的選擇①使用階段計(jì)算高度的選擇以往人們的試驗(yàn)結(jié)果表明，在土釘墻建成以后，滑裂面破壞一般會(huì)通過某層土釘頭部附近位置；在最下排土釘離基坑底面較近的情況下，最危險(xiǎn)的滑動(dòng)面常常通過最下排土釘頭位置。因此，不但要計(jì)算基坑底部的滑裂面安全系數(shù)，還需計(jì)算通過每排土釘頭位置的滑裂面安全系數(shù)。②施工階段計(jì)算高度的選擇由于土釘墻是從上到下逐段施工而成的，因而在基坑邊坡開挖階段的穩(wěn)定性非常重要，它往往比建成土釘墻后使用階段更為危險(xiǎn)，尤其是某一層開挖完畢，而土釘還沒有安裝的情況下。因此，設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)要對(duì)每個(gè)開挖階段的這個(gè)時(shí)刻進(jìn)行穩(wěn)定性分析。（5）計(jì)算高度的選擇74（6）土釘抗拔力極限狀態(tài)驗(yàn)算土釘抗拔力驗(yàn)算是對(duì)內(nèi)部整體穩(wěn)定性分析的補(bǔ)充。為簡(jiǎn)化計(jì)算，采用圖5-2a所示的簡(jiǎn)化破裂面進(jìn)行土釘抗拔力驗(yàn)算，相應(yīng)的土壓力采用圖5-2b的形式，圖中K=

(1/2)(K0+Ka)，K0=1-sin，Ka=

tan2(450-

/2)。土釘抗拔力驗(yàn)算包括單根土釘抗拔力驗(yàn)算和計(jì)算斷面內(nèi)全部土釘總抗拔力驗(yàn)算。圖5-2土釘抗拔力驗(yàn)算簡(jiǎn)圖及土壓力分布圖（6）土釘抗拔力極限狀態(tài)驗(yàn)算圖5-2土釘抗拔力驗(yàn)算簡(jiǎn)圖及土75①單根土釘抗拔力驗(yàn)算在破裂面后土壓力的作用下，土釘墻內(nèi)部給定破裂面后的土釘有效錨固段應(yīng)能提供足夠的抗拉能力使土釘不被拔出或拉斷，應(yīng)滿足下式：>1 （5-8） Txj=Df{L-(H-

Hj)sin/

[sin

·sin(j)]}式中KBj—

某一土釘抗拔力安全系數(shù)，取1.5~2.0，臨時(shí)性土釘墻工程取小值，永久性工程取大值；Txj—

破裂面外土體對(duì)第

j個(gè)土釘提供的有效抗拉能力標(biāo)準(zhǔn)值（kN），破裂面與水平面間的夾角取(+)/2；①單根土釘抗拔力驗(yàn)算76②全部土釘?shù)目偪拱瘟︱?yàn)算由土釘墻內(nèi)部給定破裂面后土釘有效抗拔能力對(duì)土釘墻底部的力矩應(yīng)大于主動(dòng)土壓力所產(chǎn)生的力矩，即：>1 （5-9）式中：KF

—土釘總體抗拔力安全系數(shù)，取2.0~3.0，臨時(shí)性土 釘墻工程取小值，永久性工程取大值；Ea

—

整個(gè)面層所受的主動(dòng)土壓力合力（kN）；

Ha

—

主動(dòng)土壓力合力到土釘墻底面的距離（m）。②全部土釘?shù)目偪拱瘟︱?yàn)算772.法國的

Schlosser方法（1）土釘與土體間的界面摩阻力

對(duì)沒有超載或均勻超載的情況，土釘墻可能產(chǎn)生的破裂面與水平線的夾角為

=

(

+

)/2，如下圖所示。圖5-3Schlosser方法計(jì)算簡(jiǎn)圖2.法國的Schlosser方法圖5-3Schlos78考慮作用于土釘側(cè)面的水平應(yīng)力，土釘與土體間的摩阻力為：TNi=Lbi·tan··D

·[2+

(-2)·K0](5-10)式中：TNi—破裂面之外的土釘與土體間的界面摩阻力(kN)；Lbi—破裂面之外土釘?shù)腻^固長(zhǎng)度（m）；—

土釘有效錨固長(zhǎng)度以上的土層厚度（m）。計(jì)算單位寬度內(nèi)若干土釘?shù)目偰ψ枇Α芓Ni及側(cè)向總壓力E：E

=

0.5·Ka··H2 (5-11)

式中：Ka—主動(dòng)土壓力系數(shù)，考慮作用于土釘側(cè)面的水平應(yīng)力，土釘與土體間的摩阻力為：79土釘墻結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)為：K

=∑TNi

/

E考慮到目前為止已建土釘工程數(shù)量有限，建議K取2.5。土釘墻結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)為：80（2）土釘承受的拉力

每根土釘產(chǎn)生的拉力可假定為作用于該土釘所控制坡面面層上的側(cè)向土壓力。由于面層上的側(cè)向土壓力是隨著土釘設(shè)置深度的增大而增大的，所以，最低層的土釘上的拉力最大，其值可按下式計(jì)算：T

=

Ka··hm·Sx·Sy (5-12)式中：T

—

土釘?shù)睦Γ╧N）；hm—最底層土釘?shù)纳疃龋╩）；

Sx、Sy—土釘間的水平間距和垂直間距（m）。當(dāng)土釘鋼筋具有極限強(qiáng)度fu時(shí)，材料抗拉安全系數(shù)為：Kg=(fu·

·

d2/4)

/

T (5-13)（2）土釘承受的拉力81二、外部穩(wěn)定性分析土釘墻在內(nèi)部穩(wěn)定得到保證的情況下，它的作用類似重力式擋墻，所以土釘墻外部穩(wěn)定性分析可按重力式擋墻考慮，包括土釘墻的抗傾覆穩(wěn)定、抗滑動(dòng)穩(wěn)定及墻底土的承載力穩(wěn)定性，如右圖所示。計(jì)算時(shí)取單位長(zhǎng)度的土釘墻，厚度取土釘水平方向投影的11/12。圖5-4土釘墻外部穩(wěn)定性計(jì)算簡(jiǎn)圖二、外部穩(wěn)定性分析圖5-4土釘墻外部穩(wěn)定性計(jì)算簡(jiǎn)圖825.3.4土釘墻變形分析用極限平衡分析法無法了解變形信息，土釘墻的變形可以用有限元分析方法作出估計(jì)，但單純的有限元計(jì)算不一定能得出可信的定量數(shù)據(jù)；所以，目前對(duì)土釘墻變形性能的認(rèn)識(shí)主要來自對(duì)監(jiān)測(cè)資料的分析。Elias和Juran綜合工程實(shí)測(cè)和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，提出了以下幾點(diǎn)看法：（1）土釘墻變形引起的地表角變形和位移隨L/H增加而減少；（2）粗顆粒土中離開面層水平距離（1~1.25）H時(shí)，地表角變形(局部?jī)A斜)已不會(huì)對(duì)周圍地表建(構(gòu))筑造成影響；5.3.4土釘墻變形分析用極限平衡分析法無法了解變形信息，83（3）頂部最大水平位移與豎向沉降的比值隨L/H減少而增加，其最大值為1.0。對(duì)于常用的L/H=0.6~1.0情況，可取為1.0~0.75。這與一般的內(nèi)撐式支護(hù)相近；（4）增大土釘傾角，會(huì)增加地表變形與支護(hù)位移；（5）水平位移過大將導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞，最大水平位移一般不能大于5‰H。（3）頂部最大水平位移與豎向沉降的比值隨L/H減少而增加，其84Schlosser指出，在土釘墻面層頂部，最大水平位移

h與豎向位移v大體相等。最大水平位移H與墻高H的比值據(jù)法國觀測(cè)資料為1‰~3‰，德國為2.5‰~3‰。地表的水平位移和豎向位移在離開墻面為=k(1-tan)H處接近于零，其中為支護(hù)層面與鉛垂線的夾角，直立開挖時(shí)=0，k為系數(shù)，對(duì)風(fēng)化巖層，砂性土和粘性土分別為0.8、1.25和1.5。但是根據(jù)有些測(cè)斜儀的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來看，上式給出的值可能偏小。土釘墻后部地面的水平位移0據(jù)法國報(bào)道為0/H

=

(4~5)10-5，而相應(yīng)的h/H

=1‰~3‰。不過有一個(gè)早期的實(shí)測(cè)資料說，面層頂部最大水平變位為10mm（1.8‰），而離開面層0.53H和1.2H的地面處，仍有(0.7~1)‰的水平位移，不過這一支護(hù)為打入式土釘，釘體為50505的角鋼。Schlosser指出，在土釘墻面層頂部，最大水平位移h85看來對(duì)一般非飽和土中的土釘墻支護(hù)，如發(fā)現(xiàn)h/H大于3‰~4‰就應(yīng)視為有趨向失常的可能，需密切監(jiān)視?，F(xiàn)在還沒有軟土中土釘支護(hù)的數(shù)據(jù)，據(jù)軟土中內(nèi)撐