土钉支护.ppt

1,第二章土钉支护深基坑逐层开挖，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。第一节概述一、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80～100mm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21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70年代德国法国和美国都对土钉进行了研究与应用。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。,2,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,3,,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，边坡变形速率增加，而土体保持完好的整体性，无明显滑裂面形成。,4,3．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、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。,5,,3．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9.5～10m。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。,6,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2-1,7,8,第二节土钉支护的基本原理一、土钉应用原理土体的抗剪强度较低，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2～3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，,9,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（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,10,1．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，摩阻力主要来自开裂区域后的稳定复合土体。,11,三、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0.001～0.0036，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。,12,,4．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土压力值的30％一40％。第三节、土钉喷射混凝土设计一、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。,13,8．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、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700～900。2．土钉长度一般为开挖深度的0.5～1.5倍，其间距宜1～2m，土钉与水平面夹角宜为100～200。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Ⅱ级以上螺纹钢筋，钢筋直径宜为Φ16～32mm，钻孔直径宜为Φ70～120mm。5．喷射混凝土面层厚度宜为80～200mm，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Φ6～Φ10mm，间距150～300mm。8．注浆材料宜用水泥净浆，强度不低于20MPa。,14,三、设计计算及公式（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,15,此方法是瑞典Fellenius1927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，土坡由均质土所组成，而且可以分析比较复杂的情况，例如土质不均匀的土坡等。先将土坡剖面按比例画出图22a，假设滑弧通过坡角A。任意选一圆心为0，半径为R的圆弧AC为滑动面，将滑动面以上的土体分成几个等宽度的土条。现取出其中第i条作为隔离体进行分析2-2b。作用在土条上的力有土条自重；作用在土条上的荷载；作用在滑动面ab简化为直线段上的法向反力和剪切力，以及作用在土条侧面ac和bd上的法向力、和剪力、在这个问题的近似解中忽略了土条侧面上的法向力和剪力由此而产生的误差在10～15％左右，因而作用在土条上的力仅有、、和。,,,,,,,,,,,,,,16,根据隔离体的平衡条件得,,,作用在ab面上的单位反力和剪力为,,,显然，滑动面AC上的总剪切力为各分条剪切力之和，即,17,,土条ab上抵抗剪切的抗剪力为,,则总抗剪力为,,当滑动面上的总剪切力等于总抗剪力时土坡就将开始滑动。抗剪力与剪切力的比值称为稳定安全系数K，即,,,,18,由于试算的滑弧圆心是任意选定的，因此所选的滑弧就不一定是最危险滑弧。为了求得最危险滑弧，需要用试算法，即选择其他几个滑弧圆心，按以上方法分别算出相应的稳定安全系数，具有最小安全系数的滑弧就是最危险滑弧，理论上最小安全系数必须大于1，工程上要求取1.1～1.5，视工程性质而定。（二）、边坡最危险滑弧面的计算应用条分法，对每个土体进行极限平衡分析，得出边坡丧失稳定性安全系数最小的滑裂弧面，公式为,,2-1,式中第条土滑动面上的粘聚力kPa；第条土条弧长m；第条土自重力kN／m；第条弧线中点切线与水平线夹角；第条土条滑动面上的内摩擦角。,,,,,,19,由于计算繁杂，一般编程序，利用计算机计算，求的安全系数为最小的滑弧面。二、土钉所受的土压力,,,22,第个锚钉所受的土压力kN；坡上超载kN／m3；土的重度kN／m3；第个高度的土锚钉m；,,,,,,,,,,20,,土钉水平及垂直间距m；,,土的粘聚力kPa。,三、土钉抗拔力滑裂面外,,第个土钉滑裂面外的抗拔力kN；钻孔直径m；第层锚钉伸入破裂面外稳定区长度m；锚体砂浆与土体间各层土的粘结强度kN／m2。,,,,,由图22所示系在稳定区内长度。,,21,图2-2锚钉力简化,四、锚体抗拔力试验,,式中试验拉拔力kN／m；钻孔直径m；抗剪强度kN／m2。,,,,2-4,22,五、求锚体稳定区长度通过试验或计算，求锚体稳定区长度，即有效长度,,2-5,式中第层土钉所受土压力kN；试验拉拔力kN／m；安全系数，一般用1.5；第层稳定区内长度m。,六、不同深度土钉总长度,,2-6,第层土钉总长m；第层滑移面内长度m；第层滑移面外长度稳定区内m。,,,,,,,,,23,七、土钉直径计算,,,2-6,式中钢筋截面积mm2；钢筋抗拉强度标准值N／mm2；各层土中最大土压力。安全系数一般为1.5,,,,,第四节土钉内部稳定分析一、内部整体稳定性分析土锚钉内部稳定性分析采用力矩极限平衡法，如图13所示。,24,图13土钉稳定分析图,上图稳定安全系数为,,25,,,,式中整体稳定性安全系数；分条的自重kN／m；分条的滑裂面处土的粘聚力kPa和内摩擦角0分条滑裂面处中点切线与水平面夹角0；土钉与水平面之间的夹角0；分条滑裂面处弧长m；第个土锚钉滑裂面外的抗拔力kN。,,,,,,,,,上式应大于[]，即容许稳定安全系数。,,,二、土钉抗拔力安全系数,,式中第个土钉抗拔安全系数；第个土钉滑裂面抗拔力见公式23；,,,,26,第个土钉处的土压力，见公式22；第个土钉与水平面的夹角。,,,第五节土钉墙的外部稳定安全密集的土钉组成的复合土体，可将其视为重力式挡土墙。从试验得出，破坏时明显地带平移和转动性质，因此除内部安全稳定外，尚须验算抗滑动稳定及抗倾覆性稳定。一、抗滑动稳定计算．如图24计算模型。抗滑安全系数为,,2-9,式中抗滑动稳定安全系数；墙后主动土压力kN；假设墙底断面上产生的抗滑合力kN。,,,,27,图24土钉墙计算模型,28,公式29中,,,式中B宽度m。,二、抗倾覆稳定性验算设为抗倾覆力矩见图24，则,,,墙土的重量土钉水平距m。,,,,,,,设为倾覆力矩则,,,29,,见公式22,,安全系数,,2-10,第六节、土钉支护施工,一、施工工艺流程1．按设计要求开挖工作面，修正边坡。2．喷射第一层混凝土。3．安设土钉包括钻孔、插筋、注浆垫板等。4．绑扎钢筋网、留搭接筋、喷射第二层混凝土。5．开挖第二层土方，按此循环，直到坑底标高。设置坡顶如图及坡底排水装置。,30,二、喷射混凝土施工（一）、材料水泥标号宜用42.5级，干净碎石或卵石，粒径不宜大于15mm，水泥与砂石重量比宜14～14.5，砂率45％一55％，水灰比0.4～0.45。,31,（二）、喷射作业1．作业前要对机械设备，风、水管路和电线进行检查及试运转，清理受喷面，埋设好控制喷射混凝土厚度的标志。2．喷射时，喷头与喷面应垂直，宜保持0.6～1.0m的距离。喷射手要控制好水灰比，保持混凝土表面平整，呈湿润光泽，无干斑或滑移流淌现象。3．喷射混凝土终凝2h后，要洒水养护，根据气温条件，一般养护37d。4．钢筋网宜在喷射一层混凝土后铺设，钢筋与坡面的间隙宜大于20mm。5．钢筋网与下层钢筋网要搭接，长度为25倍钢筋直径。6．钢筋网与土钉锚固装置要连接牢固，喷射混凝土时钢筋不得晃动。,32,三、土钉施工1．锚钉施工机具可采用螺旋钻、冲击钻、地质钻、洛阳铲等。2．按设计图的纵向、横向尺寸及与水平面夹角进行钻孔施工。3．钢筋要平直、除锈、除油。4．注浆材料用水泥浆或水泥砂浆，水泥砂浆配合比为1112重量比，水灰比宜0.4～0.45。5．注浆管插到距孔底250一500mm，为保证注浆饱满，在孔口设止浆塞。6．土钉应设定位器，以保证钢筋的保护层厚度。四、施工监测土钉复合墙体施工时，应监测，其监测项目和要求如表22所列。,33,监测项目和要求表2-2,34,第七节工程实例一、广州065工程广州065工程基坑失误后用土钉喷射混凝土加固支护。一、工程概况广州065工程是广州市重点工程之一，基坑长72m，宽62m，深18m。西侧距新建东建大厦及民房群约8m。原设计用人工挖孔桩及预应力锚杆支护，1993年初动工，1993年11月19日开挖接近设计深度时，于西壁长43m，纵深15一19.4m范围内发生滑坡，护坡桩及锚杆，三栋二层民房一齐滑入坑底。1994年1月28日，在原滑坡区及附近，又产生大范围坍塌，地面下沉0.6～1.8m，造成经济损失1千余万元人民币，在广州引起震动。更严重的是滑坡区地面边线距市委办公楼东建大厦仅1.6m，东建大厦21层，天然地基，稍滑塌，大厦难保。经有关单位、专家多次讨论研究加固支护方案末确定，后经有关专家推荐，总参工程兵科研三所提出采用土钉喷射混凝土加固支护方案，解决加固支护问题。,35,采用桩锚法围护的广州065工程失事情景,36,图2-6东建大厦基础及邻近的西壁地段加固断面图,37,2．在东侧采用Ⅱ直径28土钉长8m及Ⅱ级直径18土钉长1.5m，喷射混凝土厚80mm，用Φ6钢筋网300mm300mm，如图27。,图2-7065工程东壁支护断面图,38,3．滑坡区加固，如图28，属于一般土钉支护加固法。,图28065工程滑坡区加固处理断面图,39,三、实际施工后评价1．东建大厦基坑施工监测结果表明楼房无倾斜，基础无沉降，地面无开裂，邻近坑壁变形甚小。大厦的稳定情况良好。2．滑坡区及附近区域经加固后，变形停止，加固前露出的300宽裂缝，加固及进一步开挖到底后，喷层表面无细小可见裂缝，坍塌停止，位移随时间的变化，曲线平滑。3．非滑坡区稳定。按设计方案开挖施工，支护表面无裂缝，地面无沉降。上述结果说明以土锚钉喷射混凝土作基坑支护是成功的。用土层锚杆与土锚钉喷射混凝土，加固高层大厦防止滑坡，也是成功的。,40,二、北京国际金融大厦工程北京国际金融大厦工程土钉喷射混凝土支护设计由北京市建筑工程技术咨询公司设计如下一、地质情况1．杂填土①4.5～8.5厚，＝180，C＝17kPa；2．重粉质粘土②1＝140，C＝30kPa；②2细粉砂＝300。；3．卵石圆砾③1＝420。；粉质粘土重粉质粘土③2＝150，C＝30kPa；4．细粉砂④l；,,,；,粉质粘土重粉质粘土④2＝270，C＝39kPa；粘质粉土④3＝270，C＝39kPa。,二、选地质剖面平均土层厚度①号土5.2m，②号土2.2m，③号土3.7m，④号土2.3m,⑤号土0.3m该剖面厚度共计13.7m。基坑开挖13.7m。,41,三、采用参数1．①号土＝150，C＝15kPa；②号土＝300，C＝15kPa；③号土＝340，C＝0；④号土＝420，C＝0。2．＝20kN／m3。3．地面超载＝20kN／m2。四、按土钉所受土压力公式22,,,,,式中＝20kN／m2，＝20kN／m3，＝1.5m。＝150303442＝0.5890.3330.2830.1980.7670.577,,,,,,,按公式23,,42,值粘结强度参照土层锚杆设计与施工规程取值如下粘土填土40kPa砂质粉土80kPa砂土100kPa卵石150kPa计算时每层土钉，其安全系数应大于1.5，现计算举例如下1第二道土钉及K值,,,用公式22,,＝[20十202.50.589-2150.767]1.51.5＝41kN,用公式23,,3.1420.15.840＝72.99kN,43,,（2）第五道土钉,,,,（3）第六道土钉,,,,,44,,,4第八道土钉,,,,五、深度在13.7m的各层土钉，其计算结果见表23,45,,,,,,,,,,,,,土钉计算按公式26,,46,,,,可采用Ⅱ级钢筋直径22,,,应采用Ⅱ级钢筋直径25或28。,六、抗滑安全验算按公式29,,设宽度为6m，按底部为420墙宽可按0.4～0.8H,,Ft＝13.7620＋620tg4201.5＝2382.5kN,,47,,七、抗倾覆安全验算按公式210,,土的自重平衡弯矩,,13.7620＋6206／21.5＝7938KN,,土压力弯矩,,,48,北京国际金融大厦土钉支护见图29一图212。,图29北京国际金融大厦土钉喷射混凝土剖面,49,图8-11大样图,50,图8-12钢筋网片平面图,