土钉墙及复合土钉墙技术.pdf

土钉墙及复合土钉墙及复合 土钉墙技术土钉墙技术 杨志银 深圳冶建院建筑技术有限公司 （原冶金部建筑研究总院深圳分院） 2009.12 海口海口 2 报告内容报告内容 第一部分土钉墙的概念、工作机理、性 能、设计、构造、施工与质量检 验 第二部分基坑规范的土钉墙（行标） 第三部分土钉墙基坑工程实例介绍 3 第一部分第一部分 1.1 1.1 土钉墙的起源与发展概况土钉墙的起源与发展概况 1. 1. 国外起源（略）国外起源（略）国外土钉墙技术起源有二一是20世纪50年代形成的新奥地 利隧道开挖方法（New Austrian Tunnelling ），简 称新奥法（NATM），二是60年代初期最早在法国发展起来 的加筋土技术。70年代，德国、法国、美国、西班牙、巴 西、匈牙利、日本等国家几乎在同一时期各自独立开始了现 代土钉墙技术的研究与应用。国际上有详细记载的第一个土 钉墙工程是1972年法国在凡尔塞附近的一处铁路路堑的边坡 支护工程，德国1979年在斯图加特建造了第一个永久性土钉 墙工程，美国有详细记载的一个工程是1976年在俄勒冈州波 特兰市一所医院扩建工程的基础开挖。1979年巴黎地基加固 4 2. 2. 国内起源（略）国内起源（略） 国内土钉墙技术的起源也有二一是国外的土钉墙 技术，二是在国内地下工程中应用广泛的喷锚技 术。有记载的首例工程是山西太原煤矿设计院王步 云1980年将土钉墙用于山西柳湾煤矿的边坡支护。 90年代以后国内深基坑工程大规模兴起，有学者尝 试着将土钉墙技术用于基坑，目前了解到的首例工 程为1991年胡建林等人完成的金安大厦基坑，位于 深圳市罗湖区文锦南路，周长约100m，开挖深度 67m。一年后（1992年）开挖深度达12 5m的深圳 5 3. 3. 复合土钉墙起源及发展复合土钉墙起源及发展 人们在应用土钉墙的过程中逐渐意识到，单纯土钉墙由于自 身固有的缺陷在某些场合不适用，需要与其它支护构件联合 使用，这样复合土钉墙技术便应运而生。法国1985年在蒙彼 利埃歌剧院深21m的基坑开挖临时支护中采用角钢击入钉上 部加一排锚杆，德国1983年建造慕尼黑地铁时在一处18m深 的临时性土钉墙支护中采用注浆帷幕处理地下水取得成功， 不过国外并没有刻意强调复合支护这一概念。国内冶建院 1989年在深圳卷烟厂边坡工程中成功应用了单纯土钉墙与锚 杆的联合支护，冶建院在1996年1月完工的深圳兴华广场基 坑工程中成功应用了单纯土钉墙与深层搅拌桩的联合支护。 90年代中后期国内逐步建立了复合土钉墙概念，这是较大的 6 4. 4. 我国土钉墙技术的成就我国土钉墙技术的成就 我国的土钉墙技术已成为基坑支护主要技术之一。 尽管起步较晚，但设计施工水平已经在世界上处于 领先地位，部分理论研究成果也属于先进行列，其 中有一些独特的成就，如①突出了复合土钉墙技 术，可适用于绝大多数复杂的地质条件及周边环 境，甚至在流塑状淤泥等极软弱土层中也有很多成 功的案例。②发明或改进了许多施工设备、施工技 术、施工方法，如洛阳铲成孔、人工滑锤打入、潜 孔锤打入等，大幅度降低了工程造价，使土钉墙技 术得以迅速普及③应用的程规模程量很 7 5. 5. 土钉墙的应用领域土钉墙的应用领域 经过数十年的工程实践，土钉墙在房屋建 筑、市政、交通、港口、水利水电、电力、 机场、矿山、人防、煤炭、国防等多个工程 领域得到普遍应用。 这里主要介绍土钉墙技术在基坑工程中的应 用。 8 a. 作为房屋建筑地下室或基础、地铁、地下管线等 各种基坑基槽开挖时的临时支挡结构； 地下管线 土钉墙 土钉 已有建筑 9 b. 作为各种建筑、公路、铁路、水工、隧 道、涵洞、桥台、竖井、船坞等边坡的永 久性挡土结构； 土钉墙 排水沟 铁路 10 c. 加固路基、堤坝及建（构）筑物基础等； 土钉墙 公路 11 d. 各种旧挡土墙、基坑、边坡等加固处理。 挡土墙 土钉 12 1.2 1.2 土钉墙的类型、特点及适用土钉墙的类型、特点及适用 条件条件 1.2.1 1.2.1 土钉墙的概念土钉墙的概念 土钉墙是近30多年发展起来的用于土体开挖时保持 基坑侧壁或边坡稳定的一种挡土结构，可分为单纯 型及复合型两类。单纯土钉墙主要由密布于原位土 体中的细长杆件－土钉、粘附于土体表面的钢筋混 凝土面层及土钉之间的被加固土体组成，是具有自 稳能力的原位挡土墙，可抵抗水土压力及地面附加 荷载等作用力，从而保持开挖面稳定。复合土钉墙 是近10多年来在单纯土钉墙基础上发展起来的新型 支护结构。单纯土钉墙与各种止水帷幕、微型桩及 预应力锚杆等构件结合起来，根据工程具体条件选 择与其中一种或多种组合，形成了复合土钉墙。 13 1.2.2 1.2.2 单纯土钉墙的基本结构单纯土钉墙的基本结构 面层 土钉 原状土体 a.土钉类型钻孔注浆型、直接打入型、打入注浆型； b.面层及连接件； c.防排水系统。 14 1.2.3 1.2.3 单纯土钉墙的主要特点单纯土钉墙的主要特点单纯土钉墙的主要特点单纯土钉墙的主要特点 （略）（略） ①结构轻型，柔性大，有良好的抗震性和延性，破 坏前有变形发展过程。四川汶川地震灾后调查发 现，路堑或路堤采用土钉或锚杆结构支护的道路 尚保持通车能力，土钉或锚杆支护结构基本没有 破坏或轻微破坏，其抗震性能远远高于其它支护 结构； ②土钉数量众多靠群体作用，个别土钉失效对整体 影响不大； ③施工所需场地小，移动灵活，支护结构基本不单 独占用空间，能贴近已有建筑物开挖，在工作面 15 1.2.4 1.2.4 复合土钉墙的类型及特点复合土钉墙的类型及特点复合土钉墙的类型及特点复合土钉墙的类型及特点 1 1．复合土钉墙类型．复合土钉墙类型 与单纯土钉墙复合的构件大体有预应力锚 杆、止水帷幕及微型桩3类，或单独或组合与 单纯土钉墙复合，形成了7种形式 16 a. 单纯土钉墙预应力锚杆在边坡支护工程中应 用较为广泛 锚杆 土钉 17 b. 单纯土钉墙止水帷幕在南方地区较为常见， 多用于土质较差、基坑开挖不深时 18 c. 单纯土钉墙微型桩 在地质条件较差时 及北方地区较为常用。 19 d. 单纯土钉墙止水帷幕预应力锚杆 在地下水丰 富地区满足了大多数工程的实际需求，应用最为广 泛。 20 e. 单纯土钉墙微型桩预应力锚杆 在不需要止水 帷幕的地区能够满足大多数工程的实际需求，应用 较为广泛，在北方地区应用较多。 21 f. 纯土钉墙＋搅拌桩微型桩 在软土地区应用较 多，在土质较好时一般不会采用。 22 g. 单纯土钉墙止水帷幕微型桩预应力锚杆 多 用于深大及条件复杂的基坑支护。 23 2. 2. 复合土钉墙的特点复合土钉墙的特点 a复合土钉墙机动灵活，可与多种技术并用，具有 单纯土钉墙的全部优点，又克服了其大多缺陷， 大大拓宽了土钉墙的应用范围，得到了广泛的工 程应用。目前通常在基坑开挖不深、地质条件及 周边环境较为简单的情况下使用单纯土钉墙，更 多时候采用的是复合土钉墙。 b与单纯土钉墙相比①对土层的适用性更广、更 强，几乎可适用于各种土层，如杂填土、新近填 土砂砾层软土等②整体稳定性抗隆起及 24 1.2.5 1.2.5 土钉墙的适用条件土钉墙的适用条件 1. 1. 单纯土钉墙的适用条件单纯土钉墙的适用条件 单纯土钉墙适用于地下水位以上或经人工降水后 的人工填土、黏性土和弱胶结砂土的基坑支护或边 坡加固，不适合以下土层 a 含水丰富的粉细砂、中细砂及含水丰富且较为松 散的中粗砂、砾砂及卵石层等。丰富的地下水易造 成开挖面不稳定且与喷射混凝土面层粘接不牢固； b 缺少黏聚力的、过于干燥的砂层及相对密度较小 的均匀度较好的砂层。这些砂层中易产生开挖面不 稳定现象； 25 除了地质条件外，单纯土钉墙不适于以下条件 a对变形要求较为严格的场所。土钉墙属于轻型支 护结构，土钉、面层的刚度较小，支护体系变形 较大。单纯土钉墙不适合用于一级基坑； b较深的基坑。通常认为单纯土钉墙适用于深度不 大于12m的基坑； c建筑物地基为灵敏度较高的土层。土钉易引起水 土流失，在施工过程中对土层有扰动，易引起地 基沉降； d用地红线有严格要求的场地。土钉沿基坑四周几 26 2. 2. 复合土钉墙需谨慎用于以下条复合土钉墙需谨慎用于以下条 件件 a 淤泥质土、淤泥等软弱土层太过深厚时 （规范3米）； b 超过15m的基坑； c 单纯土钉墙上述第3、4款限制条件； d 对变形要求非常严格的场地。 27 1.2.6 1.2.6 土钉墙与重力式挡土墙的土钉墙与重力式挡土墙的土钉墙与重力式挡土墙的土钉墙与重力式挡土墙的 比较比较比较比较（略）（略） 重力式挡土墙通过墙身自重来平衡墙后的土 压力以保持墙体稳定。重力式挡墙破坏形式 分为墙身强度破坏及稳定性破坏两大类，其 中失稳破坏有4种形式 28 学者们早期认为土钉墙失稳形式a.滑移；b.倾 覆；c.沉降；d.整体失稳 29 重力式挡土墙与土钉墙之间的区重力式挡土墙与土钉墙之间的区 别别 a重力式挡土墙先构筑挡墙后填土，而土钉墙先有 土后开挖，施工顺序不同导致了土压力的分布及 结构内力分布均不同，不能采用相同的受力分析 模型。 b重力式挡土墙一般被视为刚性体，在外力作用下 不发生变形或变形微小可以忽略，这才可能出现 整体性的滑移、转动、沉降等破坏形式。而土钉 墙是柔性复合结构，达不到重力式挡墙那样的整 体刚度及强度。 c 重力式挡土墙墙趾压力较大是沉降乃至倾覆的重 要原因之一，故土钉墙墙趾压力较天然状态并不 会显著增加。 30 研究表明研究表明 土钉密度越大，土体的复合模量也越大，土 钉墙受力后的变形也就越带有重力式挡土墙 平移、转动及墙底应力增加等特征，但是， 尚未有研究成果表明土钉的密度达到何种程 度后土钉墙才可能产生滑移、倾覆及沉降破 坏。国内外近年来的工程实践及研究试验成 果证实这些破坏形式发生的机率极低，仍缺 乏此类破坏的工程实例。这类破坏也许根本 就不会发生，因为在发生这类破坏之前，土 钉墙应该已产生了内部失稳破坏。 31 按重力式挡土墙理论计算的土钉墙各种按重力式挡土墙理论计算的土钉墙各种 稳定安全系数稳定安全系数 内部稳定安全系数内部稳定安全系数 Ks Ks 、抗滑移安全系数、抗滑移安全系数KcKc及抗倾覆安全及抗倾覆安全 系数系数KoKo a.随土层内摩擦角变化情 况 32 按重力式挡土墙理论计算的土钉墙各种按重力式挡土墙理论计算的土钉墙各种 稳定安全系数稳定安全系数 内部稳定安全系数内部稳定安全系数 Ks Ks 、抗滑移安全系数、抗滑移安全系数KcKc及抗倾覆安全及抗倾覆安全 系数系数KoKo a.随坡高变化情况 33 按重力式挡土墙理论计算的土钉墙各种按重力式挡土墙理论计算的土钉墙各种 稳定安全系数稳定安全系数 内部稳定安全系数内部稳定安全系数 Ks Ks 、抗滑移安全系数、抗滑移安全系数KcKc及抗倾覆安全及抗倾覆安全 系数系数KoKo a.随坡角变化情况 34 按重力式挡土墙理论计算的土钉墙各种按重力式挡土墙理论计算的土钉墙各种 稳定安全系数稳定安全系数 内部稳定安全系数内部稳定安全系数 Ks Ks 、抗滑移安全系数、抗滑移安全系数KcKc及抗倾覆安全及抗倾覆安全 系数系数KoKo a. 随钉长变化情况 35 结论结论 计算表明①在Ks1、即土钉墙处于整体临界稳定 状态时，抗滑移及抗倾覆安全系数仍较大，在各种 条件下均如此，说明即使土钉墙会发生倾覆及滑移 破坏，发生的机率也远远小于内部稳定破坏。②土 钉总长度不变时，安全系数随着土钉单体长度的减 短而降低；③计算墙趾压力与天然状态相比变化较 大，与实际不符。 从结构构造、作用机理、破坏模式等各方面，土钉 墙与重力式挡土墙均存在着本质的差异，这是两种 36 1.2.7 1.2.7 关于土钉墙这一术语的说关于土钉墙这一术语的说关于土钉墙这一术语的说关于土钉墙这一术语的说 明与探讨明与探讨明与探讨明与探讨 1 1．对土钉墙术语的探讨．对土钉墙术语的探讨．对土钉墙术语的探讨．对土钉墙术语的探讨 在国外，土钉墙（Soil Nail Wall）支护也称为土钉 （Soil Nail）支护，在国内，各行业之间、同行业 之内尚没有明确的统一的名称。土钉的历史名称有 锚杆、锚管、土锚、锚筋、锚钉、插筋、加筋等， 土钉墙支护的名称有土钉支护、锚钉支护、喷锚支 护、锚喷支护、喷锚网支护、锚喷网支护、锚杆喷 射混凝土支护、土钉喷锚网支护、锚钉墙支护、插 筋补强护坡技术、原位土加筋等，大体可分为“土 钉”及“喷锚”两类。名称的混乱主要是由于土钉墙的 发展历史造成的不同的国家不同的学派不同 37 名称的不同尤其表明了对土钉墙工作原理认 识的不一致。不妨简单地把“土钉”一类的名称 理解为国外名词的翻译，而“喷锚”一类的名称 理解为国内学者的创造性应用。很多学者认 为虽然名称不同，但含义基本相同，但也有 不少学者认为不同的名称实际上代表了不同 的技术。主要分歧有 38 （（1 1）土钉墙支护技术是不是土）土钉墙支护技术是不是土 钉支护技术钉支护技术 分歧的关键在于如何理解“土钉墙”。认为是不同技 术的观点把通常意义的土钉墙支护称为土钉支护， 而认为“土钉墙“则是土钉形成的“墙” 在外部形态 上，“土钉墙”支护中的土钉具有等长、短而密的结 构特征，结构的不同导致了作用机理的不同，“土钉 墙”的作用机理类似于重力式挡土墙，即土钉与被加 固土体形成了复合挡土墙，墙后面的土体产生主动 土压力并作用在墙上，墙依靠自身的重力平衡主动 土压力，防止产生平移、倾覆等外部稳定破坏，其 内部稳定靠土钉维持这种观点认为“土钉支护”的 39 土钉的密度对支护体系的变形及力学特征有重大影 响，但实际工程中土钉远远没有密集到能够成 “墙”。土钉墙技术从诞生起，在土钉的空间布置上 就存在着两种倾向一种布置土钉长度较短而密度 较大，另一种较长而疏。在国内，短而密的道路没 走多远，就很快向长而疏的方向转移了。因为学者 们在工程实践中发现，在土钉总工作量相同、即土 钉总长度不变的情况下，采用长而疏空间布置的土 钉墙安全性更好，且因土钉数量相对较少，施工更 为方便、快捷。国外采用等长土钉更多是机械化作 业原因，土钉等长利于施工，很难归结为是技术原 40 （（2 2）土钉墙技术是不是喷锚技）土钉墙技术是不是喷锚技 术术 视为同种技术的观点认为锚杆喷射混凝土 技术已使用了半个多世纪，广泛地应用于各 种地下洞室、边坡及堤坝等岩土工程，基坑 工程不过是喷锚技术的又一个应用领域而 已； 认为不是同一种技术的观点认为应用于基 坑工程中的土钉墙技术是独立发展起来的， 支护结构的工作原理与以新奥法为代表的喷 41 锚杆喷射混凝土技术有两个层次锚杆喷射混凝土技术有两个层次 上的意义上的意义 一个是施工工艺层次的，另一个为支护理论层次 的。 就施工工艺而言，土钉墙工程所采用的网喷混凝土 工艺是喷射混凝土工艺中的一种，采用的土钉工艺 是锚杆工艺的一种，故可以认为土钉墙技术是喷锚 技术中的一种并无不妥； 就支护理论而言，土钉墙支护理论与用于围岩稳定 的喷锚支护理论存在着一定差别。喷锚支护技术在 地下围岩工程工作机理为以维持围岩稳定为目 的围岩是承载的主体要充分发挥其自承自稳作 42 2 2．对土钉墙这一术语命名的说．对土钉墙这一术语命名的说 明明 土钉墙应具备“土、钉、墙”三个特征 a土适用的地质条件为“土”及“类土”，包括各种类 型的土及全风化、强风化岩石、破碎及极破碎的 中风化岩石，不包括较破碎及以上的中、微风化 岩石。 b钉除非为了与面层连接可能设置短小自由段 外，土钉沿全长与周边土体粘结。土钉长度可长 可短，根据实际需要确定，长度是否相等并不是 土钉墙的特征，布置成短而密或长而疏也不是土 钉墙的特征，是否施加了微小的预应力也不是土 43 “ “岩钉岩钉” ”及及“ “喷锚喷锚” ” 用于较破碎以上的中风化、微风化岩石支护 时，因工作性状、设计分析方法等已有所不 同，不宜再称之为“土钉”，叫 “岩钉”或锚杆更 适合一些。为了区别以便于应用，土钉墙一 词指应用于土质或“类土”质边坡及基坑侧壁支 护的喷锚技术；当用于围岩稳定、较破碎以 上的岩质边坡或基坑侧壁支护时，仍称为喷 锚支护。 44 采用采用“ “土钉墙土钉墙” ”而没有采用而没有采用“ “土钉土钉” ”一一 词的理由词的理由 a土钉是土钉墙中的主要受力构件，但不是必须的 唯一构件。将面层视为薄墙，面层尽管是次要受 力构件，但不可或缺，且在软土中的作用很大。 国内在专业术语命名时习惯上将不可缺少的主要 构件均列入其中，如“桩锚”、“桩撑”、“锚杆挡 墙”、“加筋土挡墙”等等，“土钉墙”一词符合这种 习惯，更体现了面层的重要性及与土钉的协调共 同作用。 b土钉是支护结构中的一个构件如采用“土钉支 45 1.3 1.3 土钉墙的作用机理与工作性能土钉墙的作用机理与工作性能 1.3.1 1.3.1 单纯土钉墙的作用机理（略）单纯土钉墙的作用机理（略） 1 1．整体作用机理．整体作用机理 土体的抗剪强度较低，抗拉强度几乎可以忽略，但 土体具有一定的结构强度及整体性，土坡有保持自 然稳定的能力，能够以较小的高度即临界高度保持 直立，当超过临界高度或者有地面超载等因素作用 时，将产生突发性整体失稳破坏。传统的支挡结构 均基于被动制约机制，即以支挡结构自身的强度和 刚度，承受其后面的侧向土压力，防止土体整体稳 定性破坏。而土钉墙通过在土体内设置一定长度和 密度的土钉与土共同工作形成了以增强边坡稳 46 素土边坡破坏过程素土边坡破坏过程 （略）（略） 有限元模拟分析表明 基坑开挖后，在坡顶产 生拉应力，在坡脚产生 剪应力集中；随着开挖 深度的增加，坡顶拉应 力增大，拉张区逐渐扩 大，出现塑性区，沿水 平及竖向扩散；坡脚剪 应力增大，出现塑性 区，塑性区也逐渐向周 边扩大；坡脚塑性区向 上扩散，最终与坡顶塑 性区相互贯通，塑性破 拉应力区 （塑性区） 塑性区 47 土钉墙破坏过程土钉墙破坏过程 （略）（略） 土体中加入土钉后，由 于土钉的应力分担、扩 散及传递，土体的拉张 区及塑性区滞后出现且 范围明显减小，坡脚尽 管依旧剪应力集中，但 集中区的范围及集中程 度明显减小减弱，塑性 区范围缩小且发展延 缓，贯穿整体边坡的破 坏带的发生滞后，且滑 移面的半径增大，即意 味着边坡的稳定性提 土钉 48 2 2．土钉的作用（略）．土钉的作用（略） 土钉在挡土墙结构中起主导作用，可概括为以下几 点 a箍束骨架作用。该作用是由土钉本身的刚度和强 度以及它在土体内的分布空间所决定的。土钉制 约着土体的变形，使土钉之间能够形成土拱从而 使复合土体获得了较大的承载力，并将复合土体 构成一个整体。 b承担主要荷载作用。在复合土体内，土钉与土体 共同承担外来荷载和土体自重应力。由于土钉有 49 3 3．面层的作用．面层的作用 （1）面层的整体作用①承受作用到面层上 的土压力，防止坡面局部坍塌－－这在松散 的土体中尤为重要，并将压力传递给土钉； ②限制土体侧向膨胀变形，如前所述；③通 过与土钉的紧密连接及相互作用，增强了土 钉的整体性，使全部土钉共同发挥作用，在 一定程度上均衡了土钉个体之间的不均匀受 力程度；④防止雨水、地表水刷坡及渗透， 是土钉墙防水系统的重要组成部分。 50 4 4．土钉墙受力过程．土钉墙受力过程 荷载首先通过土钉与土之间的相互摩擦作用，其次 通过面层与土之间的土－结构相互作用，逐步施加 及转移到土钉上。受力分为4个阶段 （1）土钉安设初期，基本不受拉力或承受较小的 力。喷射混凝土面层完成后，对土体的卸载变形有 一定的限制作用，可能会承受较小的压力并将之传 递给土钉。此阶段土压力主要由土体承担，土体处 于线弹性变形阶段。 （2）随着下一层土方的开挖，边坡土体产生向坑内 位移趋势主动土压力部分通过钉土摩擦作用直 51 （3）土体继续开挖，各排土钉的受力继续加大，土 体塑性变形不断增加，土体发生剪胀，钉土之间局 部相对滑动，使剪应力沿土钉向土钉内部传递，受 力较大的土钉拉力峰值从靠近面层处向中部（破裂 面附近）转移，土钉通过钉土摩擦力分担应力的作 用加大，约束作用增强，下排土钉分担了更多的荷 载，在深度方向上土钉受力最大点向下转移，土钉 拉力在水平及竖直方向上均表现为中间大、两头小 的枣核形状。土体中逐渐出现剪切裂缝，地表开 裂，土钉逐渐进入弯剪、拉剪等复合应力状态，其 刚度开始发挥功效通过分担及扩散作用抑制及 52 典型的土钉内力分布图典型的土钉内力分布图 一般认为，破裂面将土 体分成了两个相对独立 的区域，即靠近面层的 “主动区”及破裂面以外的 “稳定区”。在主动区，土 作用在土钉上的剪应力 朝向面层并趋于将土钉 从土中拔出；在稳定 区，剪应力背离面层并 趋于阻止将土钉拔出。 土钉将主动区与稳定区 连接起来，否则，主动 区将产生相对于稳定区 向外和向下的运动而引 0.3～0.35H 最大拉力面 剪力 沿土钉内力分布 最危险滑移面 H 53 1.3.2 1.3.2 单纯土钉墙的工作性能单纯土钉墙的工作性能单纯土钉墙的工作性能单纯土钉墙的工作性能 （略）（略） （1）土钉墙的最大水平位移一般发生于墙体顶部，在 深度方向越往下越小，即呈“探头”型，在水平纵向离墙 面越远越小。水平位移在开挖面以下的开展深度有时 较深，最大可达到开挖深度的0.30.4倍。变形受土质 影响较大，较好土层中最大水平位移比一般 0.10.5，有时可达1，软弱土层中较大，有时高 达2甚至以上。对于较好土质，这种数量级的位移值 通常不会影响工程的适用性和长期稳定性，不构成控 制设计的主要因素，但在软土中则要慎重考虑。土钉 的设计参数是控制位移的主要因素，土钉间距、长 54 1.3.3 1.3.3 复合土钉墙的作用机理与复合土钉墙的作用机理与复合土钉墙的作用机理与复合土钉墙的作用机理与 工作性能探讨工作性能探讨工作性能探讨工作性能探讨 止水帷幕、微型桩及预应力锚杆等构件的存在，使复 合土钉墙与单纯土钉墙有着不同的工作机理，与单纯 土钉墙相比，复合土钉墙的受力工作机理更为复杂多 变。目前人们对复合受力的认识仍然不深，缺乏必要 的理论分析、模型试验及现场测试研究，尚处于摸索 状态，工程应用及设计计算以经验为主，与单纯土钉 墙相比，复合土钉墙的理论研究更是远远落后于工程 实践。构件的性能各异，不同的复合形式工作机理必 然不同，不可能用一个统一的模式进行分析研究，这 里仅提出一些肤浅的认识。 55 1 1．深层搅拌桩与单纯土钉墙的．深层搅拌桩与单纯土钉墙的 复合支护复合支护 （（1 1）结构特征）结构特征与单纯土钉墙相比，搅 拌桩复合土钉墙在构造 上存在几个特点①搅 拌桩在土体开挖之前就 已经设置，而单纯土钉 墙构件只能在土体开挖 之后设置；②搅拌桩与 喷射混凝土面层形成复 合面层，较单纯混凝土 56 （（2 2）搅拌桩在复合支护体系中）搅拌桩在复合支护体系中 的作用的作用 ①增加复合抗剪强度。与土相比，搅拌桩具有较高 的抗剪强度，通常比土体高几倍甚至高出一个数量 级，这对复合支护体系的内部整体稳定性具有一定 的贡献，在基坑较浅或土质较差时，这种贡献不可 小觑。 ②超前支护，减少变形。某层土体开挖后至该层土 钉墙施工完成前的一段时间内，土体水平位移及沉 降均会迅速增大，该突变量在总变形量中占有较大 的比例，有研究表明能占到总位移的50。设置了 搅拌桩后，搅拌桩随开挖即刻受力，承担了该层土 体释放的部分应力并通过桩身将之向下传递到未开 挖土体及向上传递给土钉，约束了土体的变形及减 57 ③预加固开挖面及土体开挖导向。软土、新填土及砂 土等自立能力较差，开挖面易发生水土流失或流变， 搅拌桩连续分布且预先设置，防止了此类破坏，增加 了开挖面临时自稳能力，且能够使开挖面保持直立。 ④帷幕止水。搅拌桩防水作用有三a. 无止水帷幕 时，土钉墙施工前，坑外的地下水在土方开挖时从开 挖面流入坑内；土钉墙完成施工后，坑外地下水会从 土钉墙与坑底土的交界面、土钉孔及喷射混凝土面层 中的薄弱点等处向坑内渗透，主要从坡脚逸出，坑外 水位下降较多，基坑起到了一个巨大的降水井的作 用。有止水帷幕时，尽管地下水仍会沿着土钉孔向坑 58 ⑤扩散应力。搅拌桩的刚度较大，限制了钉土之间 的相对位移，削弱了土钉之间的土拱效应，承担了 部分土压力，使土钉受力减小。与单纯土钉墙通过 钉土的摩擦作用传力相比，搅拌桩刚度较大且传力 直接，在竖向上能更好地协调上下排土钉的内力分 配，能调动更远处的土钉、土钉的更远端及更深处 （最深约1倍开挖深度）未开挖的土体参与共同受 力，减小了坡顶拉张区及塑性区的范围，扩大了滑 移面的半径，如图9-8c所示，增加了土体稳定性。 ⑥稳固坡脚。土钉墙坡脚是剪应力集中带，常因积 59 ⑦抵抗坑底隆起。基坑开挖过程是坑底开挖面卸载 的过程，卸荷和应力释放造成坑内土体向上位移。 基坑开挖较浅时，坑底只发生弹性隆起，开挖到一 定深度后，基坑内外土面高差形成压力差，引起基 坑底面以下的支护结构向基坑内变位，挤推支护结 构前面的土体，坑底产生向上的塑性隆起，并引起 地面沉降，严重时会造成基坑失稳。弹性隆起量在 基坑中央最大，而塑性隆起量最大值靠近基坑边。 坑底隆起与多种因素有关，如基坑面积、开挖深 度、支护结构的入土深度、降水、工程桩、渗压 等。支护结构入土深度从三个方面改善了基坑抗隆 60 搅拌桩复合土钉墙有搅拌桩复合土钉墙有 如下工作性能如下工作性能 1 3 2 1 2 H0 Sh Sv H0 Sh Sv ①变形曲线与单纯土钉墙不 同。单纯土钉墙的变形特征 如图a中曲线1、2所示。搅 拌桩复合土钉墙的变形特征 一般为沿深度的水平位移 中部大，顶底两头小，如图b 中曲线1所示，距坡面一定距 离后仍表现为上大下小，如 图b中曲线3所示；坑外沉降 曲线表现为锅底形，如图b中 61 ②土钉受力沿全长方向仍表现为中部大，两端小， 但峰值向挡墙一侧移动，且位于峰值与挡土墙之间 的拉力与单纯土钉墙相比增大了，上排土钉尤为明 显。 ③土钉刚度越大，对减少水平位移越有效，尤其是 上排土钉，如果刚度较大可明显减少土钉墙的水平 位移。 ④第一排土钉加长对控制桩顶变形的效果不明显， 这与单纯土钉墙不同，可能是因为搅拌桩的刚度对 桩顶变形的影响更大的缘故。 ⑤搅拌桩刚度增加，可有效减少深度方向上的最大 水平位移且变形速率减缓，但对减少桩顶水平位移 效果不明显；可降低下排土钉拉力，位置越低的土 钉受影响越明显可减少地面沉降量但刚度过 62 ⑥搅拌桩入土深度加长，可减少基坑水平位移、沉 降、坑底隆起量及减少土钉拉力，搅拌桩嵌固存在 临界深度，桩长超过临界深度后有利影响不再加 大。临界深度和土质有关，土质越差越深，故在软 弱土层中需适当加深桩长。 ⑦搅拌桩提供的抗剪强度是个相对固定值，土体的 下滑力及抗滑力总量随着基坑的加深而增加，所以 基坑较浅时，搅拌桩对稳定计算所做的贡献较大， 基坑较深时，所起的作用相对较小。搅拌桩抗剪强 度所提供的抗滑力矩在总抗滑力矩中通常能占到 540。 63 2 2．微型桩与单纯土钉墙的复合．微型桩与单纯土钉墙的复合 支护支护 微型桩复合土钉墙的工作机理与性能与搅拌桩复合 支护类似。不同之处在于 （1）微型桩因不连续分布，与搅拌桩相比存在几方 面不足①不能起到止水帷幕作用；②因在软土、 松散砂土等土层中很难形成土拱效应，桩间水土容 易挤出流失；③在软土中抵抗坑底隆起效果不明 显。故在软土地区较少采用这种复合支护形式。 64 （2）微型桩复合土钉墙的破坏模式有两种①类似于搅 拌桩复合土钉墙的整体剪切失稳破坏，桩被剪断，土钉 被拔出或弯断，面层被撕裂成几块。②非整体性破坏， 主要表现为土体剪切破坏后，土方从桩间坍塌，微型桩 未被破坏，或被坍塌土方冲剪折断破坏。目前尚不清楚 这两种破坏形式的产生条件，但经验表明微型桩与土体 的刚度比是个重要因素。刚度较小、即微型桩刚度较小 或土质较硬时常常表现为第1种破坏形式，刚度比较大时 常常表现为第2种。 （3）搅拌桩连续分布，对桩后土约束极强，迫使桩后复 合土体与搅拌桩几乎同时剪切破坏，而微型桩断续分 布，不能强迫桩后土体与之同时变形，且因其含金属构 件，刚度更大，抗剪强度更高，其抗剪强度不能与土 钉、土体同时达到极限状态，与面层的复合刚度越大受 65 3. 3. 预应力锚杆复合土钉墙预应力锚杆复合土钉墙 （略）（略） 4 4．其它几种复合土钉墙（略）．其它几种复合土钉墙（略） 上述3种复合土钉墙为基本型，另外4种是这3种的 组合型，组合型的工作机理及性能取决于基本型。 搅拌桩止水帷幕、锚杆及微型桩中，搅拌桩止水帷 幕对土钉墙性能的影响最大，而微型桩在不需止水 的地层中与搅拌桩的作用类似，故这4种组合型复合 土钉墙基本上均包括了搅拌桩复合土钉墙的工作特 征。 66 1.4.1 1.4.1 设计参数选用及构造设计参数选用及构造设计一般设计一般设计一般设计一般 原则原则原则原则 1 1．土钉墙的几何形状和尺寸．土钉墙的几何形状和尺寸确定开挖深度时要注意承台的开挖。承台较大较密及 坑底土层为淤泥等软弱土层时，开挖深度应计算到承 台底面。土钉墙抗超挖能力较弱。 条件许可时，应尽可能采用较缓的坡率以提高安全性 及节约工程造价。一般来说，单纯土钉墙的坡比不宜 大于10.2（高宽比），太陡容易在开挖过程中局部 土方坍塌造成反坡。 地下水丰富、需要采用止水型土钉墙时，采用上缓下 直的分级方式是一种较为常用的作法。 67 2 2．土钉的几何参数．土钉的几何参数 （（1 1）直径）直径 钻孔注浆型土钉直径d一般根据成孔方法确定。孔径 越大，越有助于提高土钉的抗拔力，增加结构的稳 定性，但是，施工成本也会相应增加。人工使用洛 阳铲成孔时，孔径一般为60～80mm，土质松软、 孔洞不深时，也可达到90mm；机械成孔时，可用 于成孔的机械较多，孔径可为70～150mm，一般 100130mm。孔径较大时需采用机械成孔，机械成 孔的速度较快，但造价目前仍高于人工成孔。 68 （（2 2）长度）长度 土钉长度的影响是显而易见的，土钉越长，抗拔力 越高，基坑位移越小，稳定性越好。但是，试验表 明，采用相同的施工工艺，在同类土质条件下，当 土钉达到临界长度lcr（非软土中一般为1.01.2倍的 基坑开挖深度）后，再加长对承载力的提高并不明 显。另外，土钉越长，施工难度越大，效率越低， 单位长度的工程造价越高，尤其是当土钉的长度超 过了12m、即一整条钢筋的长度后。但是，很短的 注浆土钉也不便施工，注浆时浆液难以控制容易造 成浪费故不宜短于3所以选择土钉长度是综 69 （（3 3）间距）间距 土钉密度的影响也是显而易见的，密度越大，基坑 稳定性越好。土钉的密度由其间距来体现，间距包 括水平间距sx和竖向间距sz，水平间距有时简称为 间距，竖向间距简称为排距。土钉通常等间距布 置，有时局部间距不均。土钉的间距与长度密切相 关，通常土钉越长，土钉密度越小，即间距越大。 从施工的角度，在土钉密度不变时，排距加大、水 平间距减少便于施工，可加快施工进度，但是，一 方面排距因受到开挖面临界自稳高度的限制不能过 70 （（4 4）倾角）倾角 理想状态下，土钉轴线应与破裂面垂直，以便能充分 发挥土钉提供的抗力。但这是做不到的。在理论上， 土钉墙有多种稳定分析模式，破裂面是假定的，不同 的计算模型假定的破裂面并不相同，土钉不可能设计 成与实际破裂面垂直。研究表明，土钉倾角 525时对支护体系的稳定性影响的差别并不 大，1020时效果最佳。破裂面接近地表时近似 垂直，故靠近地表的土钉越趋于水平对减少变形及地 表角变位效果越好，这已经被实践所证实，但是土钉 越趋于水平施工越困难。钻孔注浆型土钉倾角不应小 于5小于5时不仅浆液流入困难浪费多需补 71 （（5 5）空间布置）空间布置 ①最上一排土钉与地表的距离值得关注。土钉之间 存在着土拱效应及土钉之间荷载重分配，彼此可互 相分担荷载，但第一排土钉以上的边坡处于悬臂状 态，不存在土拱效应及荷载的重分配，土的自重压 力及地面附加荷载引起的土压力直接作用到面层 上，施工期间一直如此。为防止压力过大导致墙顶 坡坏，第一排土钉距地表要近一些，同时工程设计 时往往规定坡顶距坑边一定范围内（通常12m）不 能有附加荷载必要时应进行验算但太近时注浆 72 ②最下一排土钉往往也需要特别关注。下部土钉，尤 其是最下一排，实际受力较小，长度可短一些。但工 程中有许多难以意料的因素，如坑底沿坡脚局部超挖 （挖承台、集水坑、电梯井、排水沟等），大面积的 浅量超挖（如地下室底板标高小幅调整），坡脚被水 浸泡，土体徐变，地面大量超载，雨水作用，等等， 可能会导致下部土钉，尤其是最下一排，内力加大， 支护系统临近极限稳定状态时内力增加尤为明显，故 其也不能太短，且高度不应距离坡脚太远。有资料建 议最下一排土钉距坡脚的距离不应超过土钉排距的 73 ③同一排土钉一般在同一标高上布置。地表倾斜时 同一排土钉不应随之倾斜，因为倾斜时土钉测量定 位及施工均不方便，最好是同排土钉标高相同，令 其与地面的距离不断变化。此时应格外注意第一排 土钉以上悬臂墙的高度。上下排土钉在立面上可错 开布置，俗称梅花状布置，也可铅直布置，即上下 对齐。有人认为梅花形布置加大了土体的拱形展 开，使相邻土钉间距较为均匀，有利于土拱形成， 从而在施工过程中改善了开挖面的稳定，但也有人 认为土拱倾向于在水平及垂直方向发展。没有资料 表明哪种布置方式更有利于边坡稳定。铅直布置时 放线定位更为容易一些，且能够为以后可能存在的 使用微型桩类的补强加固措施留有较大的水平面空 间。国内采用梅花型布置较多一些，而欧美国家恰 74 ④在深度方向上，土钉的布置形式大体有上下等 长、上短下长、上长下短、中部长两头短、长短相 间5种，在土质较为均匀时，这5种布置形式体现了 不同的设计人对土钉墙工作机理的认识不同a.上 短下长。这种布置形式在土钉墙技术使用早期较为 常见，依据力平衡原理设计认为主动土压力作用 在面层上，每条土钉要承担其单元面积内的土压 力，主动土压力为传统的三角形，既然越向下土压 力越大，土钉也应越长，以承担更多的压力。这种 设计理论目前基本上已被实践否定。b.上下等长。 通常依据力矩平衡原理进行设计。因为性价比不太 75 d.中部长上下短。实际工程中，靠近地表的土钉， 尤其是第一、二排土钉，往往因受到基坑外建筑物 基础及地下管线、窨井、涵洞、沟渠等市政设施的 限制而长度较短，而且其位置下移，倾角有时也会 较大，可能达2530。另外，通过增加较上排 土钉的长度以增加稳定性在经济上往往不如将中部 土钉加长合算，所以就形成了这种形式。但第一排 土钉对减少土钉墙位移很有帮助，所以也不宜太 短。这种布置形式目前工程应用最多。 76 （略） e.长短相间。长短相间有两种布置形式，一 种是在纵向（沿基坑侧壁走向）上，同排土钉一长 一短间隔布置，另一种是在深度方向上，同一断面 的土钉上下排长短间隔布置。采用长短间隔布置的 理由为较长的土钉能够调动更深处的土体，可以 将应力在土体中分配得更均匀，减少了应力集中， 从而提高了整体稳定性。但这似乎有悖于土钉的受 力机理，因为粘结应力沿土钉全长并非均匀分布。 拉力沿土钉全长以峰值的形式从前端向尾端传递， 峰值大体在破裂面附如破裂面时穿过长短 77 3 3．土