土钉加筋土挡土墙（陈宗严）.pdf

第 1 页筑龙网 w w w . s i n o a e c . c o m 土钉加筋土挡土墙资料编号 W Z T U 7 5 5 - 1 5 3 1 土钉加筋土挡土墙土钉加筋土挡土墙陈宗严冶金工业部建筑研究总院 [中图分类号][中图分类号]TU755 1 概述 1 概述加筋土就是在土层之间设置抗拉加筋件，依靠土与加筋件之间的摩擦力，使土体拉结成整体，起到防止滑动坍塌的作用。用钢棒作为加筋件称为土钉，这种挡土墙的筑设可与挖土同步进行。每次挖深一定程度如 1.5m，对挖出的基坑壁面钉挂一层钢筋网，并喷筑一层厚度为 5～ 10cm 的混凝土。在壁面横向按设定间距如 1.0m钻设土钉孔达到设定深度如 5m，孔内插入 φ25 螺纹钢筋，在壁面伸出带丝扣的端头 10cm，孔内用水泥砂浆灌实，孔口安设 150mm150mm10mm 钢垫板，用螺帽与加筋件固定，继续挖深，每层用同样方法筑设土钉，直到基坑底面为止，然后对整个壁面再喷筑一层混凝土，使总厚达 150～200mm。至此，土钉加筋土挡土墙的筑设即告完成。当土体产生变形时，加筋件也产生相应的变形，同时承受了轴向荷载和剪力以抵抗土体的滑动。喷混凝土层对土体只起到保护作用和承受局部侧压力，抵抗滑动的力矩主要由加筋土整体提供。这种挡土墙 70 年代在欧美已有使用实例，1979 年国际会议对其经济性和安全性予以肯定。因其筑设简便，能在开挖时尽早设置，与开挖面紧密接触，减轻对地基的扰动，不使临近建筑物受到损害，可广泛用于临时性和永久性的土坡支护工程。1985 年以后，许多学者对加筋土结构提出了理论分析和计算方法，使这门技术的应用更加确切和安全。我国近年来对土体的锚固也有使用实例，但多为经验布置，缺少计算依据，本文对此推荐一套计算方法，希望有助于这项技术的推广使用。 2 滑动面的确定第 2 页筑龙网 w w w . s i n o a e c . c o m 土钉加筋土挡土墙资料编号 W Z T U 7 5 5 - 1 5 3 1 在滑动面上任意点，土的位移向量与转动半径向量成正交并与该点切线夹成角度大致等于土的内摩擦角，则半径与切线的夹角 φ90-；切线与垂直线的夹角为 α，则半径与水平线的夹角 0十 α，其关系如图 1 所示。图中 R。为滑动面与地面交点处的转动半径，该点切线与垂直线的夹角 α。一般都很小，可取用最大值 α。3。R。与水平线的夹角 θ。α。 Rf为滑动面与底面交点处的转动半径，该点切线与水平线的夹角 β 按下列公式计算； β0.50.201ω0.265ω0.087 式中ω 为挖出的土壁坡度。该点切线与垂直线的夹角 αf90-β，Rf 与水平线的夹角 θfαf，R。与 Rf的夹角为 αf-ao。上列情况的应变路径即滑动面可以用对数螺线方程来表示，即是滑动面上任意点的转动半径 R 比始点的转动半径 R。增长如下 RR。e Kα-α o 式中α，α。的单位为弧度，K 为应变速率常数，由半径与切线的夹角 φ 确定。以内摩擦角200.35rad，土壁坡角 ω851.48rad 的土体为例 tanR1/Ktan90-或 Ktantan200.36 β0.50.350.2010.351.480.2651.480.0870.76rad44 第 3 页筑龙网 w w w . s i n o a e c . c o m 土钉加筋土挡土墙资料编号 W Z T U 7 5 5 - 1 5 3 1 αf90-β90-4446，θfαf66 R。与 Rf的夹角αf-αo46-3 430.75rad RfR。e Kα-α o R。e0360.75R。C0271.31R。根据图中的几何关系可得出 HRfsinθf-R。sinθ。1.31R。sin66-R。sin231.20R。-0.39R。0.81R。 βR。cosθ。-RfcosθfR。cos23-1.31R。cos660.92R。-0.53R。0.39R。 B/H0.39R 。 /0.81R 。 0.48 挖土深度H7.0m时， B70.483.4m ， R 。 7.0/0.813.4/0.398.7m，Rf1.31R。11.4m. 滑动面上任何点的转动半径 RR。e kα-α。8.7e0.36α/e0.e36α。8.7e0.36α/e0360.05 8.7e0.36α/1.028.5e0.36α 有了上列数据，土体滑动面的形状即可确定，用以计算滑动力矩和抵抗力矩的平衡。 3 滑动面上力矩的平衡活动区的上体，竖向分割成若干土条，分别计算其滑动力矩和抵抗力矩，然后汇总起来进行比较，得出需由土钉提供的平衡力矩。图 2 表示第 i 个土条其重力作用于滑动面的情况。土条底面为滑动面弧长的一段l，土条的重力 W 在滑动面上分解成法向力 W1sinα 和切第 4 页筑龙网 w w w . s i n o a e c . c o m 土钉加筋土挡土墙资料编号 W Z T U 7 5 5 - 1 5 3 1 向力 WCOSα。法向力与直径的夹角是土的内摩擦角 φ，法向力乘以摩擦系数 tanφ 即为该段弧长上的摩擦力，与该段弧长上的粘聚力Cl共同抵抗滑动。以本文所举例题，按粘聚力 C5kN/m 2，重力密度 r18kN/m3计算，得出各种力矩如下活动区土体所产生的滑动力矩 856kNm 需要土钉提供的平衡力矩 OBM *KM w-MR1.21539-856 991kNm 4 土钉受力情况分析在同一工程上一般都采用同一规格的土钉，规格包括钢棒的直径和长度，以及孔内注浆体的直径。但在不同部位的土钉受力情况各不相同，视土钉与滑动面所成角度而异 1与滑动面切线成直角的土钉只产生剪力而无轴向荷载，这样没有充分发挥土钉的功能。 2与滑动面切线成逆时针转向的土钉既承受剪力也承受拉力，一般土钉都应该这样布置，调整土钉倾度可使拉力和剪力基本均衡。 3与滑动面切线成顺时针转向的土钉，既承受剪力也产生压力，压力对土钉不利，这种情况应该避免。每根土钉剪力和拉力的转换可由土钉的筑设倾度调整，设 ρ 为土钉与滑动面交点处切线的夹角，ρθφ-ε，ε 为土钉与水平线的倾角，如图 3 所示。土钉在滑动面切线方向所受的应力为 τTsinρVcosρcosρ/A 式中A 为土钉注浆体截面面积，T 为土钉所受拉力，V 为土钉在滑动面上所受的剪力。当 dt/dt0 时，土钉所受的应力为最大，由此得出 T2Vtan2ρ的关系式，可用于分析土钉上拉力和剪力的分配数值。在同一滑动面上的土钉共同提供平衡外的力矩。以上节所举例题，平衡外的力矩 OBM *991KNm，不论土钉位置的高低，每个土钉都提供相同的抵抗力矩，即为 991/5198kNm 第 5 页筑龙网 w w w . s i n o a e c . c o m 土钉加筋土挡土墙资料编号 W Z T U 7 5 5 - 1 5 3 1 以图 3 的第 3 层土钉为例，土钉对水平线的倾角 ε10，θ47，φ20， ρθ-ε-φ17。该土钉所受轴向力 7 和剪力 V 的关系式如下 T2tan2ρV2tan34V1.35V 该点的 αθ-27，α-α。27-3240.42rad，转动半径 RR。e Kα-α。8.7e0.1510.1m。 T 和 V 对转心的力矩 M 为 198KNm MTRsinθ-εVRcosθ1.35V10.1sin37V10.1cos478.2V6.9V1 5.1V 198kNm V198/15.113.1kN T1.35V1.3513.117.7kN。其他层次的土钉，受力情况也同样计算，其结果见表。从分析中可以看出土钉的倾度对其承受 T 和 V 的比例关系极为敏感。表中各层土钉的倾度从上到下有变化，使 T 和 V 的比例关系成为 T2tan2ρV0.50～2.07V。如果各层土钉都是水平设置，其比例关系就成为 T0.50～19.1V，使下层土钉所受的 T 和 V 相差悬殊，不能充分发挥作用。再如上层土钉也下倾 10以上，则土钉的轴向荷载就会转变成压力，也增大了剪力，是不良的布置。挡土墙后面的地面如果是斜坡，上层的土钉可以筑设成向上倾斜，这样能改善受力情况。 5 效果验证第 6 页筑龙网 w w w . s i n o a e c . c o m 土钉加筋土挡土墙资料编号 W Z T U 7 5 5 - 1 5 3 1 法国有一研究项目，对 7m 高的土钉加筋土挡土墙，用蓄水饱和的方法使其破坏，观测破坏区发展情况，并开挖检查土钉变形，看到地面裂缝大致发生在离墙 B2.5m 处，滑动面为从顶到趾变宽度条带，各层土钉最大应力段的连线与计算得出的滑动面相接近。实际工程要对土钉就地进行拉拔试验，得出实际抗拔力，各层土钉的抗拔力都不相同。可用下列公式估算，与实测值比较。 POR *rZDLtan VtanCπDL 式中Z 为土钉离地面距离，D 为土钉孔内注浆体直径，本文举例D0.1m 。以图3的第3层土钉为例，计算抗拔力 POR184.20.12.9tan2013.1tan2053.140.12.917.8kN。其他层次土钉抗拔力也同样计算，结果见表。土钉的分析计算目前尚处于发展探索阶段，上述计算方法尚属初探，有待实际使用测试中进一步完善。作者单位冶金工业部建筑研究总院 100088 收稿日期199306-08 *OBMOverBalanceMoment，为使滑动力矩与抵抗力矩平衡所需的力矩。 * PORPulloutResistance，为拔出抵抗力。 1994 年第 1 期（第 23 卷总第 127 期）