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基坑土钉支护设计计算

370 2021-10-25 15:16:21

概述

1.土钉支护的概念

土钉支护是近年来发展起来用于土体开挖和边坡稳定的一种新型挡土结构,它由被加固土、放置于原位土体中的细长金属杆件(土钉)及附着于坡面的混凝土面板组成,形成一个类似重力式墙的挡土墙。以此来抵抗墙后传来的土压力和其他作用力,从而使开挖坡面稳定。

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土钉一般是通过钻孔、插筋、注浆来设置的,也可通过直接打入较粗的钢筋或型钢形成土钉。土钉沿通长与周围土体接触,依靠接触界面上的黏结摩阻力,与其周围土体形成复合土体,土钉在土体变形的条件下被动受力,并主要通过其受拉工作对土体进行加固。而土钉之间变形则通过面板(通常为配筋喷射混凝土)予以约束。其典型结构如图3-21所示。

2.土钉支护的发展

现代土钉技术是从20世纪70年代出现的。德国、法国和美国几乎在同一时期各自独立地开始了土钉墙的研究和应用。出现这种情况并非偶然,因为土钉在许多方面与隧道新奥法施工类似,可视为是新奥法概念的延伸。20世纪60 年代初期出现的新奥法,采用喷射混凝土和黏结型锚杆相结合的方法,能迅速控制隧道变形并使之稳定,特别70年代及稍后的时间内,先后在德国法兰克福及纽伦堡地铁的土体开挖工程中应用获得成功,对土钉墙的出现产生了积极的影响。此外 20世纪60年代发展起来的加筋土技术对土钉墙技术的萌生也有一定的推动作用。

1972 年法国首先在工程中应用土钉墙技术。该工程为凡尔赛附近的一处地铁路堑的边坡开挖工程,这是有详细记录的第一个土钉墙工程。美国最早应用土钉墙在 1974 年。一项有名的工程是匹茨堡 PPG 工业总部的深基开挖。德国于1979 年首先在斯图加特建造了第一个永久土钉工程(高14m)。并进行了长达10年的工程测量,获得了很多有价值的数据。

我国应用土钉的首例工程可能是1980年将土钉用于山西柳弯煤矿的边坡稳定。近年来,各地的基坑工程已开始较广泛地应用土钉墙支护。

与国外相比,我国在发展土钉墙技术上也有一些独特的成就。如∶(1)土钉墙与土层预应力锚杆(索)相结合,成功地解决了深达17m 的垂直开挖工程的稳定性问题。(2)发展了洛阳铲成孔这种简便、经济的施工方法。(3)对软弱地层地下水位以下的基坑工程,进行了土钉墙支护的探索,并取得了初步经验。

3.土钉分类

土钉主要可分为钻孔注浆土钉与打入式土钉两类。

钻孔注浆土钉,是最常用的土钉类型。即先在土中钻孔,置入钢筋,然后沿全长注浆,为使土钉钢筋处于孔的中心位置,有足够的浆体保护层,需沿钉长每隔2~3m 设对中支架。 土钉外露端宜做成螺纹并通过螺母、钢垫板与配筋喷射混凝土面层相连,在注浆体硬结后用扳手拧紧螺母使在钉中产生约为土钉设计拉力10%左右的预应力。

打入土钉,是在土体中直接打入角钢、圆钢或钢筋等,不再注浆。由于打入式土钉与土体间的黏结摩阻强度低,钉长又受限制,所以布置较密,可用人力或振动冲击钻、液压锤等机具打入。打入钉的优点是不需预先钻孔,施工速度快但不适用干砾石土和密实胶结土,也不适用于服务年限大于两年的永久支护工程。

近年来国内开发了一种打入注浆式土钉,它是直接将带孔的钢管打入土中,然后高压注浆形成土钉,这种土钉特别适用于成孔困难的砂层和软弱土层,具有较好的应用前景。

4.土钉支护的特点

与其他支护类型相比,土钉墙具有以下一些特点或优点∶

(1)能合理利用土体的自承能力,将土体作为支护结构不可分割的部分;

(2)结构轻型,柔性大,有良好的抗震性和延性;

(3)施工设备简单,土钉的制作与成孔不需复杂的技术和大型机具,土钉施工的所有作业对周围环境干扰小;

(4)施工不需单独占用场地,对于施工场地狭小,放坡困难,有相邻低层建筑或堆放材料,大型护坡施工设备不能进场,该技术显示出独特的优越性;

(5)有利于根据现场监测的变形数据,及时调整土钉长度和间距。一旦发现异常不良情况,能立即采用相应加固措施,避免出现大的事故,因此能提高工程的安全可靠性;

(6)工程造价低,据国内外资料分析,土钉墙工程造价比其他类型的工程造价低1/3~1/2左右。

5.土钉支护的适用条件

土钉支护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。

土钉支护宜用于深度不大于12m 的基坑支护或边坡维护,当土钉支护与有限放坡、预应力锚杆联合使用时,深度可增加。

土钉支护不宜用于含水丰富的粉细砂层、砂砾卵石层和淤泥质土。一般认为,土钉支护不适用于没有自稳能力的淤泥和饱和软弱土层。

土钉支护作用机理

土体的抗剪强度较低,抗拉强度几乎可以忽略,但土体具有一定的整体结构,当开挖基坑时,土体存在使边坡保持直立的临界高度,当超过这一深度或者在地面超载及其他因素作用下,将发生突发性整体破坏。所采用的传统的支挡结构均基干被动制约机制,即以支挡结构自身的强度和刚度,承受其后的侧向土压力,防止土体整体稳定性破坏。

土钉支护则是由在土体内放置一定长度和密度的土钉体构成的。土钉与土共同工作,形成了能大大提高原状土强度和刚度的复合土体,土钉的作用是基于这种主动加固的机制。土钉与土的相互作用,还能改变土坡的变形与破坏形态,显著提高了土坡的整体稳定性。

试验表明∶直立的土钉支护在坡顶的承载能力约比素土墙提高一倍以上(见图3-22)。更为重要的是,土钉支护在受荷载过程中不会发生素土边坡那样突发性的塌滑(见图3-23)。它不仅推迟了塑性变形发展阶段,而目明显地呈现出渐进变形与开裂破坏并存目逐步扩展的现象,直至丧失承受更大荷载的能力,仍不会发生整体性塌滑。

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土钉在复合土体中的作用可概括为以下几点∶

(1)箍束骨架作用∶该作用是由土钉本身的刚度和强度以及在土体内的分布空间所决定的。它具有制约土体变形的作用,并使复合土体构成一个整体。

(2)分担作用∶在复合土体内,土钉与土体共同作用承扣外部荷载和土体自重应力。由于土钉较高的抗拉、抗剪强度以及土体无法比拟的抗弯刚度,所以当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,这时土钉内出现弯剪、拉剪等复合应力,从而导致土钉体中浆体碎裂,钢筋屈服。复合土体塑性变形延迟及渐进性开裂变形的出现与土钉分担作用密切相关。

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(3)应力传递与扩散作用;在同等荷载作用下,由土钉加固的土体内的应变比素土边坡土体内的应变大大降低,从而推迟了开裂的形成与发展。

(4)坡面变形的约束作用∶在坡面上设置的与土钉连成一体的钢筋混凝土面板是发挥土钉有效作用的重要组成部分。坡面鼓胀变形时开挖卸荷、土体侧向变位以及塑性变形和开裂发展的必然结果,限制坡面鼓胀能起到抑制内部塑性变形,加强边界约束作用,这对土体开裂变形阶段尤为重要。

土钉支护设计计算

土钉支护工程设计应包括以下内容∶

(1)初步选定土钉支护结构尺寸(支护高度、放坡级数、各级放坡坡度、平台宽度、土钉皮数等)与分段施工长度与高度;

(2)初步选定各层土钉的长度、间距、倾角、孔径、钢筋直径等;(3)土钉抗拔与抗拉承载力验算;(4)土钉支护内部稳定性验算;(5)土钉支护外部稳定性验算;(6)面层设计验算。

1.初步选定土钉支护结构尺寸

土钉支护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,基坑高度以5~12m为宜,所以在初步设计时,先根据基坑环境条件和工程地质资料,决定土钉支护的适用性,然后确定土钉支护的结构尺寸,土钉支护高度由工程开挖深度决定,开挖面坡度可取60°~90°,在条件许可时,尽可能降低坡面坡度。

土钉支护均是分层分段施工,每层开挖的最大高度取决于该土体可以站立而不破坏的能力。在砂性土中,每层开挖高度一般为0.5~2.0m,在黏性土中可以增大一些。开挖高度一般与土钉竖向间距相同,常用1.0~1.5m∶每层开挖的纵向长度,取决于土体维持稳定的最长时间和施工流程的相互衔接,一般多用10m 长。

2.初步选定各层土钉参数

根据土钉支护结构尺寸和工程地质条件,进行土钉的主要参数设计,包括土钉长度、间距及倾角、孔径和钢筋直径等。

1)土钉长度

在实际工程中,土钉长度一般不超过土坡的垂直高度,试验表明,对高度小于12m 的土坡采用相同的施工工艺,在同类土质条件下,当土钉长度达到垂直高度时,再增加其长度对承载力的提高不明显∶另外,土钉越长,施工难度越大,单位长度费用越高,所以选择土钉长度是综合考虑技术、经济和施工难易程度后的结果。Schlosser(1982)认为,当土坡倾斜时,倾斜面使侧向土压力降低,这就能使土钉的长度比垂直加筋土挡墙拉筋的长度短。因此,土钉的长度常采用约为坡面垂直高度的60%~70%。Bruce 和 Jewell((1987)通过对十几项土钉工程分析表明;对钻孔注浆型土钉,用于粒状土陡坡加固时,其长度比(土钉长度与坡面垂直高度之比)—般为0.5~0.8;对打入型土钉。用干加固粒状土陡坡时,其长度比一般为0.5~0.6。

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6.面层设计

面层的工作原理是土钉设计中最不清楚的问题之一,现在已积累了一些喷射混凝土面层所受土压力的实测资料,但是,测出的土压力显然与面层的刚度有关。欧洲对面层的设计方法有很多种,而且差别极为悬殊,一些临时支护的面层往往不做计算,仅按构造规定一定厚度的网喷混凝土,据说现在还没有发现面层出现破坏的工程事故,在国外所作的有限数量的大型足尺试验中,也仅发现在故意不做钢筋网片搭接的喷射混凝土面层才出现了问题。面层设计计算中有两种极端,一种是认为面层只承受土钉竖向间距S,范围内的局部土压,取1~2倍的S、作为高度来确定主动土压力并以此作为面层所受的土压力。另一个极端则将面层作为结构的主要受力部件,受到的土压力与锚杆支护中的面部墙体(桩)相同。较为合理的算法是将面积S,S,上的面层土压合力取为该处土钉最大拉力的一部分。德国有的工程按85% 主动土压力设计永久支护面层,但也认为实际量测数据并没有这样大,而且土钉之间的土体起拱作用尚可造成墙面土压力降低。法国Clouterre 研究项目得出的结论是面层荷载合力一般不超过土钉最大拉力的 30%~40%。为了限制土钉间距不要过大.,他们建议面层设计土压取为土钉中最大拉力的60% (间距1m)到100%(间距3m)。需要指出的是这些比值只适用于自重作用下的情况。

面层在土压力作用下受弯,其计算模型可取为以土钉为支点的连续板进行内力分析并验算抗弯强度和所需配筋率。另外,土钉与面层连接处要作抗剪验算和局部承压验算。