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土钉墙支护结构设计应用范围与优缺点

323 2021-08-05 15:40:10

土钉墙是由被加固土体、锚固于土体中的土钉群和面板组成,形成类似重力式的挡土墙,以此来抵挡墙后传来的土压力或其他附加荷载,从而保持土体的稳定。

一、土钉的适用土层及可行性评价

土钉支护适用于有一定粘性的砂土、粘性土、粉土、黄土及杂填土,当场地同时存在砂、粘土和不同风化程度的岩体时,应用土钉支护特别有利。

应用土钉支护时,地下水位应低于土坡开挖段,否则应采用降水措施。对粘结力很差或处干软塑状态的土体,在分步开按挖的短时间内也难以保持十体稳定,需对开挖面以上十体预先注浆加固后才能采用土钉支护。

对标贯击数低于10的砂土边坡,采用土钉法一般是不经济的;对不均匀系数小于2的级配不良的砂土,不能采用土钉支护;对塑性指数I,>20的土,必须详细评价其端变特性,当蠕变性很小时,才能将土钉用作永久性支护。土钉不适应在腐蚀性土(如煤渣,煤灰、矿渣、炉渣)中作为永久性支护结构。

土钉支护深度一般不宜超过12 m,当场地土层特别好时,可放宽到14~16 m。

当基坑周围有重要建筑物且建筑物距基坑距离在一倍坑深范围内,或对基坑变形有严格要求时,不宜采用土钉支护。

二、土钉支护的应用范围与优缺点

土钉支护的应用范围很广,主要有;土体开挖时的临时支护、永久挡土结构、现有挡土结构和支护的修理、改建与抢险加固等。

1.土钉支护的优点

(1)材料用量和工程量少,施工速度快。土钉支护将土体作为支护结构的一部分,土方开挖量、混凝土用量、钢筋用量较少,远低于桩、墙支护。土钉支护的施工速度比其他支护快得多,有的甚至可将工期缩短一半以上。

(2)施工设备轻便、操作方法简单。土钉的制作与成孔不需要复杂的技术和大型机械设备,施工方法比较灵活,施工时对环境的干挠也很小。国内土钉工程用洛阳铲成孔,取得了很好的效果。

(3)对场地土层的适用性较强。

(4)结构轻巧、柔性大,有良好的抗震性能和延性。土钉属柔性支护,自重小,不需作专门的基础结构,并具有良好的抗震及抗振动能力。土钉支护即使破坏,一般也不至于彻底倒塌,并且有一个变形发展过程,反映出良好的延性。图5-90示出了土钉墙与素土边坡破坏比较。

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(5)安全可靠。土钉支护施工和新奥法施工一样,边开挖边支护,喷射混凝土和土体开挖面紧密接触,土体受到的扰动很少。虽然十钉需要土体发生变形以后才能工作,但现场实测表明,土支护的位移量与其他支护方法相当。众多的土钉多起到群体作用,个别土钉失效对整

体影响不大。土钉技术有一个重要的优点,即可以根据现场开挖发现的土质情况和现场监测的土体变形数据,修改土钉间距和长度。如果出现不利情况,也能及时采取措施加固,避免出现大的事故。在信息化施工前提下,应比其他支护施工有更高的安全程度。

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2.土钉支护的缺点和局限性

(1)需要较大的地下空间。现场需提供设置土钉的地下空间,当基坑附近有地下管线或建筑物基础时,则在施工时有相互干扰的可能。

(2)土钉支护的变形较大。土钉属柔性支护,其变形大于预应力锚撑式支护,当对基坑变形要求严格时,不宜采用土钉支护。

(3)土钉不适宜在软土及松散砂土地层中应用。

(4)十钉安护如果作为永久性结构,需要专门考虑锈蚀等耐久性问题。在无特殊侵蚀作

用的土体中,解决这一问题并不复杂。

三、土钉与锚杆、加筋土及抗滑桩支护方法的比较

土钉与锚杆比较,其工作机理不同、如图5-91示。锚杆一般施加预应力,在其末段的锚固段内作为受力段与周围土体接触,提供锚固力。除锚固段外,锚杆沿通长受到同样大小的拉力,并通过锚座传递到面部的挡土构件(如墙和桩)上。土钉一般不加预应力或加很小的预应力,土钉只有在土体发生变形以后才能被动受力,土钉受力沿其长度是不均匀的,一般是中间大,两头小,并且在主动区内和抗力区内土钉受力叠加后使土钉自身趋于力平衡状态,因此土钉支护中的混凝土面层不属于主要受力部件,它的主要作用是稳定开挖面上的局部土体,防止其塌落和受到侵蚀。

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另外,锚杆的设置数量远不如土钉,土钉依靠群体起作用,在施工精度和质量要求上没有锚杆那样严格。

土钉支护属于土体加筋技术中的一种,其形式与加筋挡土墙类似,但土钉施工是从上到下分段边挖土边支护,而加筋土则与之相反,从下而上分层施工,因此二者受力状态相差较大。再者加筋杆件一般水平设置,而土钉则与水平面有一定夹角。

抗滑桩直径一般远大于土钉,因而起抗滑挡土作用,只要抗滑桩不被剪断,就能保持土坡的稳定,抗滑桩主要发挥抗剪作用。而土钉直径较小,起不到挡土作用,土体破坏时可绕过土钉继续滑动,而土钉则不需被剪断,土钉只要不被拔出就能继续工作,因而土钉主要发挥抗拉作用。

四、土钉的工作机理

土体的抗剪强度较低,抗拉强度几乎可以忽略,但土体是一种结构体,具有一定的承载能力和自稳能力。如基坑开挖时,存在着使边坡保持直立的临界高度,当土坡直立高度超过临界值或坡顶荷载较大及其它环境因素发生变化时,将引起土坡的失稳。一般支护结构,如桩锚式支护结构,属于被动制约机制,即以支挡结构承受侧压力并限制其变形发展。土钉则是在土体内设置一定长度与分布密度的钢筋,与土共同工作,以弥补十体自 身强度的不足,增强土坡坡体自身的稳定性,属于主动制约支挡体系。

如图5-92示,边坡开挖卸荷产生不平衡力,使土体承受的剪应力增大,边坡土体产生侧向位移,当剪应力达到土体抗剪强度时产生塑性区,塑性区发展形成连续滑裂而时,则土体下滑,失稳破坏。

防止土体坍塌破坏的传统方法是用挡土结构支护法(图5-93),依靠挡土结构自身强度、刚度、支撑条件及嵌入深度形成抗力维持稳定,其作用是利用外部支挡形成的抗力被动地支挡要下滑破坏的边坡土体,可称之为被动制约机制。

图5-94示出了主动制约机制与被动制约机制的作用原理。被动制约提供了侧向平衡力,使摩尔应力圆右移,减少了土体中的剪应力,但并未使土体强度提高,破坏域并不能上移。被动制约机制最不利的一面是∶由于施加侧向抗力,限制土体的变形,实际主动土压力介干静止土压力和朗金(库仑)主动土压力之间,使作用在结构上的主动力矩增大。

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主动制约机制一方面使摩尔应力圆右移,减少了土体承受的剪应力;另一方面土,与土钉组成的复合土体使土体强度提高,使弹性域增大,破坏域上移,并随着土体位移的增大,土钉发挥的作用越大。土与土钉协调作用,利用复合土体自身的整体强度与刚度,通过改善并调整其应力分布,达到安全稳定的目的。

试验表,采用十钉后的边坡比天然土坡的承载力提高一倍以上。采用土钉支护后边坡

的变形发展阶段有;①弹性变形阶段;②)塑性变形阶段;③渐进开裂变形阶段;④破坏阶段,而天然边坡变形发展则不经过渐进开裂变形阶段,直接由塑性变形(塑性变形阶段较短)进入破坏阶段,其失稳型式为突发性滑塌。

综上所述,土钉墙的作用机理有以下几点∶

(1)复合土体作用。土钉与土共同作用,共同承担外荷载和土体自重应力,形成了强度较高的复合土体。由于土钉有较高的抗弯、抗剪、抗拉强度,当土体变形进入塑性变形阶段后,

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(3)确定土钉的直径、长度、倾角及在空间的方向;

(4)确定土钉钢筋的类型、直径和构造;

(5)注浆配比、注浆方式设计;

(6)混凝土面板设计及坡顶防护设计;

(7)进行整体和内部稳定性分析;

(8)施工图设计;

(9)监测、质量控制与保证设计。七、土钉墙的设计步骤

根据土钉墙的设计内容要求,具体设计步骤为∶

(1)根据边坡高度、土质条件及工程性质,初步确定土钉墙的结构尺寸,土钉布置方式和间距,分段开挖深度。

(2)根据现场抗拔试验结果、土压力分布、土抗剪参数,并结合已往经验,确定土钉类型尺寸、土钉直径和长度。

(3)进行内部稳定性分析,包括不同开挖阶段、不同位置处沿最危险破裂面的滑动破坏、

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土钉本身的强度破坏,拔出破坏以及喷射混凝土面板的破坏等,如图5-95示,应验算∶①施工阶段不同开挖阶段的最危险滑动面计算;②使用阶段不同位置的最危险滑动面验算;③双折线型滑动验算;④沿软弱土层的破坏验算;⑤土钉本身的强度验算(抗拔出验算);⑥)喷射混凝土面板强度验算。

(4)进行外部稳定性验算。把土钉墙视为档土墙,进行抗滑、抗倾、底部地基承载力验算,如图5. 96示。

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(5)选行第(3)、(4)项的稳定性计算,若不满足,修改第(1)、(2)项设计内容。重复上述过程直至取得满意的结果。

(6)进行施工图设计、构造设计及质量控制设计。八、土钉墙设计的一般原则

(1)土钉墙一般用于高度 H在15 m 以下的基坑和边坡,常用高度为6~12 m,坡角70°~90°。

(2)土钉的长度一般为;注浆式土钉为0.5~1.0 H,打入式土钉为0.5~1.2 H。实测表明(图5-97),沿高度上下分布的土钉,在使用状态的最大内力相差很大,一般为中间大,面上部和底部都偏小,所以中部土钉所起作用较大。但是顶部土钉对于限制地表变形非常重要。如果顶部土钉较短,则在土钉尾部或尾部以外的地表上容易出现较大变形,出现裂缝,这对十钉墙的强度和稳定性可能影响不大,但会使支护结构的水平位移增大,所以当基坑附近有建筑物或地下管线时,上部土钉需加长一些。如果基坑中下部十层强度高,滑动面可能不穿过下部十层,底部土钉可短一些(当土层特别好时,可不设置土钉);反之底部土钉则不宜过短,因为有可能发生基底深部滑动失稳等问题。

一般来说,粘性士中的钉长与基坑深度之比 L/H 应比砂性土大些。当基坑附近有各种构筑物时,非饱和土中的 L/H=0.5~1.0,顶部土钉 L/H≥0.8~1.0;在饱和土中,L/H 之比可大于2。

(3)土钉一般均匀布置在坡面中,为使土钉与周围土体形成一个组合整体,土钉间距不宜过大,对注浆式土钉,间距一般为1~2 m;对打入式土钉,间距一般为0.5~1.5 m。在非饱和工土中,间距一般为1.2~1.5 m;在坚硬粘土或风化岩层中间距可超过2 m;对软土间距可小于1 m。当基坑附近有构筑物时,上部土钉间距可适当减小。

土钉与水平面夹角一般取5°~20°。为有效发挥土钉的抗拉作用和控制基坑变形,根据我们的经验,上部土钉倾角宜控制在5°~15°之间为宜,太大则不能充分发挥土钉抗拉作用。

(4)土钉钢筋为Ⅱ级以上螺纹钢筋,钢筋直径一般为必16~32mm,常用Ø22~25mm;钻孔直径一般为70~120 mm,常用100~110 mtm。

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九、土钉墙的设计方法与稳定性分析

关于土钉墙设计方法有多种,按基本原理可分为极限平衡方法和有限元方法,目前在工程上多采用极限平衡方法,如法国圆弧形破裂面方法、德国双线性破裂面方法、运动学方法、王步云方法,Bridle 方法等。

关于土钉设计方法,目前还没有一个公认统一的计算方法。我们将主要介绍一些较为成熟的方法,如王步云方法,Bridle 方法、圆弧滑动分析法等。


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