擋土結構與基坑工程

木林隆博士巖土大樓820室65982005mulinlong@第八講土釘墻概述土釘?shù)墓ぷ鳈C理及工作特性土釘墻及復合土釘墻的設計計算土釘墻施工質(zhì)量控制土釘墻案例鋼板樁加土釘圍護結構土釘（錨管）申德公寓基坑土釘及噴射混凝土面層申德公寓基坑土釘及噴射混凝土面層土釘墻剖面1—噴射混凝土面層；2—土釘

土釘是土體中原位加筋技術的一種，是由水平或近于水平設置于天然邊坡或開挖形成的邊坡中的加筋桿件及面層結構形成的擋土體系，用以改善原位土體的性能，并與原位土體共同工作，形成一重力式擋墻作用的輕型支擋結構，從而提高整個邊坡的穩(wěn)定性。土釘墻的概念定義組成構件土釘粘附于土體表面的鋼筋混凝土面層土釘之間的被加固土體概述土釘技術的發(fā)展歷史1972年，法國承包商Bouygues在法國Versai11es附近的一處鐵路邊坡開挖工程中，采用了噴混凝土并在土體中置入鋼筋(土釘)作為臨時支護，開挖的邊坡坡度為70o，長965m，最大坡高21.6m，共用了25000多根鋼筋。這是有著詳細記載的第一個土釘工程。概述廣泛應用土釘支護僅次于法國的是德國，到1981年西德已成功完成了20個以上的土釘支護工程項目，1986年發(fā)表的一份報告估計，當時西德每年進行的土釘支護工程約為法國的1/4。美國最早記載土釘支護的應用是1976年在Oregon州波特蘭市一所醫(yī)院(GoodSamaritanHospital)擴建工程中的基礎開挖。但在北美、加拿大的西部地區(qū)早在60年代末期已經(jīng)用過土釘作為房屋基礎開挖的臨時支護。美國另一項有名的土釘支護工程是匹次堡PPG工業(yè)總部的深基開挖，與其緊挨的有已建建筑物，所以開挖時對土層作了注漿處理，并且對土釘區(qū)內(nèi)的已有房屋基礎用微型樁(micropiles)作了托換。美國聯(lián)邦公路管理局現(xiàn)在已有土釘支護技術設計與施工的指南性文件。我國應用土釘?shù)氖桌こ淌?980年山西柳灣煤礦的邊坡加固。土釘技術的發(fā)展歷史概述一般按按施工工方法法將土土釘分分為三三種類類型：：鉆孔注注漿型型，直直接打打入型型和打打入注注漿型型。鉆孔注注漿型型土釘釘：先在土土坡上上鉆的的孔，，然后后插入入鋼筋筋、鋼鋼桿或或鋼鉸鉸索等等小直直徑桿桿件，，再用用壓力力注漿漿充實實孔穴穴，形形成與與周圍圍土體體密實實粘合合的土土釘，，最后后與面面層結結構構構成一一個具具有自自撐能能力且且能夠夠支擋擋其后后末加加固體體的加加筋域域。土釘?shù)牡念愋托透攀龃蛉胄托屯玲斸敚簩摋U桿件直直接打打入土土中。。其提提供的的摩阻阻力較較低，，因而而所要要求的的釘桿桿表面面積和和設置置密度度均需需大于于鉆孔孔注漿漿型土土釘，，其長長期防防腐工工作也也難以以保證證，因因而，，目前前多用用于臨臨時性性支擋擋工程程中。。打入注注漿型型：在鋼管管中部部及尾尾部設設置注注漿孔孔成為為鋼花花管，，直接接打入入土中中后壓壓灌水水泥漿漿形成成土釘釘。它它具有有直接接打入入土釘釘?shù)膬?yōu)優(yōu)點且且抗拔拔力較較高，，應用用較為為廣泛泛，缺缺點是是造價價比鉆鉆孔注注漿土土釘略略高，，防腐腐性能能較差差不適適用于于永久久性工工程。。土釘機機（氣動動沖擊擊錨桿桿機））每步開開挖后后應盡盡快在在開挖挖面上上做好好支護護，可可以先先在開開挖面面上打打入短短鋼筋筋，控控上鋼鋼筋網(wǎng)網(wǎng)，然然后噴噴50mm~100mm厚面層層。土土釘支支護中中的面面層不不是主主要受受力部部件，，并不不需要要很厚厚，也也可以以用預制混混凝土土板拼起來來作為為面層層，在在塊狀狀巖體體或硬硬土中中甚至至可以以僅設設焊接接網(wǎng)。。在穩(wěn)穩(wěn)定性性良好好的土土體中中也可可以先先設置置土釘釘，然然后做做噴混混凝土土面層層。土釘?shù)牡母綄賹俳Y構構概述面層排水系系統(tǒng)為了防防止地地表水水滲透透對噴噴混凝凝土面面層產(chǎn)產(chǎn)生壓壓力和和侵蝕蝕，防防止土土體因因飽和和而降降低其其強度度和土土釘之之間的的粘結結力，，土釘釘支護護必須須有良良好的的排水水系統(tǒng)統(tǒng)。能合理理利用用土體體的自自穩(wěn)能能力結構輕輕型，，柔性性大，，有良良好的的抗震震性和和延性性，破破壞前前有變變形發(fā)發(fā)展過過程密封性性好，，完全全將土土坡表表面覆覆蓋，，沒有有裸露露土方方，防防止地地下水水滲出出，雨雨水滲滲入土釘數(shù)數(shù)量眾眾多靠靠群體體作用用，個個別土土釘破破壞影影響不不大施工所所需場場地小小，移移動靈靈活施工速速度快快施工設設備及及工藝藝簡單單，不不需要要復雜雜的技技術和和大型型機具具，施施工對對周圍圍環(huán)境境干擾擾小孔徑小小，與與樁相相比，，穿透透卵石石、漂漂石及及填石石能力力更強強邊開挖挖邊支支護便便于信信息化化施工工材料用用量及及工程程量少少，便便于信信息化化施工工土釘墻墻的特特點概述土釘墻墻+預應力力錨桿桿土釘墻墻+隔水帷帷幕土釘墻墻+微型樁樁土釘墻墻+隔水帷帷幕+預應力力錨桿桿土釘墻墻+微型樁樁+預應力力錨桿桿土釘墻墻+攪拌樁樁+微型樁樁土釘墻墻+隔水帷帷幕+微型樁樁+預應力力錨桿桿復合土土釘墻墻概述類型與普通通土釘釘墻相相比對土層層的適適用性性更廣廣、更更強，，幾乎乎可適適用于于各種種土層層整體穩(wěn)穩(wěn)定性性、抗抗隆起起及抗抗?jié)B穩(wěn)穩(wěn)定性性更高高增加了支護護深度有效控制水水平變形保持了土釘釘墻造價低低、工期快快、施工方方便、設備備簡單等優(yōu)優(yōu)點復合土釘墻墻概述特點土釘與錨桿桿的比較概述錨桿土釘拉力分布自由段不與土接觸，拉力從自由端交界處向尾端單調(diào)遞減拉力沿全場分布，中間大兩端小對土體的約束機制通常施加預應力，主動約束擋土結構變形需借助土體變形，是被動受力密度及施工要求密度小，每根都是重要部件密度大，允許個別破壞設計承載力與錨頭結構設計承載力較大，錨頭構造復雜設計承載力小，結構簡單施工規(guī)模長度一般不小于15m，直徑不小于130mm，施工機械設備大長度小，直徑小，設備簡單擋土墻機理視主動區(qū)土體為荷載，通過錨桿傳遞至穩(wěn)定區(qū)通過加筋將最危險滑動面主動區(qū)的土體改良為復合土體，將復合土體的荷載傳遞至滑移面后施工順序自上而下或自下而上自上而下注漿工藝通常在錨固段二次注漿，高壓注漿重力一次注漿墻底壓力擋墻下設置基礎垂直分力小筋桿長度長短重力式擋土土墻及加筋筋土擋墻均均先構筑擋擋土墻后開開挖，土釘釘墻先開挖挖后筑墻重力式擋墻墻一般視為為剛性墻，，土釘墻是是柔性復合合結構重力式擋墻墻墻趾壓力力較大會導導致沉降或或傾覆，而而土釘墻墻墻趾壓力較較天然土沒沒有顯著增增加土釘與重力力式擋墻的的比較概述理論上土釘釘密集到一一定程度就就會形成墻墻，達到重重力式擋墻墻的效果，，但實際上上，實踐工工程中，土土釘無法達達到這個密密集程度。。含水豐富的的粉細砂、、中細砂、、中粗砂、、礫砂及卵卵石層過于干燥的的砂層、相相對密度較較小的均勻勻度較好的的砂層淤泥質(zhì)土、、淤泥等軟軟弱土層膨脹土強度過于低低的土對變形嚴格格要求的基基坑較深的基坑坑地基靈敏度度較高的土土層對用地紅線線有嚴格要要求的基坑坑土釘墻適用用條件概述地下水位以以上或經(jīng)人人工降水后后的人工填填土、粘性性土和弱膠膠結砂土。。不適合淤泥質(zhì)土、、淤泥等軟軟弱土層太太深厚時超過20m的基坑對變形嚴格格要求的基基坑地基靈敏度度較高的土土層對用地紅線線有嚴格要要求的基坑坑復合土釘墻墻適用條件件概述不適合土釘?shù)墓ぷ髯鳈C理及工工作特性土釘置入現(xiàn)現(xiàn)場土體后后，如果土土體不變形形，土釘就就不會受力力。隨著往往下開挖或或地表上施施加荷載，，土體發(fā)生生變形，于于是通過土土體與土釘釘或土體與與鉆孔注漿漿之間的界界面作用使使土釘參與與工作。試試驗表明，，土體只要要微小的變變形就可使使土釘受力力。土釘在支護護中所起的的作用顯然然與土體變變形的運動動方向有關關。為能充充分發(fā)揮土土釘?shù)淖饔糜?，土釘?shù)牡脑O置方向向宜與土體體可能發(fā)生生的剪切滑滑移面成某某一角度，，使土釘受受拉并能充充分提高土土體的抗剪剪強度；如如果土釘方方向與土體體剪切滑移移面之間的的角度使土土釘受壓，，此時甚至至會降低土土體的抗剪剪強度。土釘墻的工工作機理土釘?shù)墓ぷ髯鳈C理及工工作特性1、箍束骨架作作用：制約土體變變形，并使使復合土體體構成一個個整體。2、分擔作用：：由于土釘有有較高的抗抗拉、抗剪剪強度以及及土體無法法比擬的抗抗彎剛度，，當土體進進入塑性狀狀態(tài)后，應應力逐漸向向土釘轉移移。當土體體開裂時，，土釘分擔擔作用更加加突出，這這時土釘內(nèi)內(nèi)部出現(xiàn)彎彎剪、拉剪剪等復合應應力，從而而導致土釘釘體中漿體體碎裂，鋼鋼筋屈服。。3、應力傳遞與與擴散作用用：在同等荷載載作用下，，由土釘加加固的土體體內(nèi)的應力力水平比素素土邊坡土土體內(nèi)的應應力水平大大大降低，，從而推遲遲了開裂的的形成和發(fā)發(fā)展。4、坡面變形的的約束作用用：坡面鼓脹變變形是開挖挖卸荷、土土體側向變變位以及塑塑性變形和和開裂發(fā)展展的必然結結果，面層層對此有很很好的約束束作用。土釘墻的工工作機理設計參數(shù)土釘墻的幾幾何形狀和和尺寸土釘?shù)膸缀魏螀?shù)土釘?shù)目拱伟瘟U體注漿面層連接件防排水系統(tǒng)統(tǒng)隔水帷幕錨桿微型樁土釘墻及復復合土釘墻墻的設計計計算設計參數(shù)及及一般設計計原則土釘墻的幾幾何形狀和和尺寸土釘墻及復復合土釘墻墻的設計計計算確定平面尺尺寸時要考考慮到樁基基礎形式及及施工工藝藝，，為為樁基施工工留出足夠夠的工作面面土釘墻高度度由開挖深深度決定應盡可能采采用較緩的的坡率以提提高安全性性及節(jié)約工工程造價，，土釘墻墻的坡比不不宜大于1：0.2有條件應考考慮分級放放坡應盡量避免免尖銳的轉轉角及減少少拐點設計參數(shù)及及一般設計計原則土釘?shù)膸缀魏螀?shù)土釘墻及復復合土釘墻墻的設計計計算直徑鉆孔注漿型型土釘直徑徑d一般根據(jù)成成孔方法確確定?？讖綇皆酱螅皆接兄谔崽岣咄玲?shù)牡目拱瘟?，，增加結構構的穩(wěn)定性性，但是，，施工成本本也會相應應增加長度土釘越長，，抗拔力越越高，基坑坑位移越小小，穩(wěn)定性性越好，當當土釘達到到臨界長度度lcr（非軟土中中一般為1.0~1.2倍的基坑開開挖深度））后，再加加長對承載載力的提高高并不明顯顯，土釘越越長，施工工難度越大大，效率越越低，單位位長度的工工程造價越越高間距（包括括水平間距距sx和豎向間距距sz）密度越大基基坑穩(wěn)定性性越好，土土釘越長，，土釘密度度越小，一一方面排距距因受到開開挖面臨界界自穩(wěn)高度度的限制不不能過大，，土釘間距距過小可能能會因群釘釘效應降低低單根土釘釘?shù)墓πВ?，故縱橫間間距要適合合設計參數(shù)及及一般設計計原則土釘?shù)膸缀魏螀?shù)土釘墻及復復合土釘墻墻的設計計計算傾角理想狀態(tài)下下土釘軸線線應與破裂裂面垂直，，以便能充充分發(fā)揮土土釘提供的的抗力。鉆鉆孔注漿型型土釘?shù)膬A傾角以15°~20°效果最好。。鋼管土釘釘?shù)淖罴褍A傾角為10°~15°空間布置①最上一排排土釘與地地表的距離離（0.5~2m）②最下一排排土釘距坑坑底位置（（2/3排距>距離>0.5m）③同一排土土釘一般在在同一標高高上布置④在深度方方向上，土土釘?shù)牟贾弥眯问酱篌w體有上下等等長、上短短下長、上上長下短、、中部長兩兩頭短、長長短相間5種設計參數(shù)及及一般設計計原則土釘?shù)目拱伟瘟ν玲攭皬蛷秃贤玲攭Φ脑O計計計算破壞模式①土釘整條條從土層中中拔出（抗抗拔強度破破壞）②筋體在破破裂面附近近拉剪斷裂裂（抗拉強強度破壞））③筋體從注注漿體中拔拔出（筋體體抗拔強度度破壞）④面層與土土釘脫落（（釘頭強度度破壞）計算方法設計參數(shù)及及一般設計計原則桿體土釘墻及復復合土釘墻墻的設計計計算dN/dl=πτd土釘內(nèi)力沿沿土釘全長長分布（a)粘結結應力；（（b）拉力力設計參數(shù)及及一般設計計原則注漿土釘墻及復復合土釘墻墻的設計計計算土釘一般采采用一次注注漿。采用用二次及多多次注漿可可明顯提高高土釘?shù)目箍拱瘟Γ?，也提提高了工程程造價。鉆孔注漿土土釘通常采采用重力式式注漿，注注漿量較小小，可根據(jù)據(jù)孔徑計算算出來，水水泥用量一一般10~20kg/m。打入鋼管注注漿釘需要要較高的注注漿壓力才才可將漿液液注入土中中，開孔壓壓力可達2.0MPa。灌入水泥泥量一般要要求不小于于15kg/m。面層面層太厚固固然用處不不大，太薄薄也不合適適，應能覆覆蓋住鋼筋筋網(wǎng)片及連連接件。一一般臨時性性工程50~150mm，永久性工工程120~300mm。混凝土的的設計強度度，按構造造即可，一一般為C15~C25。設計參數(shù)及及一般設計計原則連接件土釘墻及復復合土釘墻墻的設計計計算土釘（錨索索）與面層層連接構造造圖（a)螺母母墊板連接接；（b））L筋連接接；（c））角鋼連接接；（d））錨索與噴噴射混凝土土腰梁、面面層連接設計參數(shù)及及一般設計計原則穩(wěn)定性計算算土釘墻及復復合土釘墻墻的設計計計算設計參數(shù)及及一般設計計原則土釘抗力計計算土釘墻及復復合土釘墻墻的設計計計算土釘墻施工工流程