“土钉墙工程”读书报告

1、土钉墙概述

土钉支护技术是二十世纪七十年代发展起来的用于基坑开挖和边坡加固的一种新的挡土技术。

所谓的土钉通常是指在基坑开挖过程中，在基坑边壁上钻出的、与土壁接近垂直的深孔，然后插入钢筋并压力注入水泥浆或水泥砂浆，从而形成的与周围土体全长紧密结合的加筋注浆体。当土体不易成孔时，可将管壁上带有注浆小孔的钢管直接击入或顶入土中，然后在钢管内用压力注浆形成土钉。土钉墙是采用较密排列的土钉加固基坑侧壁土体，并在基坑边壁上设置配筋混凝土护面等，从而形成的一种支护结构。

土钉的设置方向与土体内可能发生的最大主拉应力方向大体一致，通常接近水平方向下呈不大的倾角，如图1所示。

图1 土钉墙剖面

土钉墙支护充分利用了基坑边坡土体固有的力学强度，是一种变土体荷载为支护结构体系一部分的主动支护体系。因此，土钉支护具有造价低、施工机械简单、开挖面广，地下室施工方便、工期短等优点，近年来这种支护形式得到广泛应用。

土钉支护一般适合地下水位以上或经过排降水措施后的杂填土、普通粘性土、非松散砂土边坡。对于变形要求有严格的边坡，通常采取土钉支护与其他支护手段联合的支护手段，比如：土钉墙+水泥搅拌桩、土钉墙+超前锚杆等等。

2、土钉墙的历史发展

历史上最早应用土钉墙的重大工程实例追溯到了一百多年前英国建设的世界上第一条下水道——泰晤士河隧道，在其开挖过程中，在新的盾构置换旧的盾构时，设计人员采用土钉作为盾构工作面的辅助挡板的辅助支护，并且在以后的开挖过程中遇到较弱的土层时就用土钉来减轻挡板的土压力。

现代土钉墙技术的发展始于七十年代。七十年代法国首先进行了这方面的应用研究和技术推广。1972年，法国承包商Bouygues提出了新奥法原理能够用于土质边坡和软岩的临时支护，并在法国的Versailles附近一处铁路边坡开挖工程中成功运用于实践。这是土钉墙有详细记载的首次应用，作为边坡和基坑支护的这一新技术的出现就立即引起了人们的重视。

德国、法国和美国几乎在同一时期内各自地开始了土钉墙的研究和应用，德国与

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1979年首先建造了第一个永久性土钉工程；美国最早应用土钉墙技术是在1974年。土钉墙技术在许多方面与隧道新奥法施工类似，因此可以视为新奥法的延伸。六十年代初期出现的新奥法，采用喷射混凝土和粘性锚杆相结合的方法，能迅速控制隧洞的变形并使之稳定。特别是七十年代及其稍后的时间里，先后在德国法兰克福及纽伦堡地铁的土体开挖过程中应用获得成功，对土钉墙技术的出现产生了积极的影响。此外，六十年代的加筋土技术对土钉墙技术的萌芽也有一定的促进作用。

土钉墙应用得到迅速发展，人们便也开始着手细化研究土钉墙的设计计算、力学作用机理和相关的试验。

1986年法国在货架建筑与公共工程试验中心进行了三个大型土钉墙试验，试验证明土钉主受拉，以及拉力延长变化的规律，以及极限平衡的方法可以估计土钉破坏时候的承载力。他在设计方面，80年代法国发展了名为Tarlren的设计程序，它以极限平衡的方法为基础并得到了广泛的应用。德国对土钉墙进行系统的研究是在1975年开始的，共进行了七个大型足尺土钉墙试验，试验表明土钉的支护性能类似于挡土墙；美国和英国也十分重视土钉墙的工作性能的研究，于80年始也做了很多的研究，包括分析方法和程序开发、离心试验、抗剪试验等等。

我国对土钉墙应用成功的首例为1980年山西太原煤矿设计院将土钉技术用于山西柳湾煤矿的边坡工程。上世纪80年代末，北京工业大学和北京农村建筑总公司对插筋补强护坡和素土边坡进行了荷载作用下的破坏试验。到了90年代，随着我国基坑开挖规模的扩大，有大量的边坡、路堤和基坑都需要支护，也不断应用到了各个城市的各个工程实际，其最大开挖深度达到了20m。

3、土钉墙支护的基本原理

土钉墙抵抗荷载变形的刚度较差，抗剪强度较低，抗拉强度很小。而土钉相对具有较大的弹性模量，较高的抗剪、抗拉强度，并具有一定的抗弯刚度。土钉墙技术是在基坑边壁的土体中放置一定长度的分布密集的土钉，土钉与周围土体紧密结合共同工作，形成复合土体，提高了土体的整体刚度，弥补了土体自身强度的不足，从而显著提高基坑边坡的整体稳定性。

当土体发生微小变形时，土体将在与土钉的接触面上产生摩擦力，促使两者共同工作，并使土钉中产生拉应力。同时，接触面上的摩擦力可以阻止，减少土体的进一步位移和开裂。当土体进入塑性状态后，土体中原本在素土中应该向周围土体传递的应力会通过摩擦力直接向土钉传递，避免和减少塑性变形区域的进一步扩大。特别是土体开裂以后，开裂面处的土体退出工作，土钉会承受更大的拉力。土钉会通过锚固于稳定土体的部分避免被拔出，并将滑裂面内的土应力传递给稳定土体，进而阻止、延缓土体的进一步开裂，使土体的破坏表现为渐进性变形、开裂、裂缝扩展、直至失去承载能力的逐步缓慢发展过程，具有明显的延性特征。

4、土钉墙系统组成

现行应用于实际工程的土钉墙主要由土钉、面层和排水系统组成。

土钉：最常用的土钉类型是钻孔注浆钉，还有把角钢\\圆钢或钢管用振动冲击钻或液压棰直接击入土中的击入钉；用端部密封\\周围钻孔注浆的花管锚管作为土钉的注浆击入钉，

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用高频击入锤把注浆管击入土中从端部20mpa压力注浆的的高压喷射注浆击入钉。

土钉的施工程序为成孔、置入钢筋、注浆、补浆。为了保证钢筋处于孔的中心位置，沿杆体长每隔2-3m设对中支架。土钉钢筋一般为φ25-35mm，锚孔为φ75-150mm。为了使土钉与喷射混凝土面层较好联结。常把土钉外端作成螺纹，通过螺母、楔形垫圈和方形钢垫板与面层连接。

面层：土钉支护的面层通常用50-80mm厚的钢筋网喷混做成，钢筋直径6-8mm，网格尺寸200-300mm。由于喷混层不是主要受力部件，喷混层不需要很厚，可以用预制混凝土板拼接。永久工程的喷混层厚度至少150-250mm，分两次喷成，也可以在第一次喷混层基础上现浇一层混凝土。

排水系统：为了防止地表水渗透对面层产生压力和侵蚀，防止土的强度和黏结力降低，施工前应在地面设置排水沟，或设置混凝土地面；坡面上从上到下设置浅表排水管排除面层背后的渗透水。根据情况还可以设置深部排水系统。永久工程可在面层背后用土工织物做成竖向排水通道，或者设置带孔的竖向排水管。

5、土钉墙支护的特点

土钉墙支护技术是一种原味土加筋技术，是通过钻孔、插筋、注浆来设置的，加设钢筋网片并喷射混凝土，使钢筋与土体共同作用，也可以直接打入粗钢筋或角钢形成土钉。故与其他各类挡土技术或支护类型相比，具有以下明显优点：

（1）用料少、工程量少、施工快。

（2）土钉和土体共同作用，形成了具有一定强度的复合土体。 （3）对土层适应性强。

（4）结构轻巧、柔性大、有非常好的抗震性能。

（5）随着基坑逐层开挖，土钉墙施工逐层布置，很少占用单独作业的时间，工作效率较高。

（6）由于用料较少，结构比较轻便，施工占用场地较少。

（7）施工方便，安全可靠，由于工程中土钉数量众多，当个别土钉出现问题时可以根据现场土体变形监测数据更换土钉或调整土钉长度和间距。当出现紧急情况时也可以及时补救，避免出现较大事故。

（8）经济适用，造价较低，据统计土钉墙比一般的支护形式可节约造价1/3左右。 然而，土钉墙支护也有其局限性和缺点主要为： 土钉墙支护不适宜于软土、砂土以及松散砂等地层应用。

土钉墙支护变形较大，土钉属于原味柔性支护结构，其变形大于冒撑支护，当对地基要求比较严格时，不宜采用此法。

土钉支护如果作为永久性结构，当遇到地下水水位较高的场地时，容易出现锈蚀，耐久性等方面的问题。

6、土钉墙支护的设计及计算

6.1 土钉墙的设计内容

（1）确定土钉平面尺寸和剖面尺寸，及分段施工高度。

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（2）确定土钉布置方式和间距。

（3）确定土钉的直径、长度、倾角及在空间的方向。 （4）确定钢筋类型、直径及构造。

（5）注浆配方设计、注浆方式、浆体强度指标。 （6）喷射混凝土面层设计及坡顶防护措施。 （7）土钉抗拔力验算。 （8）进行整体稳定性分析。 （9）变形预测和可靠性分析。 （10）施工图设计说明书。 （11）现场监测和质量控制设计。 6.2 土钉墙的设计原则

（1）一般用于基坑在15m深左右的的边坡，坡角70º—90º。

（2）土钉长度一般为开挖深度的0.5—1.2倍，其间距一般为1—2m，土钉与水平面的夹角宜为10º—20º。

（3）土钉必须和面板有效地联结在一起。

（4）土钉宜用II级以上螺纹钢筋，钢筋直径宜为ø16—ø32mm，钻孔直径宜为ø70—ø120mm。

（5）喷射混凝土面层厚度宜为80—200mm，常为100mm。 （6）喷射混凝土强度等级不宜低于C20。

（7）喷射混凝土面层应配钢筋网，钢筋网采用I级钢筋ø6—ø10mm，间距150—300mm。 （8）注浆材料宜用水泥砂浆，强度不低于20Mpa。 6.3 土钉墙的设计计算 6.3.1 潜在破裂面的确定

土钉墙内部加筋体分为锚固区和非锚固区，其分界面为潜在破裂面。根据大量试验和工程实践，土钉内部潜在破裂面采用简化计算方法确定潜在破裂面。

hi≤0.5H l=(0.3~0.35)H

hi＞0.5H l=(0.6~0.7)(H－hi) 当坡体渗水较严重或岩体风化破碎严重、节理发育时，l取大值。土钉长度包括非锚固长度和有效锚固长度，非锚固长度应根据墙面与土钉潜在破裂面的实际距离确定。有效锚固长度由土钉内部稳定检算确定。 6.3.2 土压力的确定

当hi≤H/3时，

i2ahicos()4

当hi≤H/3时，

i2aHcos()3式中：σi为水平土压力（kPa），γ为边坡岩土体重度（kN/m3），λa为库伦主动土压力系数，α为墙背与竖直面的夹角（°），δ为墙背摩擦角（°）。 6.3.3 土钉的拉力计算

β为土钉与水平面的夹角（°）。 6.3.4 土钉内部稳定性验算 1）土钉抗拉断检算

土钉钉材抗拉力按下式计算：

土钉抗拉断检算按下式计算：

EiiSxSy/cos式中：Ei为距墙顶高度第i层土钉的计算拉力（kN）；Sx，Sy为土钉之间水平和垂直间距（m）；

Ti12dbfy4式中：Ti为钉材抗拉力（kN）；db为钉材直径（m）；fy钉材抗拉强度设计值（kPa）。

TiK1Ei式中：Kl为土钉抗拉断安全系数，取1.5～1.8，永久工程取大值。 根据土钉与孔壁界面岩土抗剪强度τ确定有效锚固力Fi1，按下式计算：

Fi1dhlei式中：dh为钻孔直径（m）；lei为第i根土钉有效锚固长度（m）；τ为锚孔壁对砂浆的极限剪应力（kPa），可查相关表格选用。

根据钉材与砂浆界面的黏结强度τg确定有效锚固力Fi2，按下式计算：

FiK2Ei式中：τg为钉材与砂浆间的黏结力（kPa），按砂浆标准抗压强度fck的10%取值。 土钉抗拔力Fi取Fi1和Fi2中的小值。土钉抗拔稳定检算按下式计算：

Fi2dbLeig式中：K2为抗拔安全系数，取1.5～1.8，永久工程取大值。

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6.3.5 土钉墙整体稳定性检算 （1）内部整体稳定检算

检算时应考虑施工过程中每一分层开挖完毕未设置土钉时施工阶段及施工完毕使用阶段两种情况，根据潜在破裂面（对土质边坡按最危险滑弧面）进行分条分块，计算稳定系数。

nn

CiLiSxWicositgiSxPicosiPisinitgi

i1i1K

WisiniSx

式中：Ci为岩土的粘聚力（kPa）；фi为岩土的内摩擦角（°）；Li为分条的潜在破裂面长度（m），Wi为分条快重量（kN/m）；ɑi为破裂面与水平面夹角（°）；βi为土钉轴线与破裂面的夹角（°）；Pi为土钉的康怕能力，取Fi和Ti中的最小值（kN）；n为实际设置土钉排数；Sx为土钉水平间间距（m），K为施工阶段及使用阶段整体稳定系数，施工阶段K≥1.3，使用阶段K≥1.5。 （2）外部稳定性验算

将土钉及其加固土体视为重力式挡土墙，按重力式挡土墙的稳定性检算方法，进行抗倾覆稳定、抗滑移稳定以及基地承载力计算。 1）土压力计算

土钉墙简化成挡土墙其厚度不能简单地按土钉的长度来计算，只能考虑被土钉加固成整体的那一段，如下图所示。挡土墙的计算厚度一般只能按照土钉水平长度的2/3~11/12选取。

B02/3~11/12Lcos

H0H ExB0tani

1tantani12H0x 2 EyExtan()

式中：L为土钉长度，当多排土钉不等长时取其平均值（m）；β为土钉与水平面的夹角（°）；i为坡顶地面线与水平面的夹角（°）；H为土钉墙的设计高度（m)，H0为土压力计算高度（m）；γ边坡岩土体重度（kN/m3）；λx为库伦主动水平土压力系数。 2）抗倾覆稳定性验算

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挡土墙在荷载作用下应不致绕墙底脚O点产生倾覆时应满足下式：

K0MMy01.5

式中：K0为倾覆稳定系数，K0≥1.5；∑My为全部垂直力对墙趾O点的稳定力矩，kN·m；∑M0为全部水平力对墙趾O点的稳定力矩，kN·m。 3）抗滑动验算

对于水平基底，按如下公式验算滑动稳定性：

Kc(GEy)fEx1.3

式中：G为端墙自重,kN；ƒ为端墙基底摩擦系数；Ex为挡土墙水平分力，kN； Ey为挡土墙竖直分力，kN。 4）基底承载力验算

轴心受压时，要小于地基承载力的特征值；

pkfa

偏心受压时，基底合力的偏心距离不应大于0.25倍基础的宽度，且最大荷载值要小于1.2倍地基承载力的特征值。

pkmax1.2fa

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