[分享]基坑围护结构之一土钉墙设计

发表于2021-04-08     63人浏览     1人跟帖     总热度:300  

1.土钉墙的几何形状和尺寸
平面布置上,应尽量避免尖锐的转角及减少拐点,转角过多会造成土方开挖困难,很难形成设计形状。考虑空间效应,对凸角区段局部加强,但不要考虑凹角对支护的有利影响,因为土钉墙沿走向的刚度及整体性较差,相邻侧土的约束作用有限,有时反而会因土应力在边角的集中造成边角部的土钉墙安全性下降。

确定平面尺寸时要考虑到基础形式及施工工艺,为基施工留出足够的工作面。土钉墙高度由开挖深度决定,确定开挖深度时要注意承台的开挖。承台较大较密及坑底土层为淤泥等软弱土层时,开挖深度应计算到承台底面。

条件许可时,应尽可能采用较缓的坡率以提高安全性及节约工程造价。一般来说,土钉墙的坡比不宜大于 1:0.2,基坑较深、允许有较大的放坡空间时,还可以考虑分级放坡,每级边坡根据土质情况设置为不同的坡率,两级之间最好设置 1~2m 宽的平台。地下水丰富、需要采用止水型土钉墙时,采用上缓下直的分级方式是一种较为常用的作法。

基坑围护结构之一土钉墙设计_1


2.土钉的几何参数
(1)直径。钻孔注浆型土钉直径 d 一般根据成孔方法确定。孔径越大,越有助于提高土钉的抗拔力,增加结构的稳定性,但是,施工成本也会相应增加。人工使用洛阳铲成孔时,孔径一般为 60~80mm,土质松软、孔洞不深时,也可达到 90mm;机械成孔时,可用于成孔的机械较多,孔径可为 70~150mm,一般 100~130mm。

(2)长度。当土钉长度小于临界长度 lcr(非软土中一般为 1.0~1.2 倍的基坑开挖深度)时,土钉越长,抗拔力越高,基坑位移越小,稳定性越好。国内目前工程实践中土钉的长度一般为 3~12m,软弱土层中适当加长。土钉过长时应考虑与预应力锚杆等其它构件联合支护或采用其它支护形式,过长土钉组成的土钉墙的性能造价比通常不如复合土钉墙。近些年国内的工程实践中,土质不是很差时,土钉长度比一般为 0.6~1.5,在新近填土、淤泥、淤泥质土、淤泥质砂等软弱土层中,长度比可达 2.0以上。

(3)间距。土钉密度越大基坑稳定性越好。土钉通常等间距布置,有时局部间距不均,通常土钉越长,土钉密度越小,即间距越大。从施工的角度,在土钉密度不变时,排距加大、水平间距减少便于施工,可加快施工进度,但是,一方面排距因受到开挖面临界自稳高度的限制不能过大,且横向间距变小排距加大边坡的安全性会略有降低,另一方面土钉间距过小可能会因群钉效应降低单根土钉的功效,故纵横间距要适合,一般取 0.8~1.8m,即约每 0.6~3m2 设置 1 根。

(4)倾角。理想状态下土钉轴线应与破裂面垂直,以便能充分发挥土钉提供的抗力。综合考虑,钻孔注浆型土钉的倾角以 15°~20°效果最好;钢管注浆土钉因采用压力注浆,倾角可以缓平一些,钢管土钉的最佳倾角为 10°~15°。有时倾角更小或更大一些的目的是为了可以插入较好的土层,就土钉整体而言,每排采用统一的倾角设计及施工方便一些。

(5)空间布置。

①最上一排土钉。第一排土钉以上的边坡不存在土拱效应及荷载的重分配,为防止压力过大导致墙顶坡坏,第一排土钉距地表要近一些,但太近时注浆易造成浆液从地表冒出,也是不妥当的。一般第一排土钉距地表的垂直距离为 0.5~2m。上部土钉长度不能太短,大量工程实践表明,如果上部土钉长度较短,土钉墙顶部水平位移较大,容易在土钉尾部附近的上方地表出现较大裂缝。

②最下一排土钉。下部土钉,尤其是最下一排,实际受力较小,长度可短一些。但工程中有许多难以意料的因素,如坑底沿坡脚局部超挖(挖承台、集水坑、电梯井、排水沟等),大面积的浅量超挖(如地下室底板标高小幅调整),坡脚被水浸泡,土体徐变,地面大量超载,雨水作用等等,可能会导致下部土钉,尤其是最下一排,内力加大,支护系统临近极限稳定状态时内力增加尤为明显,故其也不能太短,且高度不应距离坡脚太远。有资料建议最下一排土钉距坡脚的距离不应超过土钉排距的 2/3,同时还要满足土钉施工机械设备的最低工作面要求,一般不低于 0.5m。

③同一排土钉一般在同一标高上布置。地表倾斜时同一排土钉不应随之倾斜,因为倾斜时土钉测量定位及施工均不方便,最好是同排土钉标高相同,令其与地面的距离不断变化。此时应格外注意第一排土钉以上悬臂墙的高度。坡脚倾斜度不大时最下一排土钉也应该这样做(有时地下室底板底面被设计成缓慢倾斜的斜面)。上下排土钉在立面上可错开布置,俗称梅花状布置,也可铅直布置,即上下对齐。没有资料表明哪种布置方式更有利于边坡稳定。铅直布置时放线定位更为容易一些,且能够为以后可能存在的使用微型桩类的补强加固措施留有较大的水平面空间。国内采用梅花型布置较多一些,而欧美国家恰好相反。在立面上土钉与基坑转角的距离没有设计限制,满足横向最小施工工作面要求即可。

④在深度方向上,土钉的布置形式大体有上下等长、上短下长、上长下短、中部长两头短、长短相间 5 种,在土质较为均匀时,这 5 种布置形式体现了不同的设计人对土钉墙工作机理的认识不同:

a.上长下短。通常依据力矩平衡原理进行设计,假定土钉墙的破裂面为直线或弧线,上排土钉要穿过破裂面后才能提供抗滑力矩,长度越长能提供的抗滑力矩就越大,而下排土钉只需很短的长度就能穿过破裂面。这种布置形式有时因受到周边环境等条件限制而应用困难。

b. 目前工程应用最多的是中部长上下短。实际工程中,靠近地表的土钉,尤其是第一、二排土钉,往往因受到基坑外建筑物基础及地下管线、窨井、涵洞、沟渠等市政设施的限制而长度较短,而且其位置下移,倾角有时也会较大,可能达 25°~30°。另外,通过增加较上排土钉的长度以增加稳定性在经济上往往不如将中部土钉加长合算,所以就形成了这种形式。但第一排土钉对减少土钉墙位移很有帮助,所以也不宜太短。

c.长短相间。长短相间有两种布置形式,一种是在纵向(沿基坑侧壁走向)上,同排土钉一长一短间隔布置,另一种是在深度方向上,同一断面的土钉上下排长短间隔布置。采用长短间隔布置的理由为:较长的土钉能够调动更深处的土体,可以将应力在土体中分配得更均匀,减少了应力集中,从而提高了整体稳定性。但这似乎有悖于土钉的受力机理,因为粘结应力沿土钉全长并非均匀分布。拉力沿土钉全长以峰值的形式从前端向尾端传递,峰值大体在破裂面附近。如果破裂面同时穿过长短土钉,则长土钉比短土钉多出来的部分没有提供阻力,浪费了;如果破裂面只穿过长土钉,则短土钉位于主动区内,不能提供抗滑力矩,没有充分发挥作用。这与锚杆复合支护不一样。锚杆的长度较长,锚固段的后半部分主要作用是提供锚固力给自由段,设计时可以不考虑锚固段对土坡稳定的作用。

d.上下等长。通常依据力矩平衡原理进行设计。因为性价比不太好,一般只在开挖较浅、坡角较缓、土钉较短、土质较为均匀时的基坑中有时采用。

e.上短下长。这种布置形式在土钉墙技术使用早期较为常见,依据力平衡原理设计,这种设计理论目前基本上已被实践否定。

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3.杆体
为了增加土钉墙结构的延性,钢筋强度不宜太高,钻孔注浆土钉一般选用 HRB400 带肋钢筋。筋体直径不宜过小,粘结应力的峰值远大于平均值,要防止峰值作用下筋体断裂,一般 16mm~32mm。打入式钢管土钉筋体一般采用公称外径42~48mm、厚度 2.5~4.0mm 的热轧或热处理焊接钢管。也可采用无缝钢管,但因造价较高,通常用于预应力锚管。土越硬钢管壁应越厚直径应越大,以防击入过程中发生屈服、弯曲、劈裂、折断等破坏。

钢管土钉不需对中。钢花管距孔口 2~3m 范围内不设注浆孔,以防因外覆土层过薄浆液从孔口周边蹿浆导致灌浆失败。其余段每隔 0.5~1.0m 设置一组,每组之间宜在钢花管圆周呈 90°排列。每组 1 个或 2 个(在钢管圆周呈 180°布置),如果设置 1 个,则间距要适当减小。出浆孔直径一般 4~15mm,孔径过大容易造成出浆不均,过小则出浆不畅且易堵塞。为了使管内有一定的压力,尽量使每个出浆孔都能出浆,出浆孔面积总和应小于钢管内截面积,故土钉较长时出浆孔应设置为间距较大、孔径较小。出浆孔外要设置倒刺。倒刺除了保护出浆口在土钉打入过程中免遭堵塞外,还可增加土钉的抗拔力。倒刺在土钉击入时易脱落,一定要与钢管焊牢。倒刺一般采用热轧等边角钢制作,边宽度 30~63mm,边厚度 3~6mm,理论质量 1.37~5.72kg/m,与钢管三侧围焊。钢管土钉尾端头宜制成锥形以利于击入土中。钢管接长宜采用帮条焊接,接头处应帮焊不少于 3 根 φ12~φ20 的加强筋,在钢花管圆周均匀布置,焊缝应与钢管等强。

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图1 土钉大样
(a)钻孔注浆钢筋土钉;(b)钢管注浆土钉

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4.注浆
土钉一般采用一次注浆。采用二次及多次注浆可明显提高土钉的抗拔力,但是,也提高了工程造价。钻孔注浆土钉通常采用重力式注浆,注浆量较小,可根据孔径计算出来,水泥用量一般 10~20kg/m。注浆压力采用低限,出浆即可,压力较大易从孔口跑浆,孔洞不易饱满。水泥浆干缩较大,加上渗透、流失、钻孔角度有时较小等因素,一次注浆凝固后孔内空隙较大,需补浆。补浆饱满对减少土坡的变形有利。打入钢管注浆钉需要较高的注浆压力才可将浆液注入土中,开孔压力可达 2.0MPa。灌入水泥量一般要求不小于 15kg/m。打入注浆土钉特别适合于成孔困难的淤泥、淤泥质土、淤泥质砂等软弱土层、各种填土及砂性土,如注浆量足够多,在同等地质条件下,可获得比同直径钻孔注浆土钉高很多的抗拔力。
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5.面层
面层太厚固然用处不大,太薄也不合适,应能覆盖住钢筋网片及连接件。一般临时性工程 50~150mm,永久性工程 120~300mm。混凝土的设计强度,按构造即可,一般为 C15~C25。土钉墙通常垂直开挖或坡度较陡,混凝土采用喷射法施工方便,坡度较缓时也可用人工抹水泥砂浆或细石混凝土作法。钢筋网片一般采用一层钢筋网,特殊条件下有时也采用两层;钢筋规格通常为 HRB235(光圆钢筋),φ 6~10mm;网格为正方形,间距 150~300mm;要求不高时可采用不细于 12#的粗目铁丝网(或称铅丝网、钢丝网等)替代钢筋网。面层柔度较大,很少会产生温度裂缝,故临时性工程中一般无需设置伸缩缝,但在永久性工程中,厚度大于 120mm 时,建议设置。钢筋网纵向竖向均需搭接,搭接长度一般 200~300mm。面层的施工缝不要设置在土钉位置,宜设置在离钉头 1/3 钉间距处。

还有人建议设计时要考虑面层的重量,要防止面层下沉造成的不良影响。这是一种小心谨慎的作法。实际上,为了防止地表水浸入到面层背后,工程中挂网喷射混凝土面层在坡顶沿水平方向有一定的延伸形成护顶(或称护肩),规范中也通常这样要求。护顶宽度一般0.5~2.0m,常常延长至与坡顶排水沟相接,该护顶完全能够承受住面层的重量。

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6.连接件
土钉靠群体作用,构造中通常在土钉之间设置连接筋,通称加强筋。加强筋的作用大体有 4 点:①能更好地协调土钉共同工作;②稳定钢筋网片;③分散钉头对面层的局部压力,防止局部压剪破坏;④增加混凝土的延展性,防止钉头下混凝土发生冲切破坏。工程中通常在水平方向设置加强筋。国内早期工程中也有在竖向上设置加强筋的作法,施工不便,效果不好,目前已很少采用。加强钢筋一般采用 Φ16~25 的 3 级带肋钢筋,通常设置 2 根,重要部位设置 4 根,与钉头焊接。


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图2 土钉(锚索)与面层连接构造图
( a)螺母垫板连接;( b) L 筋连接;( c)角钢连接;( d)锚索与喷射混凝土腰梁、面层连接

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7.防排水系统
土钉墙通常要在坡面上设置泄水孔排出面板后可能存在的积水,以减少土中的含水量,减轻地下水对面层产生的静水压力,防止地下水降低面层与土体的粘结强度甚至将之脱空,还可防止可能发生的冻害。从实际效果来看,因为土钉的数量远多于泄水孔且长度较长,大部分积水是通过土钉孔渗漏的,通常只有少量的泄水孔能起到作用,故泄水孔简单设置即可,打入式钢管注浆土钉墙中甚至可以不设置。对于搅拌桩复合土钉墙是否需设置泄水孔业界存在着一些争议,笔者倾向于不设置,毕竟设置止水帷幕的目的之一就是要防止坑外水位下降过多。

泄水管一般采用 PVC 管,直径 50~100mm,长度 300~600mm,埋置在土中的部分钻有透水孔,透水孔直径 10~15mm,开孔率 5~20%,尾端略向上倾斜,外包两层土工布,管尾端封堵防止水土从管内直接流失。纵横间距 1.5~3m,砂层等水量较大的区域局部加密。喷射混凝土时应将泄水管孔口临时封堵,防止喷射混凝土进入。

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8.止水帷幕
通常情况下桩端穿过坑底无需太长。当坑底存在着软土、存在隆起危险时,不建议通过加深桩长以抵抗隆起。搅拌桩在软土中的强度较低,可能会被剪切破坏,最好是在搅拌桩中插入微型桩,效果较好。帷幕厚度也无需过大,一般设置 1~2 排桩,排数再多对基坑变形帮助并不大。

选择止水帷幕形式时要注意对不同地质条件的适应性。深层搅拌法质量可靠,造价低,施工速度快,可适用于大多数地质条件,软土中尤为适合,缺点是穿透能力较弱,在较厚的砂层、填土中有夹石、土层中有硬夹层等情况下成桩困难;高压喷射法能够克服搅拌桩在上述地层中成桩困难的缺点,但是在有大量填石情况下施工也很困难且成桩质量难以保证;在大量填石地层中可尝试冲孔咬合水泥土桩施工工艺,该工艺采用简单冲孔机械冲击成孔,采用水下浇灌法填充地面拌和好的水泥土,水泥与土的比例可为 1:5~1:8,桩位相互咬合,可起到较好止水效果且造价不高,在深圳地区的一些工程中已取得成功。

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9.锚杆
锚杆的设计承载力不需太大。过大的设计承载力并不能发挥作用。土钉的极限承载力一般 100~200kN,锚杆的承载力较土钉大,土钉达到极限承载能力时锚杆尚未达到极限,土钉墙往往表现为土钉的破坏,锚杆的承载力再大也很难发挥功效。此外,锚杆通过承压板(梁)坐落在土基上,预应力如果过大,承压板(梁)下土体会产生较大的塑性变形,其变形较为滞后,导致锁定的预应力值降低很快,并不能维持在较高的水平上。锚杆设计承载力不宜超过 2~3 倍土钉极限承载力,一般为 200~300kN。锁定预应力一般为设计值的 50~100%,并且不小于 100kN。

为了更好地控制基坑变形,锚杆应设置在基坑的中上部。不宜设置在第一排,第一排往往受坑外基础、管线等地下障碍的影响较大,很难施工,且注浆时容易从地表冒浆。锚杆需要承压板或梁作为基底传力,因为承压板施工不便,目前普通采用腰梁形式。为了施工方便及与土钉墙更好地协调工作,腰梁通常采用喷射混凝土工艺分层制作,也可整体现浇。锚杆设计承载力较低,腰梁一般按构造设计即可。如果需要计算,可将腰梁视为有弹性支点的连续梁,以锚杆为支点,土压力为均布荷载。腰梁内钢筋与喷射混凝土面层内钢筋绑扎或焊接固定,以防止腰梁坠落。也可采用钢腰梁,但施工不太方便,需要与面层固定好,防止在腰梁自重及锚杆预应力向下的垂直分力作用下坠脱。


来源:MROCK的工程空间
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清晰了解土钉墙设计!

长虹虹老师

  | 结构设计

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