地基与基础工程施工：排桩和连续墙支护计算

一、排桩与地下连续墙计算

对于较深的基坑，排桩、地下连续墙围护墙应用最多，其承受的荷载比较复杂，一般应考虑下述荷载: 土压力、水压力、地面超载、影响范围内的地面上建筑物和构筑物荷载、施工荷载、邻近基础工程施工的影响(如打桩、基坑土方开挖、降水等)。作为主体结构一部分时，应考虑上部结构传来的荷载及地震作用，需要时，应结合工程经验考虑温度变化影响和混凝土收缩、徐变引起的作用以及时空效应。排桩和地下连续墙支护结构的破坏，包括强度破坏、变形过大和稳定性破坏。其强度破坏或变形过大包括(图3-16):

图3-16 排桩和地下连续墙支护结构的破坏形式

(1)拉锚破坏或支撑压曲: 过多地增加了地面荷载引起的附加荷载，或土压力过大、计算有误，引起拉杆断裂，或锚固部分失效、腰梁破坏，或内部支撑断面过小受压失稳，为此，需计算拉锚承受的拉力或支撑荷载，正确选择其截面或锚固体。

(2)支护墙底部走动: 支护墙底部嵌固深度不够，或挖土超深、水冲刷等，都可能产生这种破坏，为此，需正确计算支护结构的入土深度。

(3)支护墙的平面变形过大或弯曲破坏: 支护墙的截面过小、对土压力估算不准确、墙后增加大量地面荷载或挖土超深等，都可能引起这种破坏。

平面变形过大会引起墙后地面过大的沉降，也会给周围附近的建(构)筑物、道路、管线等造成损害。

排桩和地下连续墙支护结构的稳定性破坏包括:

(1)墙后土体整体滑动失稳: 如拉锚的长度不够、软黏土发生圆弧滑动，会引起支护结构的整体失稳。

(2)坑底隆起: 在软黏土地区，如挖土深度大、嵌固深度不够，可能由于挖土处卸载过多，在墙后土重及地面荷载作用下引起坑底隆起。对挖土深度大的深坑需进行这方面的验算，必要时，需对坑底土进行加固处理或增大挡墙的入土深度。

(3)管涌: 在砂性土地区，当地下水位较高、坑深很大和挡墙嵌固深度不够时，挖土后在水头差产生的动水压力作用下，地下水会绕过支护墙连同砂土一同涌入基坑。

二、水泥土墙计算

水泥土墙设计应包括: 方案选择，结构布置，结构计算，水泥掺量与外加剂配合比确定，构造处理，土方开挖，施工监测。

水泥土墙一般宜用于坑深不大于6m的基坑支护，特殊情况例外。

(一)水泥土墙布置

水泥土墙的平面布置主要是确定支护结构的平面形状、格栅形式及局部构造等。平面布置时宜考虑下述原则:

(1)支护结构沿地下结构底板外围布置，支护结构与地下结构底板应保持一定净距，以便于底板、墙板侧模的支撑与拆除，并保证地下结构外墙板防水层施工作业空间。

当地下结构外墙设计有外防水层时，支护结构离地下结构外墙的净距不宜小于800mm; 当地下结构设计无外防水层时，该净距可适当减小，但不宜小于500mm; 如施工场地狭窄，地下室设计无外防水层且基础底板不挑出墙面时，该净距还可减小，考虑到水泥土墙的施工偏差及支护结构的位移，净距不宜小于200mm，此时，模板可采用砖胎模、多层夹板等不拆除模板。如地下室基础底板挑出墙面，则可以使地下室底板边与水泥土墙的净距控制在200mm左右。

(2)水泥土墙应尽可能避免向内的折角，而采用向外拱的折线形，如图3-17所示，以利于减小支护结构位移，避免由两个方向位移而使水泥土墙内折角处产生裂缝。

图3-17 水泥土墙平面形状

1—支护结构; 2—基础底板边线

(3)水泥土墙的组成通常采用桩体搭接、格栅布置，常用格栅的形式如图3-18所示。

图3-18 典型的水泥土桩格栅式布置

①搭接长度Ld。当搅拌桩桩径d0=700mm时，Ld一般取200mm; 当d0=600mm时， Ld一般取150mm; 当d0=500mm时，Ld一般取100～150mm。

水泥土桩与桩之间的搭接长度应根据挡土及止水要求设定，考虑抗渗作用时，桩的有效搭接长度不宜小于150mm; 不考虑止水作用时，搭接宽度不宜小于100mm; 土质较差时，桩的搭接长度不宜小于200mm。

②支护挡墙的组合宽度b。水泥土搅拌桩搭接组合成的围护墙宽度根据桩径d0及搭接长度Ld形成一定的模数，其宽度b可按下式计算:

b=d0+(n－1)(d0－Ld) (3-14)

式中: b——水泥土搅拌桩组合宽度(m);

d0——搅拌桩桩径(m);

Ld——搅拌桩之间的搭接长度(m);

n——搅拌桩搭接布置的单排数。

③沿水泥土墙纵向的格栅间距离Lg。当格栅为单排桩时，Lg取1500～2500mm; 当格栅为双排桩时，Lg取2000～3000mm; 当格栅为多排桩时，Lg可相应地放大。

格栅间距应与搅拌桩纵向桩距相协调，一般为桩距的3～6倍。

图3-18为典型的水泥土桩格栅式布置形式，当采用双钻头搅拌桩机施工时，桩的布置应尽可能使钻头方向一致，以便于施工。当发生钻头方向不一致时，一台桩机往往因钻头不可转向而无法施工，故需由两台桩机先后施工两个不同方向的桩体，这样先后施工的桩在搭接上质量不易控制。

表3-4为采用图3-18布置形式的不同桩径、不同搭接长度的水泥土墙墙体宽度。

表3-4 各种布置形式的水泥土墙墙体宽度 (单位: mm)

④水泥土墙宜优先选用大直径、双钻头搅拌桩，以减少搭接接缝，加强支护结构的整体性，同时也可提高生产效率。国外有4钻头、6钻头甚至更多钻头的搅拌桩机，其效果更佳。

⑤根据基坑开挖深度、土压力的分布、基坑周围的环境平面布置可设计成变宽度的形式。

水泥土墙的剖面主要是确定挡土墙的宽度b、桩长h及插入深度hd。根据基坑开挖深度，可按下式初步确定挡土墙宽度及插入深度:

b=(0.5～0.8)h (3-15)

hd=(0.8～1.2)h (3-16)

式中: b——水泥土墙的宽度(m);

hd——水泥土墙插入基坑底以下的深度(m);

h——基坑开挖深度(m)。

当土质较好、基坑较浅时，b、hd取小值; 反之，应取大值。根据初定的b、hd进行支护结构计算，如不满足，则重新假设b、hd后再行验算，直至满足为止。

按式(3-15)估算的支护结构宽度还应考虑布桩形式，b的取值应与按式(3-14)计算的结果吻合。

如计算所得的支护结构搅拌桩桩底标高以下有透水性较大的土层，而支护结构又兼作为止水帷幕时，桩长的设计还应满足防止管涌及工程所要求的止水深度，通常可采用加长部分桩长的方法，使搅拌桩插入透水性较小的土层或加长后满足止水要求。插入透水性较小的土层的长度可取(1～2)d0，加长部分加宽度不宜小于1/2的加长段长度，并不小于1200mm，如图3-19所示，以防止支护结构位移造成加长段折断而失去止水效果。此外，加长部分在沿支护结构纵向必须是连续的。

图3-19 采用局部加长形式保证支护结构的止水效果

—加长段(用于止水); 3—透水性较大的土层; 4—透水性较小的土层

(4)构造要求。水泥土墙采用格栅式布置时，对于水泥土的置换率，淤泥不宜小于0.8，淤泥质土不宜小于0.7; 一般黏性土及砂土不宜小于0.6; 格栅长宽比不宜大于2。

当水泥土墙变形不能满足要求时，宜采用基坑内侧土体加固、水泥土墙插筋加混凝土面板或加大嵌固深度等措施。

在软弱土层中，采用坑底加固方法对控制水泥土墙的侧向位移有显著效果。

坑底加固可采用水泥土搅拌桩、高压喷射注浆桩、压密注浆及分段开挖加厚素混凝土垫层或设置配筋垫层等加固方法，其中，水泥土搅拌桩加固运用最为广泛，也有工程采用水泥土搅拌桩加桩间注浆的方法。加厚垫层或设置配筋垫层的方法往往是在工程出现未预见的过大位移及其他意外情况时才用，事前设计很少采用。

坑底加固的布置可采用满堂布置方法(图3-20(a))，也可采用坑底四周布置方法，如梅花形布置(图3-20(b))、格栅式布置(图3-20(c))及墩式布置(图3-20(d))。

满堂布置一般适用于较小的基坑，加固桩多用满堂梅花形，必要时可在桩间增设注浆点，提高加固效果。如采用注浆方式做满堂加固，其注浆孔也可按梅花形布置，由于注浆加固的质量离散性较大，因此，注浆孔的孔距不宜大于注浆扩散半径的1.4倍。加固深度一般为(0.5～1.0)hd。

图3-20 坑底加固

1—水泥土墙; 2—工程桩; 3—加固桩(注浆)

对大面积的基坑，坑底满堂加固的工程量太大，不经济，此时可采用坑底四周加固方法，四周加固宽度可取(0.4～0.8)hd，视基坑深度及土质状况而定; 加固深度也为(0.5～1.0)hd。坑边墩式布置还常用于坑内有多桩承台的情况，此时由于承台下桩较密，而承台之间又有较大间距，则可在承台之间布置墩式加固区。

加厚垫层或配筋垫层多用于意外处理等情况，当基坑开挖后发生过大位移，此时已无法再进行水泥土搅拌桩等坑底加固措施，则可补充设计加厚垫层或配筋垫层，必要时，还可设置反梁，利用较高强度的混凝土形成“板式支撑”，以减少水泥土墙的位移。但应注意，采用此法必须采取“分段开挖、随挖随浇”的方法，以减小坑底的暴露面积，否则，坑底开敞面过大，位移一旦发生，再浇筑加厚(或配筋)垫层也无济于事了。此外，由于混凝土需要一定的养护期，在进行土方开挖时也应注意开挖进度，必要时，可适当提高垫层混凝土的强度等级或掺入早强剂。

基坑中还经常出现不同开挖标高及“坑中坑”的情况，此时，坑底的加固不但要考虑由外围水泥土墙的稳定及位移，还应考虑“深浅坑”或“坑中坑”的施工安全，这类坑底加固一般应考虑坑内本身土体的稳定，同时必须充分考虑基坑上下两层的整体滑动稳定，如图3-21所示。

图3-21 整体滑动分析图

移曲线; 2—下层土体的滑移曲线; 3—考虑上下两层的整体滑移曲线

在边长较长的水泥土墙中采用局部加墩形式，对于减小水泥土墙的位移也有一定作用，同时，对水泥土墙的稳定也有帮助。

局部加墩的形式可根据施工现场的条件及水泥土墙的长度分别采用间隔布置或集中布置的形式。

间隔布置就是每隔一段距离布置一个加强墩，对边长较大的水泥土墙应采用这一方法。一般取加强墩的长度为3～5m、墩与墩之间的间距为10～20m、加强墩的宽度为1～2m，加强墩仍可采用格栅式布置(图3-22(a))。

集中布置就是在挡土墙的一边的中央集中布置一个加强墩，其长度较间隔布置要长，一般可取水泥土墙长度的1/4～1/3。边长相对较短的水泥土围护墙可采用这种加墩方法(图3-22(b))。

加墩设计在水泥土墙整体稳定及抗倾覆稳定计算时均不计其有利作用，即水泥土墙宽度仍以未加墩处计取。

图3-22 局部加墩

水泥土墙起拱也能有效地减少水泥土墙位移。一是利用地下结构外形尽可能将水泥土墙设计成向外起拱的形状，有利于围护墙的稳定，并可减少位移; 二是对于较长的直线段水泥土墙，将其设计成起拱的折线，对减少位移也有一定作用。

采用圆弧形、多边形(图3-23(a)、图3-23(b)所示)及带内折角的折线形改为外拱形，都是设计中应优先考虑的布置形式。对较长直线形水泥土墙，采用起拱形式，起拱大小对减小位移有直接影响，起拱越大，对减小位移越为有利; 起拱越小，其作用也相应地减小，但前者往往会造成开挖土方量增加及围护结构占地过大的弊病，所以，很大的起拱一般也不可取，起拱高度一般可按水泥土墙长度的1/100(图3-23(c))。起拱较小有时对减小墙体位移作用不很显著，但如发生位移后对地下结构施工不会产生操作面不够的情况，则这仍是有利的。

图3-23 水泥土墙起拱

水泥土墙顶插筋对减小墙体位移有一定作用，特别是采用毛竹插筋或钢管插筋作用更大。

插筋通常的形式有如下几种(图3-24):

图3-24 水泥土墙插筋

1—钢筋; 2—毛竹或细管

①插入长2m左右φ12的钢筋，每1桩(单桩)插入1根，以后将其与墙顶面板钢筋绑扎连接。

②水泥土墙后或墙前、后插入毛竹。由于毛竹不易插入，长度一般取6m左右，并以插入坑底以下不小于1m为宜，毛竹竹梢的直径不宜小于40mm。过于弯曲的毛竹在插入施工前应用火烘调直，便于插入桩内。

③水泥土墙后或墙前、后插入钢管。由于钢管较直，刚度也大，易于插入，故采用此法可根据需要增加钢管的插入深度。

水泥土搅拌桩围护结构通常在其顶部设置100～200mm厚的面板，并适当配筋。为减小位移，将面板加厚并加强配筋，或增设较宽的冠梁，只要面板或压顶梁与水泥土墙顶面之间能承受足够的剪力，则对于减小位移的作用是十分显著的。在这种情况下，面板或宽冠梁的配筋应将其作为卧梁来考虑，承受水泥土墙传来的水平荷载。为增强面板或冠梁与水泥土墙之间的抗剪强度，可在水泥土桩中增强插筋，此时，可采用下述方法(图3-25所示): 加大钢筋直径，如采用φ16的钢筋，长度也宜适当增加; 增加毛竹插筋; 采用钢管或型钢插筋，如用φ48/3.5的钢管，必要时可每桩(单桩)插入1根。

图3-25 加强面板或冠梁的设置

1—面板; 2—冠梁; 3—增强插筋

三、土钉墙计算

土钉墙由密集的土钉群、被加固的原位土体、喷射的混凝土面层和必要的防水系统组成。土钉是用来加固或同时锚固现场原位土体的细长杆件。通常做法是先在土中钻孔，置入变形钢筋(或带肋钢筋、钢管、角钢等)，然后沿孔全长注浆。土钉也可采用直接击入的方法置入土中。

土钉是一种原位土加筋加固技术，土钉体的设置过程较大限度地减少了对土体的扰动。从施工角度看，土钉墙是随着从上到下的土方开挖过程，逐层将土钉设置于土体中，可以与土方开挖同步施工。

土钉墙用作基坑开挖的支护结构时，其墙体从上到下分层构筑，典型的施工步骤为:基坑开挖一定深度; 在这一深度的作业面上设置一排土钉并灌浆; 喷射混凝土面层，继续向下开挖，并重复上述步骤直至设计的基坑开挖深度。

(一)基本规定

(1)土钉墙支护适用于可塑、硬塑或坚硬的黏性土，胶结或弱胶结(包括毛细水黏结)的粉土、砂土和角砾，填土，风化岩层等。

在松散砂和夹有局部软塑、流塑黏性土的土层中采用土钉墙支护时，应在开挖前预先对开挖面上的土体进行加固，如采用注浆或微型桩托换。

(2)土钉墙支护适用于基坑侧壁安全等级为二、三级者。

(3)采用土钉墙支护的基坑，深度不宜大于12m，使用期限不宜超过18个月。

(4)土钉墙支护工程的设计、施工与监测宜统一由支护工程的施工单位负责，以便于及时根据现场测试与监控结果进行反馈设计。

(5)土钉支护的设计施工应重视水的影响，并应在地表和支护内部设置适宜的排水系统以疏导地表径流和地表、地下渗透水。当地下水的流量较大，在支护作业面上难以成孔和形成喷混凝土面层时，应在施工前降低地下水位，并在地下水位以上进行支护施工。

(6)土钉支护的设计施工应考虑施工作业周期和降雨、震动等环境因素对陡坡开挖面上暂时裸露土体稳定性的影响，应随开挖随支护，以减少边坡变形。

(7)土钉支护的设计施工应包括现场测试与监控以及反馈设计的内容。施工单位应制定详细的监测方案，无监测方案不得进行施工。

(8)土钉支护施工前应具备下列设计文件:

①工程调查与岩土工程勘察报告;

②支护施工图，包括支护平面、剖面图及总体尺寸; 标明全部土钉(包括测试用土钉)的位置并逐一编号，给出土钉的尺寸(直径、孔径、长度)、倾角和间距，喷混凝土面层的厚度与钢筋网尺寸，土钉与喷混凝土面层的连接构造方法; 规定钢材、砂浆、混凝土等材料的规格与强度等级;

③排水系统施工图以及需要工程降水时的降水方案设计;

④施工方案和施工组织设计，规定基坑分层、分段开挖的深度和长度，边坡开挖面的裸露时间限制等;

⑤支护整体稳定性分析与土钉及喷混凝土面层的设计计算书;

⑥现场测试监控方案以及为防止危及周围建筑物、道路、地下设施而采取的措施和应急方案。

(9)当支护变形需要严格限制且在不良土体中施工时，宜联合使用其他支护技术，将土钉支护扩展为土钉-预应力锚杆联合支护、土钉-桩联合支护、土钉-防渗墙联合支护等，并参照相应标准结合土钉规程进行设计施工。

(二)土钉墙设计计算(https://www.xing528.com)

1. 设计内容

土钉墙支护设计，一般包括下述内容:

(1)根据工程情况和以往经验，初选支护各部件的尺寸和参数;

(2)进行分析计算，主要计算内容有:

①支护的内部整体稳定性分析和外部整体性分析;

②土钉计算;

③喷射混凝土面层的设计计算以及土钉与面层的连接计算。

通过上述计算，对各部件初选尺寸和参数进行修改和调整，绘出施工图。对重要的工程，宜采用有限元法对支护的内力和变形进行分析。

(3)根据施工过程中获得的量测和监控数据以及发现的问题，进行反馈设计。

土钉支护的整体稳定性计算和土钉的设计计算采用总安全系数设计方法，其中以荷载和材料性能的标准值作为计算值，并据此确定土压力。

喷混凝土面层的设计计算采用以概率理论为基础的结构极限状态设计方法，设计时，对作用于面层上的土压力，应乘以荷载分项系数1.2后作为计算值，在结构的极限状态设计表达式中，应考虑结构重要性系数。

土钉支护设计应考虑的荷载除土体自重外，还应包括地表荷载，如车辆、材料堆放和起重运输造成的荷载，以及附近地面建筑物基础和地下构筑物所施加的荷载，并按荷载的实际作用值作为标准值。当地表荷载小于15k N/m2时，按15k N/m2取值。此外，当施工或使用过程中有地下水时，还应计入水压对支护稳定性、土钉内力和喷混凝土面层的作用。

土钉支护设计采用的土体物理力学性能参数以及土钉与周围土体之间的界面黏结力参数均应以实测结果作为依据，取值时应考虑到基坑施工及使用过程中由于地下水位和土体含水量变化对这些参数的影响，并对其测试值做出偏于安全的调整。

土的力学性能参数c、φ、土钉与土体界面粘结强度 的计算值取标准值，界面黏结强度的标准值可取为现场实测平均值的0.8倍。以上参数应按不同土层分别确定。

土钉支护的设计计算可取单位长度支护按平面应变问题进行分析。对基坑平面上靠近凹角的区段，可考虑三维空间作用的有利影响，对该处的支护参数(如土钉的长度和密度)作部分调整。对基坑平面上的凸角区段，应局部加强。

2. 支护各部件的尺寸和参数

对于主要承受土体自重作用的钻孔注浆钉支护，其各部件尺寸可参考以下数据初步选用:

(1)土钉钢筋用HPB235、HRB335等热轧变形钢筋，直径在16～32mm的范围内。

(2)土钉孔径为70～120mm，注浆强度等级不低于M10。

(3)土钉长度l与基坑深度H之比对非饱和土宜在0.6～1.2的范围内，密实砂土和坚硬黏土中可取低值; 对软塑黏性土，比值l/H不应小于1.0。为了减少支护变形，控制地面开裂，顶部土钉的长度宜适当增加。非饱和土中的底部土钉长度可适当减少，但不宜小于0.5H; 含水量高的黏性土中的底部土钉长度则不应缩减。

(4)土钉的水平和竖向间距sh和sv宜在1.2～2m的范围内，在饱和黏性土中可小到1m，在干硬黏性土中可超过2m; 土钉的竖向间距应与每步开挖深度相对应。沿面层布置的土钉密度不应低于每6m2一根。

(5)喷混凝土面层的厚度不宜小于80mm，混凝土强度等级不低于C20; 喷混凝土面层内应设置钢筋网，钢筋网的钢筋直径为6～10mm，网格尺寸为150～300mm。当面层厚度大于120mm时，宜设置两层钢筋网。上下段钢筋网搭接长度应大于300mm。

(6)土钉钻孔的向下倾角宜在0～20°范围内，当利用重力向孔中注浆时，倾角不宜小于15°，当用压力注浆且有可靠排气措施时，倾角宜接近水平。当上层土软弱时，可适当加大下倾角，使土钉插入强度较高的下层土中。当有局部障碍物时，允许调整钻孔位置和方向。

土钉钢筋与喷混凝土面层的连接采用图3-26所示的方法，可在土钉端部两侧沿土钉长度方向焊上短段钢筋，并与面层内连接相邻土钉端部的通长加强筋互相焊接。对于重要的工程或当支护面层受有较大侧压时，宜将土钉做成螺纹端，通过螺母、楔形垫圈及方形钢垫板与面层连接。

土钉支护的喷混凝土面层宜插入基坑底部以下，插入深度不少于0.2m; 在基坑顶部也宜设置宽度为1～2m的喷混凝土护顶。

当土质较差且基坑边坡靠近重要建筑设施需严格控制支护变形时，宜在开挖前先沿基坑边缘设置密排的竖向微型桩，如图3-27所示，其间距不宜大于1m，深入基坑底部1～3m。微型桩可用无缝钢管或焊管，直径为48～150mm，管壁上应设置出浆孔。小直径的钢管可分段在不同挖深处用击打方法置入并注浆; 较大直径(大于100mm)的钢管宜采用钻孔置入并注浆，在距孔底1/3孔深范围内的管壁上设置注浆孔，注浆孔直径为10～15mm，间距为400～500mm。

图3-26 土钉与喷射混凝土面层的连接

图3-27 基坑边缘设置的密排竖向微型桩

3. 土钉墙支护整体稳定性分析

土钉墙内部整体稳定性分析是指边坡土体中可能出现的破坏面发生在支护内部并穿过全部或部分土钉(图3-28)。

图3-28 土钉墙内部整体稳定性验算简图

1—喷射混凝土面层; 2—土钉

土钉墙应根据施工期间不同开挖深度及基坑底面以下可能发生的滑动面，采用圆弧滑简单条分法(图3-28)按下式进行验算:

式中: n——滑动体分条数;

m——滑动体内土钉数;

γk——整体滑动分项系数，可取1.3;

γ0——基坑侧壁重要性系数;

ωi——第i分条土重，滑裂面位于黏性土或粉土中时，按上覆土层的饱和土重度计算; 滑裂面位于砂土或碎石类土中时，按上覆土层的浮重度计算;

b——第i分条宽度;

cik——第i分条滑裂面处土体固结不排水(快)剪黏聚力标准值;

φik——第i分条滑裂面处土体固结不排水(快)剪内摩擦角标准值;

θi——第i分条滑裂面处中点切线与水平面的夹角;

αj——土钉与水平面之间的夹角;

Li——第i分条滑动面处弧长;

s——计算滑动体单元厚度;

Tnj——第j根土钉圆弧滑裂面外锚固体与土体的极限抗拉力，按下式计算:

Tnj=πdnj∑qsikLni (3-18)

其中: dnj——第j根土钉锚固体直径;

qsik——土钉穿越第i层土土体与锚固体间极限摩阻力标准值，应由现场试验确定，如无试验资料，可采用表3-5确定;

Lni——第j根土钉在圆弧滑裂面外穿越第i层稳定土体内的长度。

表3-5 土体与锚固体之间的极限摩阻力标准值

注: 表中数值系采用直孔一次常压灌浆工艺的计算值，当采用二次灌浆、扩孔工艺时，可适当提高。

土钉支护的外部整体稳定性分析与重力式挡土墙的稳定分析相同，可将由土钉加固的整个土体视作重力式挡土墙，分别验算:

(1)整个支护沿底面水平滑动(图3-29(a))。

(2)整个支护绕基坑底角倾覆，并验算此时支护底面的地基承载力(图3-29(b))。

以上验算可参照《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2002)中的计算公式。计算时，可近似取墙体背面的土压力为水平作用的主动土压力，取墙体的宽度等于底部土钉的水平投影长度; 抗水平滑动的安全系数应不小于1.2; 抗整体倾覆的安全系数应不小于1.3，且此时的墙体底面最大竖向压应力不应大于墙底土体作为地基持力层的地基承载力设计值f的1.2倍。

(3)整个支护连同外部土体沿深部的圆弧破坏面失稳(图3-29(c))，可按内部整体稳定性分析进行验算，但此时的可能破坏面在土钉的设置范围以外，计算时土钉的Tnj为零。

图3-29 土钉墙外部整体稳定性分析

当土体中有较薄弱的土层或薄弱层面时，还应考虑上部土体在背面土压力作用下沿薄弱土层或薄弱层面滑动失稳的可能性，其验算方法与整个支护沿底面水平滑动时相同。

4. 土钉计算

土钉计算只考虑土钉的受拉作用。土钉的长度除满足设计抗拉承载力的要求外，同时还应满足土钉墙内部整体稳定性的需要。

对于单根土钉，其抗拉承载力应满足下式要求:

1.25γ0Tjk≤Tuj (3-19)

式中: γ0——基坑侧壁重要性系数;

Tjk——第j根土钉受拉荷载标准值;

Tuj——第j根土钉抗拉承载力设计值。

单根土钉受拉荷载标准值按下式计算:

式中: ξ——荷载折减系数;

β——土钉墙坡面与水平面的夹角;

φk——土的内摩擦角标准值;

eajk——第j个土钉位置处的基坑水平荷载(土压力和地面荷载产生的侧压力等)标准值;

sxj、szj——第j根土钉与相邻土钉的平均水平、垂直间距;

αj——第j根土钉与水平面的夹角。

对于基坑侧壁安全等级为二级的土钉，抗拉承载力设计值Tuj应通过试验确定。基坑侧壁安全等级为三级时，Tuj可按下式计算(图3-30):

图3-30 土钉抗拉承载力计算简图

1—喷射混凝土面层; 2—土钉

式中: γs——土钉抗拉抗力分项系数，取1.3;

dnj——第j根土钉锚固体直径;

qsik——土钉穿越第i层土土体与锚固体间极限摩阻力标准值，应由现场试验确定;

li——第j根土钉在直线破裂面外穿越第i稳定土体内的长度，破裂面与水平面的夹角为。

5. 喷射混凝土面层计算

在土体自重及地面均布荷载q作用下，喷射混凝土面层所受侧向压力e0可按下式估算:

式中: ea——地面均布荷载q引起的侧压力;

e1——土钉位置处由土体自重产生的侧压力;

s——相邻土钉水平间距和垂直间距中的较大值。

荷载分项系数取1.2，另外，按基坑侧壁安全等级取重要性系数。

喷射混凝土面层按以土钉为支座的连续板进行强度验算，作用于面层上的侧压力，在同一间距内可按均布考虑，其反力作为土钉的端部拉力。验算内容包括板在跨中和支座截面处的受弯、板在支座截面处的冲切等。

上述计算适用于以钢筋作为中心钉体的钻孔注浆型土钉。对于其他类型的土钉，如注浆的钢管击入型土钉或不注浆的角钢击入型土钉，也可参照上述计算原则进行土钉墙支护的稳定性分析。

至于复合型土钉墙，目前应用较多的是水泥土搅拌桩-土钉墙和微型桩-土钉墙两种形式，前者是在基坑开挖线外侧设置一排至两排(多数为一排)水泥土搅拌桩，以解决隔水、开挖后面层土体强度不足而不能自立、喷射混凝土面层与土体黏结力不足的问题，同时，由于水泥土搅拌桩有一定插入深度，可避免坑底隆起、管涌、渗流等情况发生; 后者是在基坑开挖线外侧击入一排或两排(多数为一排)竖向立管进行超前支护，立管内高压注入水泥浆形成微型桩，微型桩虽不能形成隔水帷幕，但可以增强土体的自立能力，并可防止坑底涌土。

由于复合型土钉墙中的水泥土搅拌桩和微型桩主要是解决基坑开挖中的隔水、土体自立和防止涌土等问题，所以在土钉墙计算中多不考虑其受力作用，仍按上述方法进行土钉墙的计算。

四、土锚杆(土锚)

在土质较好地区，以外拉方式用土锚杆锚固支护结构的围护墙，可便利基坑土方开挖和主体结构地下工程的施工，对尺寸较大的基坑也较经济。

土锚一般由锚头、锚头垫座、钻孔、防护套管、拉杆(拉索)、锚固体、锚底板(有时无)等组成(图3-31)。

图3-31 土锚构造

1—锚头; 2—锚头垫座; 3—围护墙; 4—钻孔;

5—防护套管; 6—拉杆(拉索); 7—锚固体; 8—锚底板

土锚根据潜在滑裂面，分为自由段(非锚固段)lf和锚固段la(图3-32)。土锚的自由段处于不稳定土层中。要使拉杆与土层脱离，一旦土层滑动，它可以自由伸缩，其作用是将锚头所承受的荷载传递到锚固段。锚固段处于稳定土层中，它通过与土层的紧密接触将锚杆所承受的荷载分布到周围土层中去。锚固段是承载力的主要来源。

根据《建筑基坑支护技术规程》，锚杆的上下排垂直间距不宜小于2m，水平间距不宜小于1.5m，锚杆锚固体上覆土层厚度不宜小于4m。锚杆的倾角宜为15°～25°，且不应大于45°。锚杆自由段长度不宜小于5m，并应超过潜在滑裂面1.5m。锚杆的锚固段长度不宜小于4m。

拉杆(拉索)下料长度应为自由段、锚固段及外露长度之和，外露长度需满足锚固及张拉作业的要求。

图3-32 土锚的自由段与锚固段的划分

lf—自由段(非锚固段); la—锚固段

锚杆的锚固体宜采用水泥浆或水泥砂浆，其强度等级不宜低于M100。