拔试验来确定基础工程学与土钉墙设计

土钉设计主要通过支护土体内部及整体稳定性来确定钉长、间距、面层等参数。主要设计内容如下：确定土钉结构尺寸及开挖坡度、分段长度及分层高度；设计土钉的长度、间距及布置方式，确定孔径、钢筋直径及砂浆强度；构造设计，确定面层结构。必要时进行土钉墙变形分析。

1.土钉墙构造要求

首先根据条件确定土钉方案是否适合，在此基础上确定土钉墙的选型及与其他支护结构的组合形式。在土钉的成孔工艺上，一般优先选用洛阳铲成孔，成本低，速度快。对易塌孔的松散或稍密的砂土、稍密的粉土、填土，或易缩径的软土，宜采用打入式钢管土钉；对洛阳铲成孔或钢管土钉打入困难的土层，宜采用机械成孔的钢筋土钉。

（1）确定土钉墙的平面，特别是剖面参数，包括分层施工高度。土钉墙坡度不宜大于1∶0.2；当基坑较深、土的抗剪强度较低时，宜取较小坡度。对砂土、碎石土、松散填土，确定土钉墙坡度时尚应考虑开挖时坡面的局部自稳能力。当基坑较深，允许有较大放坡空间时，可以采用分级放坡，每级坡体可根据土质情况设置不同坡率，两级坡体间宜设置宽1～2m的平台。分段施工开挖高度由土钉的竖向间距确定，坑底部位置要低于土钉300～500mm，以保证施工工作面及面层内钢筋网的搭接要求。土钉层数不能小于2层。基坑平面布置时应减少阳角，阳角处土钉在相邻两个侧面宜上下错开或角度错开布置。当土钉墙墙后存在滞水时，应在含水土层部位的墙面设置泄水孔或其他疏水措施。

（2）土钉基本参数要求。土钉的长度通过计算确定，一般控制在5～12m，土钉水平间距和竖向间距宜为1～2m；当基坑较深、土的抗剪强度较低时，土钉间距应取小值。土钉倾角宜为5°～20°，其夹角应根据土性和施工条件确定，各层土钉角度可以不一致。

（3）采用成孔后注浆土钉时的基本要求。成孔直径宜取70～120mm，洛阳铲成孔直径一般为60～80mm；土钉钢筋宜采用HRB400、HRB335级钢筋，钢筋直径应根据土钉抗拔承载力设计要求确定，且宜取16～32mm；应沿土钉全长设置对中定位支架，其间距宜取1.5～2.5m，土钉钢筋保护层厚度不宜小于20mm；土钉孔注浆材料可采用水泥浆或水泥砂浆，其强度不宜低于20MPa。

（4）钢管土钉的构造要求。钢管的外径不宜小于48mm，壁厚不宜小于3mm；钢管的注浆孔应设置在钢管里端l/2～2l/3范围内；每个注浆截面的注浆孔宜取2个，且应对称布置，注浆孔的孔径宜取5～8mm，注浆孔外应设置保护倒刺；钢管土钉的连接采用焊接时，接头强度不应低于钢管强度；可采用数量不少于3根、直径不小于16mm的钢筋沿截面均匀分布拼焊，双面焊接时钢筋长度不应小于钢管直径的2倍。

（5）面层的基本要求。土钉墙高度不大于12m时，喷射混凝土面层的构造要求应符合下列规定：喷射混凝土面层厚度宜取80～100mm；喷射混凝土设计强度等级不宜低于C20；喷射混凝土面层中应配置钢筋网和通长的加强钢筋，钢筋网宜采用HPB300级钢筋，钢筋直径宜取6～10mm，钢筋网间距宜取150～250mm；钢筋网间的搭接长度应大于300mm；加强钢筋的直径宜取14～20mm；当充分利用土钉杆体的抗拉强度时，加强钢筋的截面面积不应小于土钉杆体截面面积的二分之一。面层应沿坡顶向外延伸形成不少于0.5m的护肩，在不设置截水帷幕或微型桩时，面层宜在坡脚处向坑内延伸0.3～0.5m形成护脚。

（6）土钉与面层的连接要求。土钉与加强钢筋宜采用焊接连接，其连接应满足承受土钉拉力的要求；当在土钉拉力作用下喷射混凝土面层的局部受冲切承载力不足时，应采取设置承压钢板等加强措施。

2.土钉抗拔承载力计算

在计算土钉抗拔承载力时，首先需要假设一破裂面，在破裂面靠近基坑一侧，锚固力主要来自锚头与主动侧的土体，而破裂面后侧锚固力主要来自被动侧土体与土钉之间。以下主要计算被动侧土钉的抗拔承载力。

在计算土钉抗拔承载力时，需要计算土钉上的荷载，即土钉最大拉应力处承受的拉力。首先采用朗肯公式作为计算土钉轴力的基本公式：

式中，下标j表示第j层土钉，其余符号意义同前面土压力计算公式。

但是影响该点拉力的因素非常多，这里主要通过两个参数对土钉控制面的朗肯土压力进行调整。上述朗肯土压力计算公式是针对垂直边坡基坑，而土钉墙一般按一定角度放坡，放坡后土压力小于直立边坡，因此需要对土压力进行降低。另外，按朗肯土压力理论，基坑下部土钉承担较大的荷载。工程实践表明，临时基坑工程的下部土钉受力较理论值偏低，有必要对土钉受力进行位置（高度）调整。这样单根土钉土压力标准值Nk，j可按下式计算：

式中：Nk，j——第j层土钉的土压力标准值（kN）；

αj——第j层土钉的倾角（°）；

ζ——墙面倾斜时主动土压力折减系数；

ηj——土钉轴力位置调整系数；

Sxj、Syj——土钉水平间距和垂直间距（m）。

土压力折减系数ζ计算公式如下：

土钉轴力位置调整系数ηj计算公式如下：

式中：zj——第j层土钉至基坑顶面的垂直距离（m）；

h——基坑的开挖深度（m）；

ΔEaj——作用在以Sxj、Syj为边长的面积内主动土压力标准值（kN）；

n——土钉层数；

ηa、ηb——计算系数与经验系数；经验系数ηb可取0.6～1.0。

位置调整系数主要受经验系数ηb控制：当ηb为1.0时，ηj为1.0，则相当于不进行调整；当ηb为0.6时，计算得到基坑下部的调整系数远小于1.0，而顶部大于1.0，这样底部土钉的轴力被降低而顶部轴力予以放大。这样处理比较符合工程实践。

在计算得到每一根土钉的轴力标准值后，在土钉墙内假设一滑动面AB（图5-20），由滑动面后侧（锚固段）土钉提供锚固力来平衡土钉轴力。土钉锚固段承载力主要由土钉与土之间的黏结强度、土钉内钢筋的抗拉强度及土钉浆体与钢筋之间的黏结力三方面的因素控制，这与锚杆锚固端的计算无本质差别。在土钉支护中，主要控制因素为前面两个。

图5-20　土钉抗拔承载力计算

1—土钉；2—面层

设滑动面AB与水平面的夹角为

式中：γ——土钉墙直线破坏面夹角（°）；

β——基坑坡面与水平面夹角（°）；

φm——边坡土体内摩擦角（°）。

单根土钉的极限抗拔承载力Rk，j应通过现场抗拔试验确定。对于安全等级不高和初步设计期间无条件进行抗拔试验时，可以通过查表得到土钉极限黏结强度标准值，再利用下式计算：

式中：dj——第j层土钉锚固段直径（m）；

qsik——第j层土钉在第i层的极限黏结强度标准值（kPa）；

li——第j层土钉在滑动面为第i层土中的长度（m）。

对于注浆成孔的土钉，按成孔直径计算；对于打入式钢管土钉，按钢管的直径计算。土钉与土体黏结强度可查表5-8或现场抗拔试验得到。如果计算或测试得到的抗拔力大于钢筋承载力标准值，取钢筋的标准值。

按下式计算每根土钉的抗拔承载力安全系数Kt：

对于安全等级为二级、三级的土钉墙，抗拔承载力安全系数Kt分别不应小于1.6、1.4。

同时，土钉的抗拔承载力受钢筋的抗拉强度控制，要求：

式中：Nj——第j层土钉的轴向拉力设计值（kN）；

fy——土钉杆体的抗拉强度设计值（kPa）；

As——土钉杆体的截面面积（m2）。

表5-8　土钉极限黏结强度标准值

需要注意的是，在计算钢筋抗拉强度时，轴力需使用设计值，对应的钢筋强度为设计值。轴力由标准值转换为设计值的计算方法见第三节。

3.土钉墙稳定性计算

土钉墙为分层分段开挖、分层分段设置土钉及面层而成。每一开挖工况都有可能为不利工况，一般需要进行每一开挖工况下整体滑动稳定性计算，稳定性计算采用圆弧条分法（图5-21）。用于土钉墙的圆弧法与放坡开挖的差别在于土钉墙中存在土钉，当圆弧面穿过土钉时，土钉的存在将提高边坡的稳定性。在计算过程中不计土钉的抗弯和抗剪作用，仅考虑土钉的轴向拉力对稳定性的影响。

图5-21　土钉墙整体稳定性计算模型

1—滑动面；2—土钉或锚杆；3—喷射混凝土面层

当条分土体与圆弧面相交段含土钉时，将土钉的轴力分解为圆弧切向和圆弧半径延伸方向两个相互垂直的分力，切向分力提供抗滑力矩，而半径延伸方向的分力通过提供摩阻力而提供抗滑力矩。这样，第k层土钉提供的抗滑力矩Mn，k为

θk——土条在滑动面处第k层土钉的法线与垂直面的夹角（°）；

αk——第k层土钉的倾角（°）；

Sx，k——土钉水平间距（m）。(www.xing528.com)

在一般的圆弧条分法中，考虑土钉提供的抗滑力矩，得到土钉墙整体稳定性系数为：

式中，除Mn，k外，其他符号意义与放坡开挖圆弧条分法一致。

对于安全等级为二级、三级的基坑整体滑动稳定性系数Ks分别不小于1.3、1.25。

4.土钉墙抗隆起稳定性验算

基坑底面下有软土层的土钉墙结构应进行坑底抗隆起稳定性验算（图5-22）。计算方法以太沙基极限承载力理论为基础，验算公式如下：

图5-22　土钉墙抗隆起稳定性计算

其中：

式中：q0——地面均布荷载（kPa）；

γm1——基坑底面以上土的重度（kN/m3），多层土取各层土厚度加权的平均值；

γm2——基坑底面至抗隆起计算平面之间土层的重度（kN/m3）；

Nc、Nq——承载力系数；

b1——土钉墙坡面的宽度（m），当土钉墙坡面垂直时取b1=0；

b2——地面均布荷载的计算宽度（m），可取b2=h；

Khe——抗隆起安全系数，安全等级为二级、三级的土钉墙，抗隆起安全系数分别不应小于1.6、1.4。

5.土钉墙外部稳定性和变形分析

土钉属于原位加固技术，当土钉达到一定密度的时候，复合体形成一个“土墙”，在保证内部整体稳定性的情况下，其作用类似重力式挡墙效果。因此可以采用后述的重力式支护结构计算方法进行抗滑动、抗倾覆稳定性验算，但墙的厚度折减为土钉墙实际厚度的11/12。

土钉墙的变形分析难度较大，与土体性质、开挖深度、土钉密度与长度等有关。目前土钉变形特征主要根据监测资料得到。一般认为，土钉墙的变形具有以下规律：

（1）土钉墙变形引起的地表角变位和位移随土钉长度与开挖深度之比（L/h）的增加而减小；过大的土钉倾角将会增加地表位移。

（2）离开面层水平距离（1～1.25）h时，地表角变位已不会对周围地表建筑物造成影响，一般情况下，大于1.5h时，地表角变位已不重要。

（3）最大水平位移（面层顶部）与竖向沉降的比值随土钉长度与开挖深度之比（L/h）的减小而增加，对于常用的L/h=0.6～1.0的基坑，可取0.75～1.0。因此，在土钉墙顶部，最大水平位移与竖向位移大致相等，或者后者略大。

（4）当水平位移过大时，将引起墙体破坏，一般控制最大水平位移为不大于5‰h。

（5）距离基坑表面越远，变形越小。当离开距离为S0时，地表水平位移和竖向位移接近于0。

式中：K——土性系数，对于风化岩层、砂性土及黏性土，分别取0.8、1.25、1.5。

对于一般非饱和土中的土钉墙，如发现垂直沉降与开挖深度之比大于0.3%～0.4%，应该密切监视，基坑有可能趋向失稳。

[例题5-2]某基坑开挖深度h为5.0m，坑壁为黏性土，土体重度γm为19kN/m3，内摩擦角φk为18°，黏聚力ck为12kPa，采用三排成孔注浆土钉墙支护，土钉竖向间距和水平间距均为1.5m，土钉极限黏结强度标准值40kPa，土钉墙坡面与水平面的夹角为85°，土钉与水平面的夹角为15°，成孔直径d=0.12m，地面超载20kPa，不考虑地下水。试计算每层土钉的轴向拉力标准值；当土钉杆材采用HRB400钢筋时，计算所需钢筋的长度与直径。

解：（1）土钉轴力计算。

主动土压力系数为：

Ka=tan2(45°-φk/2)=0.528

按不放坡条件计算土压力分布，土压力为零的最大深度为：

计算深度为zj（zj≥z0）处的土压力：

计算放坡对土压力的折减系数ζ：

以第1排土钉为例，进行土钉受力计算。

计算单根土钉土压力标准值：

ΔEa1=pak，1Sx1Sz1=(10.03×1.5-6.88)×1.5×1.5=18.37(kPa)

同理可以计算出第2、3排土钉的土压力为52.22kPa、86.07kPa。

取经验系数ηb=0.8，根据式（5-47）、式（5-46）计算位置调整系数

第1排土钉轴力位置调整系数为

第2、3排位置调整系数为1.10、0.87。

下面就可以计算不同位置处土钉的轴力。

同理可以计算出第2、3排土钉轴力为52.61kN、69.16kN。

（2）土钉长度计算。

设滑动面AB与水平面的夹角为

首先计算坡面至滑动面AB段的距离，利用正弦定理，第1排距离底部高度为3.5m，计算公式如下：

滑动面以外的长度按下式计算

这样第1排土钉总长度为4.82m。同理，可得第2、3排土钉长度分别为6.99m、7.69m。

（3）土钉钢筋截面面积。

第1排土钉钢筋截面面积

同理，第2、3排土钉截面面积分别为182.69mm2、240.13mm2。

在得到土钉长度与截面尺寸后，即可进行土钉整体稳定性计算。

设计计算结果如表5-9所示。

表5-9　土钉计算结果表

根据计算结果，第1排土钉长度取5m，第2排土钉长度取7m，第3排土钉长度取8m。钢筋为HRB400，直径分别为10mm、16mm和18mm。