第四章放坡與土釘墻支護技術土木系石祥鋒4.1概述

土釘支護亦稱錨噴支護，就是逐層開挖基坑，逐層布置排列較密的土釘（鋼筋），強化邊坡土體，并在坡面鋪設鋼筋網，噴射混凝土。相應的支護體稱為土釘墻，它由被加固的土體、放置在土體中的土釘與噴射混凝土面板三個緊密結合的部分組成。土釘是其最主要的構件，英文名叫SoilNailing，它的設置有打入法，旋入法，以及先鉆孔、后置入、再灌漿三種方法。概念土釘墻是通過鉆孔、插筋、注漿錨桿來設置的，也可以直接打入角鋼、粗鋼筋、鋼管形成土釘。土釘支護適用于有一定粘性的砂土、粘性土、粉土、黃土及雜填土，當場地同時存在砂、粘土和不同風化程度的巖體時，應用土釘支護特別有利。當存在地下水時，地下水應低于土坡開挖段，否則應進行降水處理。當用于粘結力很差或處于軟塑狀態(tài)的土體，應首先進行預注漿加固處理。對標貫擊數小于10的砂土邊坡，采用土釘法一般不經濟。對不均勻系數小于2的級配不良的砂土，不能采用土釘支護；對塑性指數IP>20的土，必須詳細評價其蠕變特性，當蠕變性很小時，才能將土釘用作永久性支護。土釘不適應在腐蝕性土中作為永久性支護。土釘支護深度一般不宜超過12m，當場地土層特別好時，可放寬到14～16m適用范圍土釘支護的缺點和局限性：需要較大的地下空間土釘支護的變形較大。土釘屬柔性支護，其變形大于預應力錨撐支護，當對基坑變形要求嚴格時，不宜采用土釘支護土釘不適宜在軟土及松散砂土地層中應用土釘支護如果作為永久性結構，需要專門考慮銹蝕等耐久性問題。

土釘的發(fā)展

70年代初，德國、法國和美國就各自開始了土釘支護的研究與應用，但土釘誕生的原因并不相同。在德國是基于土層錨桿和加筋土擋墻發(fā)展起來的，在法國卻是基于新奧法的原理發(fā)展起來的，新奧法在60年代主要用于巖石隧道的支護，70年代初被成功的用于土質隧道和土質邊坡的支護。美國最早的土釘墻用于1974年匹茨堡PPG工業(yè)總部的深基坑支護。目前該技術在法國、德國、英國、美國和日本得到廣泛應用。我國應用土釘支護的首例工程可能是1980年山西柳灣煤礦的邊坡工程。最近十多年來，冶金建筑研究總院、北京工業(yè)大學、清華大學、總參工程兵三所等單位在土釘支護的研究開發(fā)中做了不少工作。目前，這一新技術已經在北京、深圳、廣州、武漢等全國各地得到了廣泛應用。土釘墻支護與錨桿的的聯(lián)合支護4.2放坡設計與施工工巖質邊坡一般按按照軟弱夾層或或結構面計算穩(wěn)穩(wěn)定性。土質邊坡按照條條分法計算。均均質簡單邊坡，，高度在10m范圍內可直接查查圖，計算極限限高度。4.3土釘墻的工程特特性4.3土釘墻的應用4.3.2土釘墻的特點（1）土釘與土體共同同形成了一個復復合體，土體是是支護結構不可可分割的部分。。從而合理的利利用了土體的自自承能力。（2）結構輕柔，有良良好的延性和抗抗震性。1989年美國加州7.1級地震中，震區(qū)區(qū)內有8個土釘墻結構，，其中有三個位位于震中33km范圍內，估計至至少遭到了約0.4g的水平地震加速速度作用，均未未出現(xiàn)任何損害害跡象。（3）施工設備簡單。。土釘的制作與與成孔、噴射混混凝土面層都不不需要復雜的技技術和大型機具具。（4）施工占用場地少少。需要堆放的的材料設備少。。（5）容易實現(xiàn)動態(tài)設設計和信息化施施工。根據現(xiàn)場場位移或變形監(jiān)監(jiān)測反饋的信息息，很容易調整整土釘的長度和和間距，也容易易調整面層的厚厚度。既可以避避免浪費，又能能夠防止出現(xiàn)工工程事故。（6）工程造價低，經經濟效益好，國國內外資料表明明，土釘支護的的工程造價能夠夠比其它支護低低1/2~1/3。（7）對周圍環(huán)境的干干擾小。沒有打打樁或鉆孔機械械的轟隆聲，也也沒有地連墻施施工時污濁的泥泥漿。（8）土釘支護是邊開開挖邊支護，流流水作業(yè)，不占占獨立工期，施施工快捷。（9）防腐性能好。。4.3.4土釘墻使用的一一般規(guī)定4.3.5土釘墻與加筋土土墻的比較4.3.6土釘墻與錨桿的的比較4.4土釘墻的作用機機理與工作性能能擋墻的被動制約約機制：防止土土體坍塌破壞的的傳統(tǒng)方法是用用擋土結構支護護法，依靠擋土土結構自身強度度、剛度、支撐撐條件及嵌入深深度形成抗力維維持穩(wěn)定，其作作用是利用外部部支擋形成的抗抗力被動地支擋擋要下滑破壞的的邊坡土體。土釘墻是在土體體內設置一定長長度與分布密度度的鋼筋，與土土體共同工作，，以彌補土體自自身強度的不足足，增強土坡坡坡體自身的穩(wěn)定定性，屬于主動動制約支擋體系系。試驗表明，采用用土釘后的邊坡坡比天然土坡的的承載力提高一一倍以上。采用用土釘支護后邊邊坡的變形發(fā)展展階段有：彈性性變形階段、塑塑性變形階段、、漸進變形階段段和破壞階段。。而天然邊坡則則沒有漸進變形形開裂階段，而而由塑性變形進進入破壞階段，，其失穩(wěn)形式為為突發(fā)性滑塌。。4.4.1土釘墻的作用機機理總的說來，土釘釘在復合土體中中有以下幾種作作用機理：(1)箍束骨架作用該作用是由土釘釘本身的剛度和和強度，以及它它在土體內分布布的空間所決定定的。它在復合合體中起骨架作作用，使復合土土體構成一個整整體，從而約束束土體的變形和和破壞。(2)分擔作用在復合體內，土土釘與土體共同同承擔外荷載和和自重應力，土土釘起著分擔作作用。由于土釘釘有很高的抗拉拉、抗剪強度和和土體無法相比比的抗彎剛度，，所以在土體進進入塑性狀態(tài)后后，應力逐漸向向土釘轉移。當當土體發(fā)生開裂裂后，土釘的分分擔作用更為突突出，這時土釘釘內出現(xiàn)了彎剪剪、拉剪等復合合應力，從而導導致土釘中的漿漿體碎裂、鋼筋筋屈服。土釘墻墻之所以能夠延延遲塑性變形，，并表現(xiàn)出漸進進性開裂，與土土釘的分擔作用用是密切相關的的。(3)應力傳遞與擴散散作用北京工業(yè)大學的的研究表明：當當荷載增加到一一定程度，邊坡坡表面和內部裂裂縫已經發(fā)展到到一定寬度，坡坡腳應力達最大大。此時，下部部土釘位于滑裂裂區(qū)域以外土體體中的部分仍然然能夠提供較大大的抗力。土釘通過它的應應力傳遞作用可可將滑裂區(qū)域內內的應力傳遞到到后面穩(wěn)定的土土體中，分布在在較大范圍的土土體內，降低應應力集中程度。。(4)對坡面變形的約約束作用在坡面上設置的的與土釘連在一一起的鋼筋網噴噴射混凝土面板板是發(fā)揮土釘有有效作用的重要要組成部分。噴噴射混凝土面板板對坡面變形起起到約束作用，，面板的約束力力取決于土釘表表面與土之間的的摩阻力，當復復合土體開裂面面區(qū)域擴大并連連成片時，摩阻阻力主要來自開開裂區(qū)域后的穩(wěn)穩(wěn)定復合土體。。4.4.2土釘墻的工作性性能國內外大型模擬擬試驗結果及許許多實際工程測測試結果表明土土釘墻具有以下下幾點工作性能能：（1）土釘墻的變形一一般是微小的，，但比錨桿擋墻墻的水平位移要要大一些。最大大水平位移發(fā)生生于墻體頂部，，越往下越小。。最大水平位移移與開挖深度之之比一般在1‰~3‰‰。這種位移值不不會影響工程的的適用性和長期期穩(wěn)定性，它對對整個土釘墻來來說，不應當是是控制設計的主主要因素。墻體體內的水平位移移隨離開墻面的的距離增加而減減小。（2）土釘只有在土體體產生微小變位位后才能受力，，開始開挖時，，土釘上的最大大拉力位于噴射射混凝土面板附附近，隨著開挖挖深度的增加，，最大拉力的位位置將從面層附附近逐漸向深部部土體中轉移，，因此，越靠基基坑底部的土釘釘，其最大受力力點距離面板就就越近。同一土土釘內的內力分分布一般呈現(xiàn)中中間大，兩端小小的規(guī)律，在破破裂面臨近處達達到最大。（3）土釘墻上的土壓壓力以及不同土土釘上的最大拉拉力沿基坑深度度的分布都是中中間大、上下小小，接近梯形而而不是三角形。。(4)采用密集土釘加加固的土釘墻的的性能類似于重重力式擋墻，破破壞時明顯地帶帶有平移和轉動動的性質，故設設計時除了要驗驗算土釘墻的內內部穩(wěn)定性（局局部滑動破壞）），以保證土釘釘有足夠的錨固固長度、直徑及及合理間距外，，還必需驗算外外部整體穩(wěn)定性性，即驗算土釘釘墻體的抗滑與與抗傾覆安全性性。（5）根據大比例足尺尺試驗結果看，，在土釘墻整體體破壞之前，并并未發(fā)現(xiàn)噴射混混凝土面板和錨錨頭產生破壞現(xiàn)現(xiàn)象，在實際工工程中也未見任任何錨頭破壞現(xiàn)現(xiàn)象。所以，在在設計中，對面面板和錨頭不要要進行單獨設計計，只要滿足結結構上的構造要要求即可。4.5土釘墻設計計算算4.5.1確定土釘墻結構構尺寸在初步設計時，，應先根據基坑坑環(huán)境條件和工工程地質資料，，確定土釘墻的的適用性，然后后確定土釘墻的的結構尺寸，土土釘墻高度由工工程開挖深度決決定，開挖面坡坡度可取600~900，在條件許可時時，盡可能降低低坡面坡度。土釘墻均是分層層分段施工，每每層開挖的最大大高度取決于該該土體可以自然然站立而不破壞壞的能力。在砂砂性土中，每層層開挖高度一般般為0.5~2.0m，在粘性土中可可以增大一些。。開挖高度一般般與土釘豎向間間距相同，常用用1.0~1.5m；每層單次開挖挖的縱向長度，，取決于土體維維持穩(wěn)定的最長長時間和施工流流程的相互銜接接，一般多用10m長。土釘支護參數主主要包括土釘長長度、間距、布布置、孔徑和鋼鋼筋直徑等。（1）土釘長度在實際工程中，，土釘長度L常采用坡面垂直直高度H的60%~70%。土釘一般下斜斜，與水平面的的夾角宜為50~200。Bruce和Jewell(1987)通過對十幾項土土釘工程的分析析表明：對鉆孔孔注漿型土釘，，用于粒狀土陡陡坡加固時，L/H一般為0.5~0.8；對打入型土釘釘，用于加固粒粒狀土陡坡時，，其長度比一般般為0.5~0.6。99規(guī)程要求L/H一般為0.5~1.2。其實，只有在在飽和軟土中才才會取L/H大于1。4.5.2土釘支護參數（2）土釘直徑及間距距土釘直徑D一般由施工方法法確定。打入的的鋼筋土釘一般般為16~32mm，常是25mm，打入鋼管一般般是50mm；人工成孔時，，孔徑一般為70~120mm，機械成孔時，，孔徑一般為100~150mm。土釘間距包括括水平間距(列距)Sx和垂直間距(行距)Sy，其數值對土土釘的整體作作用效果有重重要影響，大大小宜為1~2m。對鉆孔注漿漿土釘，可按按6~12倍土釘直徑D選定土釘行距距和列距，且且宜滿足：Sx·Sy=K·D·L式中：K—注漿工藝系數數，一次壓力力注漿，K=1.5~2.5；D、L—土釘直徑和長長度，m；Sx、Sy—土釘水平間距距和垂直間距距，m。4.5.3土釘墻內部穩(wěn)穩(wěn)定性分析冶建總院方法法—力矩極限平衡衡法（1）基本假定①破裂面為圓弧弧形，破壞是是由圓形破裂裂面確定的準準剛性區(qū)整整體滑動產生生的；②破壞時，土釘釘的最大拉力力和剪力都在在破裂面處；；③沿著破裂面的的土體抗剪強強度能夠全部部發(fā)揮，并且且符合庫侖公公式；④假定小土條兩兩邊的水平作作用力大小相相等、方向相相反、且作用用于一條直線線上；（與瑞瑞典條分法假假設相同）⑤土體強度參數數取加權平均均值。（2）土釘受力簡簡化土釘墻中的土土釘受力狀態(tài)態(tài)非常復雜，，一般同時有有拉應力、剪剪應力和彎矩矩。要合理地地確定土釘中中所產生的拉拉力、剪力和和彎矩的大小小往往是比較較困難的。力力矩極限平衡衡法在土釘墻墻穩(wěn)定性分析析計算中僅考考慮土釘的抗抗拉作用，并并將土釘與土土體界面摩阻阻力簡化成沿沿土釘全長均均勻分布（實實際土釘界面面摩阻力的分分布是非均勻勻的，一般在在破裂面處最最大，往兩邊邊逐漸減?。?。這是因為為同激發(fā)側向向力相比，激激發(fā)土釘的抗抗拉能力所要要求的土體變變形量要小得得多(Juran1985)，而且只考慮慮土釘的抗拉拉作用能使得得分析計算大大大簡化。大大量足尺試驗驗認為，土釘釘剪力的作用用是次要的，，僅考慮抗拉拉作用的設計計雖有點保守守，卻是很方方便的設計方方法(Gassler1980)。土釘相對彎彎曲剛度對土土釘墻安全系系數的提高大大約為0%~15%之間(Glasgow1980)。土釘的抗拉能能力Tx可以按照如下下幾種情況計計算：①由土釘與破裂裂面交點之外外的土釘與土土體間的摩擦擦力決定，即即：Tx1=·D·LB·f（4-3）式中：LB—土釘伸入破裂裂面外約束區(qū)區(qū)的長度（m）;f—土釘與土體間間的抗剪強度度（kN/m2），一般應由由試驗資料確確定。②由土釘中的鋼鋼筋強度fy決定，即Tx2=fy·As(4-4)式中：As—鋼筋截面積（（m2）；③由土釘與破裂裂面相交點之之外的鋼筋與與砂漿間的粘粘結強度τg決定，即：Tx3=·d·(L-LB)·g(4-5)式中：d—鋼筋直徑（m）；g—鋼筋與砂漿界界面的粘結強強度標準值（（kN/m2）（當無試驗驗資料時，可可用注漿體的的抗剪強度代代替）。在實際計算中中，?。?-3）~（4-5）式計算結果果中的最小值值作為土釘的的抗拉能力標標準值。一般般情況下，土土釘破壞均是是土釘與土體體界面的破壞壞，即土釘是是被拔出的，，因此，土釘釘的抗拉能力力標準值通常常由式（4-3）決定。4.5.4土釘墻整體穩(wěn)穩(wěn)定安全系數數計算整體安全系數數計算是改進進的穩(wěn)定性分分析條分法。。對于施工時時不同開挖高高度和使用時時不同位置，，沿破裂面滑滑動的安全系系數等于滑裂裂面上抗滑力力矩與下滑力力矩之比(對應于各自的的圓心)。一般情況下下整體安全系系數應大于1.2。①當不考慮土釘釘作用時，其其安全系數Ksi為：(4-6)②當考慮土釘作作用時，其安安全系數Kpi為：(4-7)式中：Li—土條滑動面弧弧長，m；Txj—某位置土釘的的抗拉拔能力力標準值，kN；S—計算單元的寬寬度（一般取取S=Sx），m；i—滑動面某處切切線與水平面面之間的夾角角（0）；i—某土釘與水平平面之間的夾夾角（0）。4.5.5土釘墻外部穩(wěn)穩(wěn)定性分析4.5.6土釘墻變形分分析用極限平衡分分析法無法了了解變形信息息，土釘墻的的變形可以用用有限元分析析方法作出估估計，但單純純的有限元計計算不一定能能得出可信的的定量數據；；所以，目前前對土釘墻變變形性能的認認識主要來自自對監(jiān)測資料料的分析。Elias和Juran綜合工程實測測和室內實驗驗，提出了以以下幾點看法法：（1）土釘墻變形形引起的地表表角變形和位位移隨L/H增加而減少；；（2）粗顆粒土中中離開面層水水平距離（1~1.25）H時，地表角變變形(局部傾斜)已不會對周圍圍地表建(構)筑造成影響；；（3）頂部最大水水平位移與豎豎向沉降的比比值隨L/H減少而增加，，其最大值為為1.0。對于常用的的L/H=0.6~1.0情況，可取為為1.0~0.75。這與一般的的內撐式支護護相近；（4）增大土釘傾傾角，會增加加地表變形與與支護位移；；（5）水平位移過過大將導致支支護結構的破破壞，最大水水平位移一般般不能大于5‰H。Schlosser指出，在土釘釘墻面層頂部部，最大水平平位移h與豎向位移v大體相等。最最大水平位移移H與墻高H的比值據法國國觀測資料為為1‰~3‰，德國為2.5‰~3‰。地表的水平平位移和豎向向位移在離開開墻面為處接近于零，，=k(1-tan)H其中為支護層面與與鉛垂線的夾夾角，直立開開挖時=0;k為系數，對風風化巖層，砂砂性土和粘性性土分別為0.8、1.25和1.5。但是根據有有些測斜儀的的實測數據來來看，上式給給出的值可能偏小。?？磥韺σ话惴欠秋柡屯林械牡耐玲攭χёo護，如發(fā)現(xiàn)h/H大于3‰~4‰就應視為有趨趨向失常的可可能，需密切切監(jiān)視。現(xiàn)在在還沒有軟土土中土釘支護護的數據，據據軟土中內撐撐式支護的量量測資料，軟軟土中變形值值要比非飽和和土中大得多多?？梢愿鶕鹘y(tǒng)統(tǒng)支護變形的的經驗來估計計土釘墻支護護對鄰近建筑筑物的影響，，當地表的角角變形分別超超過1‰和1.3‰時，可能導致致磚砌承重結結構和鋼筋混混凝土框架結結構中的建筑筑損害（如抹抹灰層開裂））。角變形如如超過7‰，磚砌承重結結構本身就會會遭到嚴重損損害。我國在基坑支支護設計中，，一般要求對對土釘墻支護護結構的水平平位移和沉降降進行監(jiān)測，，據一些工程程的統(tǒng)計，位位移數據一般般在5~50mm之間。5.1.1土釘墻應按下下列規(guī)定對基基坑開挖的各各工況進行整整體滑動穩(wěn)定定性驗算：1整體滑動穩(wěn)定定性可采用圓圓弧滑動條分分法進行驗算算；2采用圓弧滑動動條分法時，，其整體穩(wěn)定定性應符合下下列規(guī)定(圖5.1.1)：4.6土釘墻施工方方法施工流程及工藝土釘墻施工主主要包括以下下幾個方面：：4.6.1.作業(yè)面開挖基坑開挖應分分步進行，分分步開挖深度度主要取決于于暴露坡面的的“直立”能能力。另外，，當要求變形形很小時，可可視工地情況況和經濟效益益將分步開挖挖的深度降至至最低。在粒粒狀土中開挖挖深度一般為為0.5~2.0m；對粘性土中中每層開挖深深度可按下式式計算：對超固結粘性性土開挖深度度可加大?？紤]到土釘施施工設備，分分步開挖寬度度至少要6m，開挖長度則取取決于交叉施施工期間能保保持坡面穩(wěn)定定的坡面面積積。當要求變變形過于嚴格格時，可分段段開挖施工，，各段長度一一般為10m。使用的開挖施施工設備必須須能挖出光滑滑規(guī)則的斜坡坡面，最大限限度地減小對對支護土層的的擾動。任何何松動部分在在坡面支護前前必須予以清清除，對松散散的或干燥的的無粘性土，，尤其是當坡坡面受到外來來振動時，要要先進行灌漿漿處理，當采采用挖土機挖挖土時，應輔輔以人工整修修。邊坡開挖：采采用反鏟挖土土機，預留20~30cm人工修坡，開開挖深度在土土釘孔位下50cm，開挖寬度保保證10m以上，以確保保土釘成孔機機械鉆機的工工作面。土方方開挖嚴格按按設計規(guī)定的的分層開挖深深度按作業(yè)順順序施工，在在完成上層作作業(yè)面的土釘釘及噴混凝土土地以前，不不得進行下一一層土方的開開挖。邊坡修整：采采用人工清理理，為確保噴噴射混凝土面面層的平整，，此工序必須須掛線定位。。對于土層含含水量較大的的邊坡，可在在支護面層背背部插入長度度為400~600mm，直徑不小于于40mm的水平排水管管包濾網，其其外端伸出支支護面層，間間距為2m，以便將噴混混凝土面層后后的積水排走走。4.6.2.制作面層一般情況下，，為了防止土土體松弛和崩崩解，必須盡盡快做第一層層面層。根據據地層的性質質，可以在安安設土釘之前前做，也可在在放置土釘之之后做。對臨臨時工程，面面層一般做一一層，厚度為為50~150mm；而對永久性性工程則多用用兩層或三層層，厚度為100~300mm。兩次噴射作作業(yè)應留一定定的時間間隔隔。根據工程規(guī)模模、材料和設設備的性能，，可進行“濕濕式”或“干干式”噴射混混凝土。通常常規(guī)定最大粒粒徑10~15mm，并摻入適量外加加劑以利加速固結結。少數情況下還還可降低固態(tài)混凝凝土的塑性。噴射混凝土的強度度等級不應當低于于C15，混凝土中的水泥泥含量不宜低于400kg/m3，速凝噴射混凝土土8h無側限抗壓強度應應達5Mpa，最好在養(yǎng)護24h后再投入工作。當當不允許產生裂縫縫時進行適當的養(yǎng)養(yǎng)護尤為重要。噴射混凝土通常在在每步開挖的底部部預留300mm暫不噴射，并做成成450的斜面形狀，這樣樣會有利于下步開開挖后安裝鋼筋網網，和下部450倒角的噴射混凝土土層澆接。一般在面層和土釘釘交接處加一塊150mm150mm10mm或200mm200mm12mm的承壓板，承壓板板后放置4~8根加強鋼筋。在噴噴射混凝土中，應應配置一定數量的的鋼筋網，鋼筋網網能對面層起加強強作用，并對調整整面層應力有重要要意義。鋼筋網間間距通常為200mm~300mm，鋼筋直徑為Φ6mm~Φ10mm，在噴射混凝土面面層中配置1~2層。有時，用粗鋼鋼筋將各土釘相互互連接起來，這樣樣面層的整體作用用就能夠得到進一一步加強。噴射混凝土：噴射射混凝土順序可根根據地層情況“先錨后噴”，土質條件不好時時采取“先噴后錨”，噴射作業(yè)時，空空壓機風量不宜小小于9m3/min，氣壓0.2~0.5MPa，噴頭水壓不應小小于0.15MPa，噴射距離控制在在0.6~1.0m，通過外加速凝劑劑控制混凝土初凝凝和終凝時間在5~10min，噴射厚度大于等等于100mm。養(yǎng)護：根據八月份份的氣溫，采取灑灑水養(yǎng)護，每天需三次，，持續(xù)三天。4.6.3降水、排水土釘支護的基坑開開挖排水系統(tǒng)一般般包括：（1）施工時應提前沿沿坡頂挖設排水溝溝，并