支护结构计算之土钉墙计算

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。土钉亦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。

1．基本规定

（1）土钉墙支护适用于可塑、硬塑或坚硬的粘性土；胶结或弱胶结（包括毛细水粘结）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、流塑粘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、振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。

2．土钉墙设计计算

（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15kN/m2时则按15kN/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粘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，并对其测试值作出偏于安全的调整。

土的力学性能参数c、φ、土钉与土体界面粘结强度τ的计算值取标准值，界面粘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）土钉孔径在70~120mm之间，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，密实砂土和坚硬粘土中可取低值；对软塑粘性土，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；含水量高的粘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，在饱和粘性土中可小到1m，在干硬粘性土中可超过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C20，3d不低于10MPa。喷混凝土面层内应设置钢筋网，钢筋网的钢筋直径6~10mm，网格尺寸150~300mm。当面层厚度大于120mm时，宜设置二层钢筋网。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°的范围内，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。当迂有局部障碍物时，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6-87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。

图6-87 土钉与喷射混凝土面层的连接

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（图2-88），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10~15mm，间距400~500mm。

图6-88 基坑边缘设置的密排竖向微型桩

1-注浆钢管微型桩

（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6-）。

图6- 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，采用圆弧滑动简单条分法（图6-）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，滑裂面位于粘性土或粉土中时，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）剪粘聚力标准值；

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＝πdnjΣqsikLni    （6-78）

式中  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6-73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。

土体与锚固体之间的极限摩阻力标准值  表6-73

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6-90a）；

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6-90b）；

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6-90c），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6-90 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    （6-79）

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，按式（6-80）计算；

Tuj——第j根土钉抗拉承载力设计值，按式（6-82）计算。

单根土钉受拉荷载标准值，按下式计算：

    （6-80）

式中  ξ——荷载折减系数，按下式计算：

     （6-81）

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6-91）：

图6-91 土钉抗拉承载力计算简图

1-喷射混凝土面层；2-土钉

    （6-82）

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，如无试验资料，可按表6-73采用；

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：

e0＝e01＋ea    （6-83）

    （6-84）

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，亦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-土钉墙两种型式。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粘结力不足的问题；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。

后者微型桩-土钉墙，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。