土钉墙

摘要土钉墙,又称土钉式挡土墙、土钉支护技术,它是在原位土体中布设密集的钢杆或者其他材料杆体(土钉),并在岩土体表面构筑面层结构。土钉依靠与土体接触界面上的黏结力、摩阻力和周围土体形成复合土体,土钉在土体发生变形的条件下被动受力,通过其受拉作用对土体进行加固。通过土钉、面层和原位土体三...

土钉墙,又称土钉式挡土墙、土钉支护技术,它是在原位土体中布设密集的钢杆或者其他材料杆体(土钉),并在岩土体表面构筑面层结构。土钉依靠与土体接触界面上的黏结力、摩阻力和周围土体形成复合土体,土钉在土体发生变形的条件下被动受力,通过其受拉作用对土体进行加固。通过土钉、面层和原位土体三者共同作用,提高原位岩土体的凝聚力及其强度,使被加固土体形成地层岩性,从而使得挖方坡面稳定。

土钉墙

土钉墙优点

与其他挡土墙相比,土钉墙具有以下优点:

①土钉墙能合理利用土体的自身能力,将土体作为挡土墙墙体不可分割的一部分;

②用于土钉墙的施工设备轻便,操作方法简单,施工速度较快,能使挡土墙很快发挥作用;

③结构比较轻巧,柔性较大,有良好的抗震性能和延性;

④土钉墙施工安排非常简单,只需在加固的地方操作即可,不需要单独另外设置施工场地;

⑤土钉墙的材料用量和工程量均较少,不仅可节省施工时间,而且还可以降低工程造价。

但是,土钉墙也具有一定的缺点和局限性,工程实践证明,当在软土、松散砂土的地基中施工难度比较大。

土钉墙特点

(1)能合理地利用土体的自承能力,将土体作为支护结构的不可分割部分。

(2)结构轻型,柔性大,有良好的抗震性和延展性。

(3)施工便捷、安全,土钉的制作与成孔简单易行,且灵活机动,便于根据现场监测的变形数据和特殊情况及时变更设计。

(4)施工不需单独占用场地,当施工场地狭小、放坡困难、有相邻建筑、大型护坡施工设备不能进场时,该技术显示出独特的优越性。

(5)稳定可靠,支护后边坡位移小,水平位移一般为基坑深度的0.1%~0.2%,最大不超过0.3%,承载能力强。

(6)工期短,可以随开挖随支护,基本不占用施工工期。

(7)费用低,与其他支护类型相比,工程造价降低10%~40%左右。

土钉墙组成

土钉墙的组成比较简单,除了土体本身外,主要由土钉、面层、防水和排水系统组成。

1、土钉

路基边坡加固最常用的是钻孔注浆钉,土钉体由土钉钢筋和外裹的注浆体组成。土钉通常选用螺纹钢筋,直径为18~36mm之间,钻孔直径为75~100mm。注浆材料宜采用纯水泥浆或水泥砂浆,其强度不宜低于20MPa,一般采用M30水泥砂浆。当边坡渗水比较严重时,应添加适量的膨胀剂。

2、面层

土钉墙的护面层(面层)虽不是结构的主要受力构件,但它是传力体系的一个重要部分,也起保证各土钉间土体的局部稳定性、防止土体被侵蚀风化的作用。

3、排水系统

土钉墙的排水系统,主要包括坡面排水结构和坡体排水结构。为了降低地下水对面层结构产生压力和侵蚀,以及边坡围岩因水浸泡而软化,防止降低强度和土与土钉之间的黏结力,必须设置良好的排水系统。

坡面排水结构主要是坡顶截水沟和坡脚排水沟,以及坡面相应的急流槽等。深部排水结构主要是在坡体内设置排水滤管,及时将坡体内的滞水排除,降低其潜在下滑力,使土体自然固结。

土钉墙原材料

水泥:采用强度等级为32.5MPa的普通硅酸盐、矿渣硅酸盐水泥。

砂、石子:采用细度模数不小于2.3的中砂和粒径不大于12mm的细石,砂含泥量不大于3%,石子含泥量不大于2%。

钢筋、钢管:Ⅱ级或Ⅲ级钢筋,直径18~32mm;盘条钢筋6~8mm,直径48mm的钢管。

外加剂:采用符合有关规范要求的早强剂、膨胀剂和速凝剂,在冬季施工时喷射混凝土中应加入防冻剂。

土钉墙工作性能

(1)土钉墙支护变形较小,最大水平位移发生于墙体顶部,越往下越小。土钉墙支护体内的水平位移随离开墙面距离增大而减少。

(2)土钉内的拉力分布是不均匀的,一般呈现中间大、两端小的规律,土体产生微小变位时才能使土钉受力。

(3)采用密集土钉加固的土钉墙支护性能类似重力式挡土墙,破坏时明显带有平移和转动的性质。

(4)在土钉墙支护整体破坏以前,喷射混凝土面层和土钉一般不会产生破坏现象。

(5)墙面土压力分布并不接近三角形,在坡角处土压力减少,其合力为库仑土压力的70%,这种土压力减少是土钉将土连接成一个整体而造成的。

土钉墙适用条件

1)基坑侧壁安全等级宜为二级、三级的非软土场地(孔道侧壁安全等级根据侧壁破坏后果的严重程度划分)。

2)基坑深度不宜大于12m。

3)当地下水位高于坑底面时,应采取降水或截水措施。

当土质较差,且基坑边坡靠近重要建筑设施,需要严格控制支护变形时,宜开挖前先沿基坑边缘设置密排的竖向微型桩,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58~150mm,管壁上应设置出浆孔。小直径的钢管可分段在不同开挖深处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。

当支护变形需要严格限制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,并参照相应标准进行设计施工。

土钉墙施工工艺

1.施工流程

编写施工方案及施工准备→开挖→清理边坡→孔位布点→成孔→安设土钉钢筋(钢管)→注浆→铺设钢筋网→喷射混凝土面层→开挖下一步。

根据不同土质特点和支护构造方法,上述个别顺序可以变化。支护内的排水以及坡顶和基底的排水系统应按整个支护从上到下的施工过程穿插设置。

2.施工工艺

(1)准备工作

①认真学习规范,熟悉设计图纸,以书面形式请甲方提供地下障碍物、管线位置图,了解工程的质量要求以及施工中的监控内容,编写施工方案。

②施工前应确定基坑开挖线、轴线定位点、水准基点、变形观测点等,并在设置后加以妥善保护。

③组织项目管理小组及专业施工队伍,对施工人员进行班前技术学习、安全交底,并完成上报审批程序。

④按照施工方案选择施工机具与工艺,并检查设备运转情况,安排现场水、电、照明及施工。材料进场后做好原材料的检验与混凝土、水泥浆的试配。

(2)开挖

①土钉墙支护应按施工方案规定的分层开挖深度按作业顺序施工,在完成上层作业面的土钉与喷射混凝土以前,不得进行下一层开挖。

②当用机械进行土方作业时,严禁边壁出现超挖或造成边壁土体松动,当基坑边线较长时,可分段开挖,开挖长度10~20m。

③分层开挖的深度和施工的作业顺序应保证修整后的裸露边坡能在规定的时间内保持自立,并在限定的时间内完成支护。应尽量缩短边壁土体的裸露时间,对于自稳能力差的土体,如高含水量的黏性土和无天然黏结力的砂土必须立即进行支护。

④为防止基坑边坡的裸露土体发生塌陷,对于易坍塌的土体应因地制宜采用相应的防范措施。

⑤开挖过程中如遇到土质与原设计有异常情况时应及时进行信息反馈。

(3)清理边坡

基坑开挖后,基坑的边壁宜采用小型机具或小铲进行切削清坡,以达到设计规定的坡度。

(4)孔位布点

土钉成孔前,应按设计要求定出孔位并作出标记编号。孔位的允许偏差不大于150mm。

(5)成孔

根据经验,一般采用人工成孔的孔径、孔深、孔距、倾角必须满足设计标准,其误差符合《基坑土钉支护技术规程》(CECS 96—97)的要求。如出现边坡土体含水量较大、杂填土较厚、松散砂层等情况不宜进行人工成孔时,可采用钢管代替钢筋,利用机械打入土层,钢管上可每隔300mm钻直径8~10mm的出浆孔,梅花形布置,并用角钢30°呈倒刺状焊于孔边,以防打管时散落土粒堵塞出浆孔,同时增加其抗拔力。钢管前端宜作成锥形,以减少打入时的摩擦阻力。成孔过程中如遇障碍物需调整孔位时,不得影响支护安全。成孔后要进行清孔检查,对塌孔处应及时处理。

(6)置钉及注浆

①置钉:在直径18~32mm的Ⅱ级或Ⅲ级土钉钢筋上设置定位架,保证土钉钢筋处于孔的中心部位,支架沿钉长的间距为2~3m左右,支架的构造应不妨碍注浆时浆液的自由流动。

②注浆:成孔后应及时将土钉钢筋置入孔中,可采用重力、低压(0.4~0.6MPa)或高压(1~2MPa)方法按配合比将水泥浆或砂浆注入孔内。重力注浆以满孔为止,但需进行1~2次补浆;压力注浆采用二次注浆法,并在钻孔口设置止浆塞和排气孔;注浆导管应先插入孔底,以低压注浆,同时将导管以匀速缓慢撤出,导管的出浆口应始终处在孔中浆体的表面以下,保证孔中气体能全部逸出。导管离孔口0.5~1m时高压注满,并保持高压3~5MPa;采用钢管时应使用高压注浆,注满后及时封堵,让压力缓慢扩散;注浆时需加入早强剂和膨胀剂以提高注浆体早期强度和增大其与孔壁土体的摩擦力。

(7)铺设钢筋网片

钢筋网片可用直径6~8mm盘条钢筋焊接或绑扎而成,网格尺寸150~300mm。在喷射混凝土之前,面层内的钢筋网片应固定在边壁上并符合规定要求的保护层厚度。钢筋网片可用插入土中的钢筋固定,在混凝土喷射时应不出现振动。

(8)喷射混凝土面层

①喷射混凝土的顺序应自下而上,喷头与受喷面距离宜控制在0.8~1.5m范围内,射流方向垂直指向喷射面。在钢筋部位应先喷钢筋后方,然后再喷填钢筋前方,防止在钢筋背面出现空隙。也可在铺设钢筋网片之前初喷一次,铺设网片之后再进行复喷,一次喷射厚度不宜小于40mm,喷射混凝土前应先向边壁土层喷水润湿。喷射时应加入速凝剂以提高混凝土的凝结速度,防止混凝土塌落。

②为保证喷射混凝土的厚度,可用插入土内用以固定钢筋网片的钢筋作为标志加以控制。当面层厚度超过100mm时应分两次喷射,每次喷射厚度宜为50~70mm。继续进行下步喷射混凝土作业时,应仔细清除预留施工缝接合面上的浮浆层和松散碎屑,并喷水使之潮湿。为使施工缝搭接方便,每层下部300mm可喷成45°的斜面形状。

③喷射混凝土终凝后2h,应根据当地条件,采取连续喷水养护5~7d。

④土钉墙支护时的喷混凝土面层宜插入基坑底部以下,深度不小于0.2m,在基坑顶部也宜设置宽度为1~2m的喷混凝土护顶。

(9)排水系统

①土钉墙支护宜在排除地下水的条件下施工,包括地表排水、支护内部排水和基坑排水,以避免土体处于饱和状态并减轻作用于面层上的静水压力。

②基坑顶部四周可做散水和排水沟,坑内应设置排水沟和集水坑,并与边壁保留0.5~1m的距离,集水坑内的积水应及时抽出。

③如基坑侧壁水压较大时可在支护面层背部插入长度为400~600mm、直径不小于40mm的水平导水管,外端伸出支护面层,间距1.5~2m,以便将混凝土面层后积水排出。

土钉墙作用机理

试验表明,直立的土钉墙在坡顶的承载力约是天然土坡的两倍以上。采用土钉支护后边坡的变形有弹性变形阶段、塑性变形阶段、渐进变形阶段和破坏阶段,而天然边坡则没有渐进变形开裂阶段。土钉在复合土体中有以下几种作用机理:

1)箍束骨架作用。该作用是由土钉本身的刚度和强度,以及它在土体内分布的空间所决定的。它在复合体中其骨架作用,使复合土体构成一个整体,从而约束土体的变形和破坏。

2)分担作用。在复合体内,土钉与土体共同承担外荷载和自重应力,土钉起着分担作用。由于土钉有较高的抗弯、抗剪、抗拉强度和土体无法相比的抗弯刚度,当土体变形进入塑性变形阶段后,应力逐渐向土钉转移,这样就减少了土体中的应力集中,避免了塑性区的进一步扩大,提高了土体的承载力。

3)应力传递与扩散作用。研究表明,当荷载增加到一定程度,边坡表面和内部裂缝已经发展到一定宽度,坡脚应力达到最大。此时,下部土钉位于滑裂区域以外土体中的部分仍然能够提供较大的抗力。土钉通过它的应力传递作用可将滑裂区域内的应力传递到后面稳定的土体中,分布在较大范围的土体内,降低应力集中程度。

4)对坡面变形的约束作用。在坡面上设置的与土钉连在一起的钢筋网喷射混凝土面板对坡面变形起到约束作用,面板的约束力取决于土钉表面与土之间的摩阻力,当复合土体开裂面区域扩大并连成片时,摩阻力主要来自开裂区域后的稳定复合土体。

土钉墙破坏形式

1)土钉墙在自身重力等荷载作用下,可能沿内部或外部破裂面产生整体破坏。

2)土钉墙沿墙底产生滑移,或沿墙趾产生倾覆。

3)单根土钉多在拉力作用下被拔出。土体在自身重力等荷载作用下产生变形,作用土压力于面层,面层传递给土钉,土钉承受了由面层及周围土体传递过来的拉力,有向基坑方形拔出的趋势;同时破裂面以外稳定土体与土钉的黏结力对土钉产生抗拔力,阻止土钉向外拔出。当拉力大于抗拔力时,土钉被拔出。

4)土钉墙墙底承载力不够,产生破坏。

土钉墙应用范围

(1)地下水位以上或进行人工降水后的可塑、硬塑以及坚硬的黏性土。

(2)胶结或弱胶结(包括毛细水黏结)的粉土、砂土和角砾、填土。随着土钉墙理论与施工技术的不断成熟,在经过大量工程实践后,土钉墙支护技术在杂填土、松散砂土、软塑或流塑土、软土中也得以应用,并可与混凝土灌注桩、钢板桩或在地下水位以上的土层与止水帷幕等配合使用进行支护,从而扩大了土钉墙支护的使用范围。

采用土钉墙支护的基坑深度不宜超过18m。

土钉墙与加筋土墙对比

土钉支护属于土体加筋技术中的一种,其形式与加筋土墙类似。土钉墙与加筋土墙的相似之处有:

1)一般情况下,均不施加预应力。

2)借助土的微小变形使杆件受力而工作。

3)通过土与杆件的粘结而使加强的土体稳定,而后形成类似于重力式挡墙的结构,支撑其后部土体传来的土压力和荷载。

4)侧向面板基本上不受力,对整个结构物的稳定性不起很大作用,且均很薄。

土钉墙与加筋土墙的不同之处有:

1)施工顺序不同。加筋土墙是自下而上先修筑面板和筋带,然后夯填土体而形成的;土钉墙则是随着边坡或基坑开挖自上而下逐步形成的。

2)土钉墙用于原状土的挖方工程,对于土的质量无法选择和控制;加筋土墙用于填方工程,在一般情况下,对土的种类可以选择,对土的工程性质是可以控制的。

3)随着新型工程材料的不断出现,加筋条多采用土工合成材料,直接同土接触而起作用;而土钉则多用金属杆,通过砂浆同土接触而起作用。

4)加筋杆件一般水平设置,而土钉则与水平面有一定的夹角安设。

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