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土钉墙设计

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目 录

一，工程项目概况
1.1建筑概况……………………………………....................... 2
1.2工程地质条件………………………….………………….. 3

二，设计方案的比较………………………………………........... 5

三，方案具体设计过程
3.1 土压力计算………………………………………. .…….. 6
3.2 土钉参数计算 …………………………………………… 9
3.3 面层设计 ……………………………………………… 14

四，方案的可行性验算
4.1外部稳定性验算 ……………………………………… 14
4.2整体稳定性验算 ……………………………………… 16
4.3理正软件验算…………………………………………… 18

五，参考资料………………………………………………….. 23

一，工程项目概况

1.1 建筑概况
某建筑物层数为(地上)35层，地下室深度8.7m，总高度设计为100m，建(构)筑物安全等级为二级。本工程基坑开挖深度约为10m。
本工程位于景田东路以南，莲花西路以西，南侧与一期相连，西侧为即将兴建的幼儿园。基坑支护应确保基坑周边的建(构)筑物不出现过大的变形。其中，景田东路北侧现为密集民房，距基坑开挖边线约为19m ,即将兴建的幼儿园呈L型布置，其中最近处距基坑边约12m，其余为15m。在基坑北侧大约17米处里有管线，管线最底边埋深3米。由于基坑开挖较深，故基坑开挖时边坡需进行支护处理。

1.2 工程地质条件
根据《深圳市万科房地产有限公司万科金色家园三期岩土工程地质勘察报告》，本场地基坑开挖范围内的地层结构及岩土工程性质特征自上而下为：
1.2.1 场地地层结构特征
①人工填土()：褐黄、褐红色、杂色。稍湿，松散状态。主要由粉质粘土组成，多见碎砼块及碎砖块等建筑垃圾和生活垃圾。
②耕植层()：灰黑、褐灰色。稍湿-湿，软塑～可塑状态。主要由粉质粘土组成，偶见植物根须。层厚0.30～1.20m。
③第四系冲洪积层()：褐黄色、黄、灰色。湿-饱和，软塑状态。顶部粘性土成分较纯，中下部中细砂含量约10～15％。层厚0.70～1.90m。
④第四系坡积层()：粉质粘土，紫红、褐红、褐黄色，间杂灰白色斑块等。湿，可塑～硬塑状态。富含紫红色铁锰质硬结核块。层厚0.70～4.50m。
⑤第四系残积层()：粉质粘土，褐黄、褐红、紫红色，间杂灰白色斑块。湿～饱和，硬塑～坚硬状态。由其下覆涨合质片麻岩风化残积形成，原岩结构清晰可辨，偶见浅肉红色长英质岩脉，钾长石风化成粘性土，石英颗粒相对完整。层厚6.10～17.60m。
余下为混合质片麻岩的全风化带、强风化带、中风化带及微风化带。
1.2.2 岩土工程性质特征
在深基坑开挖影响范围内，各土层的物理力学性质指标。
表1.1 土层部分物理力学性质指标
土层名称
层底埋深
容重
压缩模量
泊松比

粘聚力
内摩擦角（°）
静止侧压力系数
①人工填土
4.47
17.8
9.0
0.35
15
15.0
0.53
②耕植层土
4.87
18.0
9.0
0.36
17
22.0
0.53
③冲洪积层
6.57
18.9
7.8
0.40
16.1
24.2
0.51
④坡积层土
8.77
19.3
8.2
0.40
20.7
17.5
0.50
⑤残积层土
22.57
19.7
9.0
0.38
32.1
24.0
0.48
注：、均为勘察报告所给出的报告值

1.3 地下水
地下水主要赋存于地下3.0m处,发育良好，对施工会造成一定胡影响。

二，设计方案比较

土钉支护的特点及应用范围：
l 土钉与土体形成复合体，提高了边坡整体稳定和承受坡顶超载能力，延性，改变边坡突然坍方性质，有利于安全施工。
l 土钉墙体位移小，一般测试约20mm，对相邻建筑影响小。
l 设备简单，易于推广。由于土钉比土层锚杆长度小得多，钻孔方便，注浆亦易喷射混凝土等设备，施工单位均易办到。
l 经济效益好，一般成本低于灌注桩支护。
l 因分段分层施工，易产生施工阶段的不稳定性，因此必须在施工开始就进行土钉墙体位移监测，以便于采取必要的措施。
l 适宜于地下水位以上或经降水措施后的杂填土、普通粘土或非松散性的砂土，一般认为可用于N值在5以上的砂质土与N值在3以上的粘性土。
该基坑工程两侧有高楼和公共建筑，本工程场地不远处还有地下管线，周边生活区的地下管道有渗漏,地下水发育丰富的可能，会影响边坡的稳定。故综合考虑经济效益，施工安全，质量保证，施工工期，采用复合土钉墙的基坑支付方式比较合
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三，方案的具体设计过程

按照《建筑基坑支护技术规范》(JGJ 120-99)的要求，土压力计算采用朗肯土压力理论，矩形分布模式，所有土层采用水土合算。求支撑轴力是用等值梁法，对净土压力零点求力矩平衡而得。桩长是根据桩端力矩求出，并应满足抗隆起及整体稳定性要求，各段的抗隆起、整体稳定性验算、位移计算详见点电算结果。
为了对比分析，除用解析法计算外，还用理正软件电算。由于支护结构内力是随工况变化的，设计时按最不利情况考虑。
复合型土钉挡墙支护——就是以水泥土搅拌桩帷幕等超前支护措施解决土体的自立性、隔水性以及喷射面层与土体的粘结问题，以水平向压密注浆及二次压力灌浆解决复合土钉挡墙土体加固及土钉抗拔力问题，以相对较长的插入深度解决坑底的抗隆起、管涌和渗流等问题，组成防渗帷幕、超前支护及土钉等组成的复合型土钉支护。

3.1土压力计算
3.1.1 计算主动土压力系数
根据本工程岩土工程勘察资料，自上而下土层分布为：①人工填土()；
②耕植层()； ③第四系冲洪积层()；④第四系坡积层() ⑤第四系残积层()
各土层的设计计算参数如表1.1：
按照《建筑基坑支护技术规范》(JGJ 120-99)土压力计算方法作为土侧向压力设计计算依据，即：
主动土压力系数：Ka=tan2(45°-/2) (3.1)
计算所得主动土压力系数表如表3.2：
表3.1 土层部分物理力学性质指标
土层名称
层底埋深
容重
粘聚力
内摩擦角（°）
主动土压力系数
①人工填土
4.47
17.8
15
15.0
0.588
②耕植层土
4.87
18.0
17
22.0
0.454
③冲洪积层
6.57
18.9
16.1
24.2
0.419
④坡积层土
8.77
19.3
20.7
17.5
0.537
⑤残积层土
22.57
19.7
32.1
24.0
0.422

3.1.2计算各层土压力
基坑的开挖深度为10米,确定基坑侧壁的安全等级为二级，重要系数为1.10，基坑超载p=20kPa。墙后填土及物理力学性质指标如图3.2所示：

主动土压力公式为：
(3.2)
式中 Ka：主动土压力系数
h: 土层厚度
γ： 土的重度
c： 土的粘聚力
第一层：
σ1上=20×0.588-2×15×0.767=-11.25kPa
σ1中=(20+17.8×3)×0.588-2×15×0.767=20.15kPa
σ1下=(20+17.8×3+7.8×1.47)×0.588-2×15×0.767+10×1.47=41.6kPa
第二层：
σ2上 =(20+17.8×3+7.8×1.47)×0.454-2×17×0.64+10×1.47=31.2kPa
σ2 =(20+17.8×1+7.8×1.47+8×0.4)×0.454-2×17×0.67+18.7=36.5kPa
第三层：
σ3上=(20+17.8×3+7.8×1.47+3.2)×0.419-
2×16.1×0.467 +18.7=49.9kPa
σ3下=(20+17.8×3+7.8×1.47+2.8+8.9×1.7) ×0.419-2×16.1×0.467+10×3.57=63.7kPa
第四层：
σ4上=(20+17.8×3+1.47×7.8+3.2+8.9×1.7)×0.537-
2×20.7×0.733+10×3.57=60.5kPa
σ4下=(20+17.8×3+1.47×7.8+3.2+9.3×2.2+8.9×1.7)×0.537
-2×20.7×0.733+10×5.77=93.3kPa
第五层：
σ5上=(20+17.8×3+1.47×7.8+3.2+9.3×2.2+8.9×1.7) ×0.422-
2×0.649×32.1+10×5.77=68 kPa
σ5下=（20+17.8×3+1.47×7.8+3.2+8.9×1.7+9.3×2.2+9.7×1.23）×0.422-2×32.1×0.649+10×7=85.38 kPa

3.2 土钉参数计算
3.2.1 土钉倾角
土钉倾角一般在0-25°之间取值，其大小取决于土钉置入方式和土体分层特点等多种因素。由于土钉在土体中的作用是抗拔受拉，当倾角越小时，其水平拉力越大，越有利于土钉对土体的加固，但倾角过小，不利于施工。根据工程施工经验，土钉的倾角以不超过15°为宜。为便于施工确定该基坑的土钉倾角为10°。

3.2.2 土钉间距
常用土钉间距Sh=Sv=(1.0～2.5)m，土钉间距太小不易打孔，太大承载不足，因此取土钉间距Sh=Sv=1.25m，基坑深10m,需打7排土钉。

3.2.3 土钉长度
由公式：L=MH+S
此处，M取0.8, S取1.3，H=10米
算得，L=0.8×10+1.3=9.3米

3.3.4土钉间距设计
由公式：S1*S2<K*D*L
其中，K为注浆系数，取2。D为土钉孔直径，取150。L为10
即S1*S2<2×0.150×10=3
故取 S1=S2=1.25米

3.2.4土钉直径计算
土钉直径d=(17,25)*S1*S2
即d=（17*1.25*1.25，25*1.25*1.25）=（27，39）
此处：d取28毫米
由朗肯土压力可知，发生主动土压力时的滑裂面与水平面之间的夹角为45°+φ/2。土体加权内摩擦角

φ=18.6
(1) 土钉内力计算
在土体自重和地表均布荷载作用下，每一土钉所受到的最大拉力或设计内力N，可用下式计算：
(3.3)
式中：α：土钉倾角
p：土钉与滑裂面交点处侧压力

P1=13.87kPa
=22kN
P2=57.7kPa
=91.5kN
P3=33.8kPa
=53.6kN
P4=50.4kPa
=79.9kN
P5=65.7 kPa
=104.2kN
P6=76.2kPa
=120.89kN
P7=71.4kPa
=113.28kN

(2)验算土钉直径
(3.4)
式中： Fs.d：土钉的局部稳定安全系数，取1.5
fy：钢筋抗拉强度设计值，土钉采用HRB400级的螺纹钢筋，fy=360N/mm2
N：土钉内力设计值
d：土钉钢筋直径
Nmax=120.89KN
则1.5×120.89≤1.35×3.14×352/4×360
显然验算成立，故可设各道土钉直径均选28，钻孔直径取150mm。

(3) 土钉锚固长度确定
土钉长度包括两部分：自由段和锚固段，如图。经加权平均可知滑裂面角度45°＋φ/2=54.3°。根据三角形关系可确定自由段长度
ιf1=6.1m ιf2=5.25m ιf3=4.25m ιf4=3.5m
ιf5=2.5m ιf6=1.75m ιf7=0.75m

由 确定锚固段长度ιb，其中D为钻孔直径，τ为土钉与土体之间的界面粘结强度。
ιb1=1.5×13.87÷(3.14×0.15×35)=1.26m
ιb2=1.5×57.7÷(3.14×0.15×80)=2.29m
ιb3=1.5×33.8÷(3.14×0.15×80)=3.5m
ιb4=1.5×50.4÷(3.14×0.15×30)=4.6m
ιb5=1.5×65.7÷(3.14×0.15×30)=6m
ιb6=1.5×76.2÷(3.14×0.15×30)=7m
ιb7=1.5×71.4÷(3.14×0.15×30)=7.9m
土钉长度ι≥ιf+ιb
计算得各土钉的长度为：
ι1≥6.1+1.26=7.36m； ι2≥5.25+1.26=7.36m；
ι3≥4.25+3.5=7.75m ; ι4≥3.5+4.6=8.1m；
ι5≥2.5+6=8.5m； ι6≥1.75+7=8.75m；
ι7≥0.75+7.9=8.65m；
土钉所受的极限抗拔力Tu=πDιbτ，其中ιb为土钉锚固段长度。土钉的安全系数k=Tu/N。
Tu1=3.14×0.15×1.26×35=138kN
Tu2=3.14×0.15×2.29×80=93kN
Tu3=3.14×0.15×3.5×80=131.8kN
Tu4=3.14×0.15×4.6×30=216.6kN
Tu5=3.14×0.15×6×30=282.6kN
Tu6=3.14×0.15×7×30=329.7kN
Tu7=3.14×0.15×7.9×30=372.09kN
最后所得的各土钉的自由段长度和锚固段长度及全长、土钉内力、极限抗拔力、安全系数如下表
土钉长度及安全系数
土 钉
序 号
高 程
(m)
锚固段长度(m)
自由段长度(m)
全 长
(m)
土钉内力(kN)
极限抗拔 力(kN)
安全系数
①
1.25
1.26
6.1
7.36
13.87
138
9.9
②
2.50
2.29
5.25
7.54
57.7
93
1.63
③
3.75
3.5
4.25
7.75
33.8
131.8
3.8
④
5.00
4.6
3.5
8.1
50.4
21.66
4.3
⑤
6.25
6
2.5
8.5
65.7
282.6
4.3
⑥
7.50
7
1.75
8.75
76.2
329.7
4.3
⑦
8.75
7.9
0.75
8.65
71.4
327.09
5.2
∑N=368kN，∑Tu=1561kN
K总=1561/368=4.25
各土钉的安全系数和总的安全系数均大于1.8。又知土钉墙的中间受力较大，底部易发生应力集中和其他不利情况，故对中间和底部的土钉进行加长，四号，五号，七号土钉加长至10米，其他土钉仍为9.3米
3.3 面层设计
面层的作用有三方面：一是承受水土压力，并将水土压力传递到土钉；二是限制土体塌倒；三是将土钉联成整体，当水泥土桩防渗发生局部断裂时，面层内的钢筋网将断裂部分兜住以防止发生涌土破坏。一般为构造设置，强度验算。C20混凝土100mm厚，内配直径为6mm间距为200mm的双向钢筋网的面层。纵横主筋一般采用16mm螺纹钢，间距与土钉间距相同。

四，方案可行性验算
土钉的尺寸应满足设计内力的要求，同时应满足支护内部整体稳定性的需要。所以，对设计进行稳定性验算是决定方案是否可行的必要步骤。

4.1外部稳定性验算
由面层、土钉、注浆以及土体构成的边坡类似重力式挡墙一样承担墙后水土压力，此重力挡墙可能发生的稳定性破坏为沿基坑底面滑移或绕挡墙趾翻转，即为土钉外部稳定性验算。外部稳定性分析包括抗滑动稳定、抗倾覆稳定分析两方面。
支护整体沿底面水平滑动的安全系数可取为1.3；支护整体倾覆验算的安全系数为 1.5。

外部稳定性示意图

4.1.1抗滑稳定性验算
土钉墙除了要进行整体稳定性验算外，还需按重力式挡土墙计算方法，验算其抗滑动稳定性。

抗滑动安全系数
式中： Ft——土钉墙底面产生的抗滑力；
Eax——土压力引起的水平推力为各道土钉拉力之和；
(4.2)
W——墙体自重
B——土钉墙计算宽度
B=(11/12)Lcosα
L——为土钉加权平均长度;
α——土钉与水平面之间的夹角;
墙宽取为8.3m，墙底部土摩擦角为24°
抗滑力 Ft=(182×8.3+20×8.3)tan24°+19.7×8.3=910kN
土压力引起的水平推力为各道土钉拉力之和
抗滑稳定安全系数：
安全！
4.1.2抗倾覆稳定验算
抗倾覆稳定力矩即土的自重平衡力矩
Mw=(182×8.3+8.3×20) ×8.3/2=6960 kN·m

倾覆力矩
M0=4.55×8.5+6.93×6.33+87.52×6+98.4×4.33+130.8×2+62.55×2+47.5×0.5+8.4×0.3+1.67×9=1568.5kN·m
抗倾覆稳定安全系数 安全！

4.2整体稳定性验算
指基坑开挖达到某一深度，土钉及面层施工结束，研究边坡作为个整体产生滑动的可能性。
验算过程为：
(1) 不计入土钉等因素的影响，搜寻最危险猾裂面，按圆弧滑动面进行，计算出相应的安全系数，通常小于1.0；
(2) 计及在滑裂面以外土钉的抗拔力对抗滑力矩的有利影响；
(3) 计及水泥土桩的抗剪强度对抗滑力矩的有利影响。

整体稳定性示意图

整体安全系数采用下式计算：
(4.3)
式中：Wi、Qi——(无搅拌桩处)作用于第i土条的土条自重和地表超载；
——土条圆弧破坏面切线与水平层的夹角；
△i——第i条土条宽度；
、Ci——土条i圆弧破坏面所处第j层土层的内摩擦角和内聚力；
、Di——第i水泥土搅拌桩土条的内摩擦角和内聚力；
TRk——第K排土钉的最大抗拔力；
——第K排土钉轴线该处破坏面切线之间的夹角；
Sh——土钉的水平间距；
K——安全系数，取1.25－1.30。

4.3 理正软件进行各项验算：

----------------------------------------------------------------------
[ 验算条件 ]
----------------------------------------------------------------------

[ 基本参数 ]

所依据的规程或方法：《建筑基坑支护技术规程》JGJ 120-99
基坑深度： 10.000(m)
基坑内地下水深度： 20.000(m)
基坑外地下水深度： 3.000(m)
基坑侧壁重要性系数： 1.000
土钉荷载分项系数： 1.250
土钉抗拉抗力分项系数： 1.300
整体滑动分项系数： 1.300

[ 坡线参数 ]

坡线段数 1
序号 水平投影(m) 竖向投影(m) 倾角(°)
1 -0.000 10.000 90.0

[ 土层参数 ]
土层层数 5
序号 土类型 土层厚 容重 饱和容重 粘聚力 内摩擦角 钉土摩阻力 锚杆土摩阻力 水土
(m) (kN/m^3) (kN/m^3) (kPa) (度) (kPa) (kPa)
1 杂填土 4.470 17.8 17.8 15.0 15.0 35.0 120.0 分算
2 粘性土 0.400 18.0 18.0 17.0 22.0 80.0 120.0 分算
3 粘性土 1.700 18.9 18.9 16.1 24.2 80.0 120.0 分算
4 粘性土 2.200 19.3 19.3 20.7 17.5 80.0 120.0 分算
5 粘性土 1.230 19.7 19.7 32.1 24.0 80.0 120.0 分算

[ 超载参数 ]

超载数 1
序号 超载类型 超载值(kN/m) 作用深度(m) 作用宽度(m) 距坑边线距离(m) 形式 长度(m)
1 满布均布 20.000

[ 土钉参数 ]

土钉道数 7
序号 水平间距(m) 垂直间距(m) 入射角度(度) 钻孔直径(mm) 长度(m) 配筋
1 1.250 1.250 10.0 150 9.300 1D28
2 1.250 1.250 10.0 150 9.300 1D28
3 1.250 1.250 10.0 150 9.300 1D28
4 1.250 1.250 10.0 150 10.000 1D28
5 1.250 1.250 10.0 150 10.000 1D28
6 1.250 1.250 10.0 150 9.300 1D28
7 1.250 1.250 10.0 150 10.000 1D28

[ 花管参数 ]

基坑内侧花管排数 0
基坑内侧花管排数 0

[ 锚杆参数 ]

锚杆道数 0

[ 坑内土不加固 ]

[ 内部稳定验算条件 ]
考虑地下水作用的计算方法：总应力法
土钉拉力在滑面上产生的阻力的折减系数： 0.500

*******************************************************************
[ 验算结果 ]
*******************************************************************

[ 局部抗拉验算结果 ]
工况 开挖深度 破裂角 土钉号 土钉长度 受拉荷载标准值 抗拔承载力设计值 抗拉承载力设计值 满足系数
(m) (度) (m) Tjk(kN) Tuj(kN) Tuj(kN) 抗拔 抗拉
1 1.900 52.5 0
2 3.300 52.5 1 9.300 33.2 100.1 184.7 2.411 4.448
3 4.700 52.7 1 9.300 4.3 88.1 184.7 16.490 34.570
2 9.300 23.8 98.9 184.7 3.330 6.217
4 6.100 53.7 1 9.300 4.3 77.3 184.7 14.466 34.570
2 9.300 23.8 87.8 184.7 2.955 6.217
3 9.300 49.4 182.3 184.7 2.952 2.991
5 7.500 53.9 1 9.300 4.3 65.9 184.7 12.340 34.570
2 9.300 23.8 76.3 184.7 2.570 6.217
3 9.300 49.4 170.8 184.7 2.766 2.991
4 10.000 60.1 242.4 184.7 3.228 2.460
6 10.000 54.3 1 9.300 4.3 46.0 184.7 8.605 34.570
2 9.300 23.8 56.3 184.7 1.894 6.217
3 9.300 49.4 150.6 184.7 2.439 2.991
4 10.000 60.1 195.9 184.7 2.610 2.460
5 10.000 86.5 219.5 184.7 2.031 1.709
7 10.000 54.3 1 9.300 4.3 46.0 184.7 8.605 34.570
2 9.300 23.8 56.3 184.7 1.894 6.217
3 9.300 49.4 150.6 184.7 2.439 2.991
4 10.000 60.1 195.9 184.7 2.610 2.460
5 10.000 86.5 219.5 184.7 2.031 1.709
6 9.300 118.6 222.7 184.7 1.501 1.246
7 10.000 191.3 266.5 184.7 1.314 1.272

[ 内部稳定验算结果 ]

工况号 安全系数 圆心坐标x(m) 圆心坐标y(m) 半径(m)
1 1.303 -6.576 17.025 11.086
2 1.362 -1.414 8.930 2.641
3 1.379 -2.681 9.216 4.746
4 1.310 -9.268 12.246 12.472
5 1.372 -8.713 10.335 11.718
6 1.461 -12.856 10.942 16.882
7 1.403 -14.494 13.497 19.805

[ 外部稳定计算参数 ]

所依据的规程： 《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002
土钉墙计算宽度: 8.300(m)
墙后地面的倾角: 0.0(度)
墙背倾角: 90.0(度)
土与墙背的摩擦角: 10.0(度)
土与墙底的摩擦系数: 0.300
墙趾距坡脚的距离: 0.000(m)
墙底地基承载力: 400.0(kPa)
抗水平滑动安全系数： 1.300
抗倾覆安全系数： 1.600

[ 外部稳定计算结果 ]

重力: 959.4(kN)
重心坐标: ( 4.150, 5.732）
超载: 166.0(kN)
超载作用点x坐标: 4.150(m)
土压力: 121.9(kN)
土压力作用点y坐标: 3.400(m)
基底平均压力设计值 138.1(kPa) < 400.0
基底边缘最大压力设计值 215.8(kPa) < 1.2*400.0
抗滑安全系数: 1.322 < 1.300
抗倾覆安全系数: 4.949 > 1.600

[ 喷射混凝土面层计算 ]

[ 计算参数 ]
厚度： 100(mm)
混凝土强度等级: C30
配筋计算as: 15(mm)
水平配筋: d8@150
竖向配筋: d8@150
配筋计算as: 15
荷载分项系数: 1.200

[ 计算结果 ]
编号 深度范围 荷载值(kPa) 轴向 M(kN.m) As(mm^2) 实配As(mm^2)
1 0.00~ 1.25 0.2 x 0.009 306.4(构造) 335.1
y 0.009 306.4(构造) 335.1
2 1.25~ 2.50 10.1 x 0.580 306.4(构造) 335.1
y 0.580 306.4(构造) 335.1
3 2.50~ 3.75 26.9 x 1.548 306.4(构造) 335.1
y 1.548 306.4(构造) 335.1
4 3.75~ 5.00 42.3 x 2.433 306.4(构造) 335.1
y 2.433 306.4(构造) 335.1
5 5.00~ 6.25 54.1 x 3.111 306.4(构造) 335.1
y 3.111 306.4(构造) 335.1
6 6.25~ 7.50 77.7 x 4.467 306.4(构造) 335.1
y 4.467 306.4(构造) 335.1
7 7.50~ 8.75 101.0 x 5.806 335.0 33