其他结构形式的挡土墙.ppt

第八章 其他结构形式的挡土墙,第一节 竖向预应力锚杆挡土墙第二节 土钉墙第三节 桩板式挡土墙,第一节 竖向预应力锚杆挡土墙,一、概述二、锚杆设计三、锚杆有效预拉力计算四、挡土墙稳定性验算,一、竖向预应力锚杆挡土墙概述,竖向预应力锚杆挡土墙是由圬工砌体和竖向预应力锚杆构成。砌体一般是由浆砌片(块)石或素混凝土筑成；竖向预应力锚杆竖向设置，它的一端锚固在岩质地基中，另一端砌筑于墙身内，并设锚具与圬工砌体联系，最后对锚杆进行张拉。,竖向预应力锚杆挡土墙就是利用锚杆的弹性回缩对墙身施加竖向预应力，以提高挡土墙的稳定性，从而代替部分挡土墙圬工的重力，减少挡土墙圬工断面，达到节省圬工、降低造价的目的。,竖向预应力锚杆挡土墙的应用,竖向预应力锚杆挡土墙一般适用于岩质地基(即要求地基承载力高)及墙身所受侧压力(如滑坡推力)较大的情况。此种挡土墙我国铁路部门于l975年首先应用于成昆铁路狮子山滑坡病害整治工程中，以后在其他滑坡治理工程中陆续使用。,二、锚杆设计,灌浆预应力锚杆是利用锚孔中灌注的水泥砂浆锚固在挡土墙基底稳定岩层的钻孔中，锚杆受拉后由锚杆周边的砂浆握裹力将拉应力通过砂浆传递到岩层中。锚杆由锚固段、张拉自由段及垫板锚具等三部分组成。,锚固段是指在挡土墙基底以下锚固在稳定地基中的一段锚杆，它是利用水泥砂浆对锚杆的握裹力、砂浆与孔壁岩层间的粘结力和摩阻力进行锚固的。锚固段以上部分，称为自由段，其长度根据墙身抗剪强度的需要和预应力的损失而定。这段锚杆的周围应灌注软沥青，以免与砌体粘结并可起防锈作用。锚杆顶端设置有预制的钢筋混凝土垫块和钢垫板，垫板上安有锚具，以备张拉后锚固锚杆。,锚杆设计包括锚杆材料的选定和截面尺寸的确定，锚杆间距的确定，锚杆锚固深度的确定等。,锚杆材料的选定和截面尺寸的确定,锚杆宜用经过双控冷拉处理后的单根粗钢筋制作，双控冷拉处理的目的在于提高钢筋的极限强度，一般采用螺纹钢筋。锚杆截面应根据受力大小而定，锚杆直径尚需增加2mm作为防锈的安全储备，目前直径常用(1832)mm。,锚杆间距的确定,锚杆的间距应根据锚杆的抗拔力、墙身圬工数量等因素确定。在纵向尽可能均匀布置，以不引起锚孔周围地层应力的重叠和过分集中为原则，其纵向间距一般不宜小于1.0m，并以大于20倍的锚孔直径为宜。为增加抗倾覆能力，锚杆在横向宜靠近墙背，但应使墙身能承受垫块压力而不致破坏。一般距墙背0.5m。,锚杆锚固深度的确定,锚固深度是指锚杆埋入稳定地基中的长度。其长度可按抗拔力要求根据锚固地层性质由第六章p195式(647)或式(648)确定。,锚头,竖向预应力锚杆挡土墙的锚头一般采用螺母锚固。根据锚杆自由段长度与挡土墙高度的关系，锚头分为埋人式及出露式两种。,三、锚杆有效预拉力计算,四、挡土墙稳定性验算,与普通重力式挡土墙比较，作用于挡土墙的力系中，增加了对稳定有利的锚杆有效预拉力Ng。但竖向预应力锚杆挡土墙稳定性验算方法与普通重力式挡土墙基本相同，仅在验算时增加有效预拉力Ng，并列入竖向力系和稳定力矩中。对于倾斜基底，其基底的法向分力和切向分力为：,四、挡土墙稳定性验算,第二节 土钉墙,我们总是挖了这座山,又填了那个坑。我们把他的脚挖断，又不让他瘸腿，我们又给他做了个很不自然的假肢，不让他倒下,第二节 土钉墙,一、土钉墙概述二、土钉墙与锚杆挡土墙、加筋土挡土墙比较三、土钉墙基本原理四、土钉墙构造五、土钉墙内部稳定性分析六、土钉墙外部稳定性分析,一、土钉墙概述,土钉是一种原位加筋技术，即在土中敷设拉筋而使土体的力学性能得以改善的土工加固方法。土钉墙由被加固土体、放置在土中的土钉体和护面板组成。天然土体通过土钉的就地实施加固并与喷射混凝土护面板相结合，形成一个类似重力式的挡土墙，以此抵抗墙后传来的土压力和其他作用力，从而使得挖方坡面稳定。土钉依靠与土体接触界面上的粘结力、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。而土钉间土体的变形则由护面板予以约束。,土钉墙有如下优点：,与其他挡土墙相比，(1)能合理利用土体的自身能力，将土体作为墙体的不可分割的一部分；(2)施工设备轻便、操作方法简单；(3)结构轻巧，柔性大，有非常好的抗震性能和延性；(4)施工不需单独占用场地；(5)材料用量和工程量少，工程造价低；(6)施工速度快，基本不占用施工工期。,土钉技术也有缺点和局限性：,(1)变形稍微大于预应力锚杆的变形；(2)在软土、松散砂土中施工难度较大；(3)土钉在软土中的抗拔力低，需设置得很长很密或事先对土体进行加固，变形量较大，造价较高。,土钉墙应用,土钉墙可用于边坡的稳定，特别适合于有一定粘性的砂土和硬粘土。作为土体开挖的临时支护和永久性挡土结构，高度一般不大于l5m；也可用于挡土结构的维修、改建与加固。,二、土钉墙施工特点（补充内容）,土钉墙是由上而下边开挖边分段施工的 分层开挖、分层稳定、坡脚预加固逆作法土钉墙施工工序分为 先喷后锚 或先锚后喷 2种施工方法。一般采用先锚后喷工艺（1）边坡开挖（2）人工修整边坡（3）定位放线（4）成孔（5）土钉主筋制作及安放（6）搅浆及注浆（7）挂网（8）喷射砼,先锚后喷土钉墙施工工序,（1）边坡开挖 按照设计的分层开挖深度和坡度开挖，分层开挖深度应在每道土钉孔口标高下0.5m处，不得超挖，开挖过程中，挖掘机不得碰撞土钉墙面板。在上层作业面的土钉及喷混凝土面层未达到设计强度的70以前，不得进行下一层土方的开挖。,先锚后喷土钉墙施工工序,（2）人工修整边坡应根据土质的不同情况，边坡预留50100厚的土体，由修坡人员用铲修整坡面，为确保喷射砼面层的平整，挂小线测量边坡坡度，以保证坡脚不侵结构。对于土层含水量较大的边坡，可在土钉面层背部插入长度为400600mm，直径不小于40mm的水平排水管（包滤网），其外端伸出支护面层，间距为2m，以便将喷混凝土面层后的积水排走。,（3）定位放线 由测量人员按设计图纸放出每一个土钉的位置，作出标记。,先锚后喷土钉墙施工工序,（4）成孔采用人工洛阳铲成孔，孔深不小于设计，如遇障碍物时，可适当调整土钉角度和位置。,（4）成孔 采用人工洛阳铲成孔,土钉人工（洛阳铲）成孔,（5）土钉主筋制作及安放主筋按设计长度下料，外端设“L”型的弯钩，间隔2m焊对中支架，防止主筋偏离土钉中心；安放主筋时，将注浆管与主筋捆绑在一起，注浆管离孔底0.5m左右。（6）搅浆及注浆浆体为水泥净浆，水灰比为0.5，浆液要充分搅拌均匀，随拌随用，采用搅拌机造浆，搅拌时间一般在3分钟以上；注浆采用注浆泵，注浆时，将导管缓慢均匀拔出，但出浆口应始终处于孔中浆体表面之下，保证孔中气体能全部排出，在孔口部位设置止浆塞，根据需要补浆，保证土钉锚固体质量。,（7）挂网采用6.5单排双向、间距200mm的钢筋网片，钢筋网片用插入土中的钢筋固定，与坡面间隙35cm，相邻网片搭接长度不小于300mm，钢筋网片通过加强筋与土钉连接成一个整体。,（8）喷射砼喷砼顺序一般“先锚后喷”，土质条件不好时采取“先喷后锚”，喷射作业时，空压机气压0.20.5MPa，喷头水压不应小于0.15MPa，喷射距离控制在0.61.0m，为保证喷射砼厚度达到规定值，在坡壁上垂直打入短钢筋作为厚度控制标志。砼的初凝时间和终凝时间分别控制在5min和10min左右，喷射厚度为80100mm。,变形观测,第一层完工后的图片,第二层施工上步注入土钉孔内的水泥浆和坡面的喷射混凝土强度达到70后开挖下步，当土体稳定性较好时开挖深度适当可以加深，不过不能超过两步，一般一步为1.5m。,先喷后锚施工法,现在土层浅基坑支护大部分均采用土钉墙支护，这种工艺不仅造价低，而且工艺简单，现场施工质量容易控制；以下是土层人工成孔土钉墙支护图片,另一个工程,先锚后喷法,机械成孔,the machine we use to install the grouted soil anchors and soil nails.,the machine we use to install the grouted soil anchors and soil nails.,Below is a picture of a major highway that is braced temporarily using sheetpile and grouted soil anchors,1INSTALLATION 2-CONSTRUCTING THE CAP3-CONSTRUCTING THE WALL,路堑边坡土钉墙防护,基坑支护 自上而下 边开挖边分段施工,三、土钉墙与锚杆挡土墙、加筋土挡土墙比较,土钉是一种原位加筋技术，即在土中敷设拉筋而使土体的力学性能得以改善的土工加固方法，它与锚杆、加筋土在形式上有一定的类似，但也有着本质的差异。,1土钉墙（soil nail wall）与锚杆（soil anchor）挡土墙的异同,土钉可视为小尺寸的被动式锚杆，两者的差异主要表现在以下几个方面：(1)土钉墙是由上而下边开挖边分段施工的，而锚杆挡土墙是自下而上整体施工的。(2)锚杆挡土墙应设法防止产生变位；而土钉一般要求土体产生小量位移，从而使土钉与土体之间的摩阻力得以充分发展。(3)锚杆只是在锚固段内受力，而自由段只起传力作用；土钉则是全长范围内受力。(4)锚杆的密度小，每个杆件都是重要的受力部件；而土钉密度大，靠土钉的相互作用形成复合整体，因而即使个别土钉失效，对整个结构物影响也不大。(5)锚杆挡土墙将库伦破裂面前的主动区作为荷载，通过锚杆传至破裂面后的稳定区内；土钉墙是在土钉的作用下把潜在破裂面前的主动区的复合土体视为具有自撑能力的稳定土体。(6)锚杆可承受的荷载较大，为防止墙面冲切破坏，其端部的构造较复杂；土钉一般不需要很大的承载力，单根土钉受荷较小，护面板结构较简单，利用喷射混凝土及小尺寸垫板即可满足要求。(7)锚杆长度一般较长，需用大型机械进行施工；土钉长度一般较短，直径较小，相对而言施工规模较小，所需机具也比较灵便。由上述可以看出，如果仅加固挖方边坡，则土钉墙是合适的；如果墙后土体和深部土体稳定性有问题时，则用锚杆挡墙比较合适。,2土钉墙与加筋土挡土墙的异同,土钉墙与加筋土墙均是通过土体的微小变形使拉筋受力而工作；通过土体与拉筋之间的粘粘、摩擦作用提供抗拔力，从而使加筋区的土体稳定，并承受其后的侧向土压力，起重力式挡土墙的作用。两者的主要差异有：(1)施工顺序不同，加筋土墙自下而上依次安装墙面板、铺设拉筋、回填压实逐层施工，而土钉墙则是随着边坡的开挖自上而下分级施工。(2)土钉用于原状土中的挖方工程，所以对土体的性质无法选择，也不能控制；而加筋土用于填方工程中，在一般情况下，对填土的类型是可以选择的，对填土的工程性质也是可以控制的。(3)加筋多用土工合成材料，直接同土接触而起作用；而土钉多用金属杆件，通过砂浆同土接触而起作用(有时采用直接打入钢筋或角钢到土中而起作用)。(4)设置形式不同，土钉垂直于潜在破裂面时将会较充分地发挥其抗剪强度，因而应尽可能地垂直于潜在破裂面设置；而加筋条一般水平设置。,四、土钉墙基本原理,土体的抗剪强度较低，抗拉强度几乎可以忽略。虽然土体具有一定的结构整体性，但是自然土坡只能在较小的高度(即临界高度)内直立，当边坡高度超过临界值或者在超载及其他因素(如含水量的变化)作用下将发生突发性整体破坏。为此常采用挡土结构承受其后的侧向土压力，限制其变形发展，防止土体整体稳定性破坏，这种措施属于常规的被动制约机制。土钉墙则是由在土体内设置一定长度和密度的土钉构成的，土钉与土共同作用，弥补土体自身强度的不足，为主动制约机制的支挡结构。因此以增强土体自身稳定性的主动制约机制为基础的复合土体，不仅有效地提高了土体整体刚度，又弥补了土体抗拉、抗剪强度低的弱点。通过相互作用，土体自身结构强度的潜力得到了充分发挥，改变了边坡变形和破坏形态，显著提高了整体稳定性。,直立土钉墙比素土边坡的承载力高，更为重要的是，土钉墙在荷载作用下不会发生素土边坡那样突发的整体性滑裂和塌落。它不仅延迟了塑性变形发展阶段，而且具有明显的渐进性变形和开裂破坏，在丧失承受更大荷载的能力时，仍可维持较长时间不会发生整体性塌滑。,土钉在复合土体内的作用可概括为四个方面：(1)箍束骨架作用；(2)分担作用；(3)应力传递与扩散作用；(4)坡面变形的约束作用。,五、土钉墙构造,土钉墙一般用于高度在15m以下的边坡开挖工程，常用高度为612m，斜面坡度一般为7090度。土钉墙采取自上而下分层修建的方式，分层开挖的最大高度取决于土体可以直立而不破坏的能力，砂性土为0.52.0m，粘性土可以适当增大一些。分层开挖高度一般与土钉竖向间距相同，常用1.5m。分层开挖的纵向长度，取决于土体维持不变形的最长时间和施工流程的相互衔接，多为10m左右。,(一)土钉,1土钉类型(1)钻孔注浆钉 这是最常用的一种类型，它是通过钻孔、置入钢筋、注浆、补浆来设置的。整个土钉体是由钢筋和外裹的水泥砂浆(有时用细石混凝土和水泥净浆，特殊情况下也可使用树脂等材料)组成。用作土钉的钢筋直径一般为2535mm，钻孔直径为75150mm。土钉钢筋与喷射混凝土护面板应连接牢固。(2)击入钉 把作为土钉的角钢、圆钢(常为螺纹钢筋)或钢管用振动冲击钻或液压锤直接击入土中，不需注浆，土钉长度一般不超过6m。(3)注浆击入钉用端部密封、周面带孔的钢管作为土钉，击人后从管内注浆并透过壁孔将浆体渗透到周围土体。(4)高压喷射注浆击入钉利用高频(约70Hz)冲击锤将具有中孔的土钉击入土中，同时以一定的压力(20MPa)将水泥浆从土钉端部的喷嘴射出，起润滑作用并渗入周围土体，提高土钉与土体的粘结力。(5)气动射击钉以高压气体为动力，作用于土钉的外部扩大端，直接将土钉射入土中。可以采用圆钢或钢管，直径为2538mm，长度为36m。,2土钉长度L 已建工程的土钉实际长度L均不超过土坡的垂直高度H。拉拔试验表明，对高度H小于12m的土坡采用相同的施工工艺，在同类土质条件下，当土钉长度达到土坡垂直高度时，再增加其长度对承载力无显著提高。初选土钉长度可按下式计算：,3土钉孔直径D及间距根据土钉直径和成孔方法选定土钉孔径D，一般取D=70200mm，常用的孔径为120150mm。选定行、列距的原则 以每个土钉注浆对其周围土的影响区与相邻孔的影响区相重叠为准。应力分析表明，一次压力注浆可使孔外4D的邻近范围内有应力变化。因此可按(612)D选土钉行、列距，且宜满足下式的要求：,4土钉材质和直径d 为增强土钉与砂浆(或细石混凝土)的握裹力，土钉宜选用II级以上的螺纹钢筋。,(二)护面板,护面板通常用50l00mm厚的钢筋网喷射混凝土做成，钢筋直径为68mm，网格尺寸为200300mm。喷射混凝土强度等级不应低于C20，与土钉连接处的混凝土层内应加设局部钢筋网以增加混凝土的局部承压能力。此外，为了分散土钉与喷射混凝土护面板处的应力，在螺帽下垫以承压钢板，尺寸一般为20cm20cm，厚度约为815mm，也可用预制混凝土板作为护面板。对于永久工程，喷射混凝土护面板的厚度不少于150250mm，分两次喷成。为了改善建筑外观，也可在第一次喷射混凝土的基础上现浇一层混凝土或铺上一层预制混凝土板。,五、土钉墙内部稳定性分析,根据土力学中边坡稳定分析的基本概念，边坡分为主动区和被动区，土钉的作用是将主动区产生的拉力传递到被动区，增加滑动面上的压应力，提高土的抗剪强度，达到抵抗主动区滑动、稳定边坡的目的。因此，土钉墙内部稳定分析时应计人土钉的作用。,国内两种内部稳定性分析方法,0.3H折线破裂面法和圆弧破裂面条分法。(一)0.3H折线破裂面法 以土钉墙原位破裂面实测结果为基础，如图所示，将破裂面简化为右图所示的0.3H折线破裂面与加筋土挡土墙应力分析法采用的简化破裂面相似。,1土压力计算土压力系数介于静止、主动土压力系数之间,2抗拉稳定性验算,3 抗拉稳定性验算,抗拔稳定性是指在护面板土压力作用下，土钉内部潜在破裂面后的有效锚固段应有够的界面摩阻力而不被拔出，抗拔稳定性为：Kfi=Si/Ei,六、土钉墙外部稳定性分析,第三节 桩板式挡土墙,