深基坑土钉墙支护结构分析探讨

摘要：本文根据《建筑基坑支护技术规程》（TGJ120-99）中有关土钉墙设计的规定，按程序列出了土钉墙的计算公式，并与目前常用的简化法，通过实例进行了对比，探讨了两种方法的异同、适用范围及存在的问题，供有关方面参考。

关键词：建筑基坑土钉墙土体潜在破裂面、破裂角，土钉墙稳定性校核

Abstract: according to the" technical code for building foundation pit shoring" ( TGJ120-99 ) on soil nailing wall design rules, according to the procedures set out in the calculation formula of soil nailing wall, and with the current commonly used method, through the examples were compared, and discusses two kinds of methods between, the applicable scope and the existing problems, for reference.

Key words: building excavation, soil nailing wall, soil potential rupture surface, the angle of rupture, soil nailing wall stability check

中图分类号：TU3 文献标识码：A文章编号：

1.概述：

深基坑土钉墙支护是通过压力注浆技术逐层钻孔用土钉（混凝土内置变形钢筋）沿全长锚固于原位土体中，并逐层挂钢筋网，喷射砼护墙，从而形成护墙、土钉群、原位土复合体的一种深基坑支挡结构，由于其造价低（约为排桩，地下连墙的30%-50%），施工速度快，所需场地小节能降耗效果显著，因而在深基坑支护中，应用越来越广泛。

本文通过实例分析，介绍深基坑支护结构按（TGJ120-99）“规程”分析方法和王步云教授提出的简化分析方法，并探讨两种方法的异同及应用范围。由于沿途边坡的复杂性，对于土钉墙的破坏分析，目前尚无工程界普遍认同的方法。我国行业标准《建筑基坑支护技术规程》（TGJ120-99）中假定的土钉墙潜在破裂面为楔形滑裂面，利用重力式挡墙背后的土体楔形破坏特点，土压力按三角形分布，滑裂面的倾角为（45°+φ/2），由静力平衡关系及力矩极限平衡关系导出土钉墙的有关计算公式；王步云法则是根据试验及实测资料，认为土钉墙的土压力应按矩形或梯形分布，由于土钉的存在，限制了支护结构的水平位移，使支护结构的原位土体形成土拱，使上部土重不能全部传至尾部，导致土压力及破裂面不能按三角形分布，而是按矩形或梯形分布，从而导出了有关的经验公式。

“规程”系按极限状态分析计算，为符合目前有关设计资料，在与“简化法”对比时，采用了总安全系数的表示方法。

2、 两种计算方法的介绍：

2.1按“规程”计算法

2.1.1土钉墙潜在破裂面及土压力分布见图1.2

2.1.2土钉墙水平荷载标准值按下式计算：

……………………（2.1-1）

式中：

……………………（2.1-2）

γmi――深度Zi以上的土的加权平均天然重量

Zi――i层土钉通过潜在破裂面处至地面的高度

qo――基坑外侧附加竖向应力标准值

Cik――第i层土粘聚力标准值

……………………（2.1-3）

――第i层土的内摩擦角标准值

Kai――主动土压力按（2.1-3）式计算

αi――第i层土钉与水平面的夹角

2.1.3单根土钉承载力按下式计算：

•第i根土钉受拉荷载标准值，按下式计算：

…………………………（2.1-4）

•第i根土钉抗拉承载力设计值，按下式计算：

……………………………（2.1-5）

且 ……………………………（2.1-6）

•第i根土钉钉材抗拉断承载力，按下式计算：

Ti= •π•db2•fy•cosαi…………………………（2.1-7）

且 ………………………………………（2.1-8）

以上各式中：

ζ――荷载折减系数按下式计算：

………………………（2.1-9）

――土钉墙坡面与水平面夹角

――土钉抗拉分项系数取1.3

――第i根土钉锚固体直径

――第i层土的抗剪强度按下式计算

………………………（2.1-10）

――第i根土钉潜在破裂面处锚固长度

――第i根土钉埋置深度，取该土钉与破裂面交点处至地面的距离

――土钉水平与竖向间距

――土钉与水平面的夹角

――结构重要性系数

2.1.4土钉长度按下式计算：

•潜在破裂面内锚固长度：

………………………（2.1-11）

•潜在破裂面外锚固长度：

……………………（2.1-12）

•土钉长度： ………………………………（2.1-12’）

2.1.5土钉钉材直径按下式计算：

…………………………………（2.1-13）

…………………………………（2.1-14）

式中：

fy――土钉钉材强度计算值

db――土钉钉材直径

2.1.6土钉墙稳定性校核：

•土钉抗拉断安全系数按下式计算：

………………………………（2.1-15）

•土钉抗拔出安全系数按下式计算：

………………………………（2.1-16）

•土钉墙抗滑移安全系数按下式计算：

…………………………（2.1-17）

•土钉墙抗倾覆安全系数按下式计算：

………………………………（2.1-18）

•土钉墙沿潜在破裂面稳定按下式计算：

…………………………………（2.1-19）

•每层土临界开挖高度按下式计算：

…………………………………（2.1-20）

……………………………………（2.1-21）

•每层土工作面开挖抗坍塌稳定用下式计算：

……………………（2.1-22）

…………………………………（2.1-23）

以上各式中：

――第i土的粘聚力

――第i土的内摩擦角

――分条（块）的潜在破裂面长度

――分条（块）的重度

――破裂面与水平面的夹角

――第i层土以上水平土压力的合力,取

……………………………（2.1-24）

=地下水渗流作用参数，地下水位以上时取：

=…………………………(2.1-25)

――每层土潜在破裂角

――每层土临界开挖高度

――土钉抗拔能力,取 或 中较小者

――土钉排数

――土钉墙计算宽度一般取土钉长度平均值的0.8倍

2.1.7土钉墙地基承载力验算：

•土钉墙基底合力偏心距用下式计算：

…………………………(2.1-26)

•土钉墙地基承载力下式计算：

当 时

…………………………(2.1-27)

当 时

…………………………(2.1-28)

以上式中：

――作用于土钉墙基础上的总垂直力

――稳定力系对墙趾的总力矩

――倾覆力系对墙趾的总力矩

――地基允许承载力

2.2 简化法（亦称王步云法）

2.2.1该法假定潜在破裂面为双折线，即上为直线，下为斜线，如图3，而土压力假定为梯形分布，即上为斜线下为直线，如图4。

其计算方法如下：

土压力计算：

当 时

…………………………(2.2-1)*

当 时

…………………………(2.2-2)*

式中：…………………………(2.2-3)

――静止土压力

…………………………(2.2-4)

――主重力土压力

…………………………(2.2-5)

――土体重度

――第i层土钉作用点至坡顶的距离

――第i层土内摩擦角

――第i层土粘聚力

――坡顶施工荷载

*括号内各项为笔者补加

•土钉墙潜在破裂面计算：

当 时， ……………………(2.2-6)

当 时，

……………………(2.2-7)

式中：

――破裂面宽度

――土钉墙坡角

――土钉与水平面的夹角

――潜在破裂面与土钉相交处至坡顶的距离

2.2.2 土钉几何尺寸设计

土钉结构尺寸由经验公式确定

•土钉长度计算按下式：

……………………(2.2-8)

•土钉间距按下式计算：

……………………(2.2-9)

式中：

――土钉行距及列距

――土钉孔直径，由施工钻机确定一般取90～200mm

――注浆系数，一次压力注浆取

•土钉钉材直径按下式估算：

……………………(2.2-10)

•单根土钉受拉荷载按下式计算：

……………………(2.2-11)

式中：

――第i根土钉所在位置面层后的图压力强度。

•土钉有效锚固长度按下式计算：

……………………(2.2-12)

式中：

――土钉有效锚固长度（破裂面外长度）

――第i层土抗剪强度，按下式计算

……………………(2.2-13)

式中：

――经验系数一般取 0.7～1.2

2.2.3 土钉强度计算：

•单根土钉抗拉承载力计算：

……………………(2.2-14)

•单根土钉钉材抗拉断承载力计算：

……………………(2.2-15)

2.2.4 图钉墙抗拉抗拔安全复核计算：

•土钉钉材抗拉断复核用下式计算：

……………………(2.2-16)

•土钉抗拔出复核用下式计算：

……………………(2.2-17)

其他倾覆稳定等复核同“规程”公式，略。

3．深基坑土钉墙支护实例分析：

某高层建筑，地下2层，基坑挖掘深度：-11米。基坑侧壁安全系数为二级，你用图钉墙作基坑壁支护，试用“规程”法及“简化法”进行结构分析。

3.1 基坑计算基本参数：

基坑深度：-11.00(m) 地下水深度：-13.00(m)

基坑侧壁重要系数:1.0（二级）土钉荷载分项系数：1.25

土钉抗拔出安全系数:1.30 土钉抗拉断安全系数：1.30

土钉墙抗滑物安全系数:1.30 土钉墙抗倾覆安全系数:1.50

土钉墙沿潜在破裂安全系数：1.30～1.1

4.结束语:

4.1 “规程”法及“简化法”(王步云法)都属于简化计算方法,都是先假设潜在破裂面形式后用静力平衡关系进行分析。

4.2 “规程”法是借用重力式的挡墙的“楔形破坏假定”而确定的土压力强度及破裂面形式,土压力按三角形分布;破裂面倾角取 或{ };而王步云法则假定破裂面为矩形或梯形分布,土压力到一定深度后不随基坑深度的增加而增加。

4.3 用“规程”法分析有一定的安全度，适用于12m左右的基坑支护；当基坑较深时，底部土钉长度及钉材直径计算结果偏大，宜进行适当修正。

4.4 王步云法考虑了土钉墙的实际受力情况与实际受力吻合。当考虑土层的粘聚力及基坑较深时，计算结果偏小；对有设计经验的设计着用于初步设计是一种简单便捷的分析方法。

4.5 两种方法]都编制了计算程序。当用计算机软件计算时，宜按“规程”法对计算结果进行分析、判断、确认无误后方可用于工程设计。

参考资料：

1.《建筑基坑支护技术规程》，（JGJ120-99）

2.《新型支挡结构设计与工程实例》李海光等编著。

3.《深基坑工程土压力计算方法研究》《建筑结构》第34卷第12期。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。