土钉抗拔承载力经验验算方法.docx

1、土钉抗拔承载力经验验算方法土钉抗拔承载力经验验算方法第27卷第2期2010年6月建筑科学与工程JournalofArchitectureandCivilEngineeringVo1.27NO.2June2010文章编号:16732049(2010)02一O01807O土钉抗拔承载力经验验算方法杨敏,刘斌.(1.同济大学地下建筑与工程系,上海200092;2.同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室,上海200092)摘要:通过对北京,广州等地区个工程实测的土钉最大轴力值和土钉最大轴力值位置的分析,提出了土钉抗拔承载力的经验验算方法,并采用梯形土压力分布模式和双折线潜在滑裂面分别计算土钉墙,预应力

2、锚索加土钉复合支护及搅拌桩(微型桩)加土钉复合支护的土钉抗拔承载力.结合工程算例,将该方法与中国建筑基坑支护技术规程(JGJl2O一99)和基坑土钉支护技术规程(CECS96:97)方法进行了比较.结果表明:采用该方法进行土钉抗拔承载力验算可以满足工程设计要求,为进一步开展复合土钉墙设计方法的研究提供了依据.关键词:基坑;复合土钉墙;土钉抗拔承载力;预应力锚索;搅拌桩中图分类号:TU431文献标志码:AEmpiricalCheckingMethodforSoil(1.DepartmentGeotechnica1andNailingAntipullingCapacityYANGMin.LIUBi

3、n,ofGeotechnicalEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China;2.KeyLaboratoryofUndergroundEngineeringofMinistryofEducation,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)Abstract:BasedOntheanalysisonthemeasuredvalueand2ocationofthemaximumaxiajforceofsoilnailingaccordingtothe11engineeringtestslocatedinBei

4、jing,Guangzhouandotherareas,anempiricalcheckingmethodforsoilnailingantipullingcapacitywasproposed,whichincludedthesoilpressureoftrapezoidaldistributionandthepotentialslipsurfaceofbilinear1ines.Thepresentmethodwascalculatedforsoilnailing,theprestressedanchorplussoilnailingcompositeretainingandthemixi

5、ngpile(micropile)plussoilnailingcompositeretaining.Combiningwiththeengineeringexamples,theproposedmethodwascomparedwiththemethodsofChineseTechnicalSpecificationforRetainingandProtectionofBuildingFoundationExcavations(JGJ12O一99)andTechnicalSpecificationforSoilNailinginFoundationExcavations(CECS96:97)

6、.Resultsshowthatthismethodcanmeetthedesignrequirementofsoilnailingantipullingcapacity,andcanofferreferencesforfurtherresearchonthedesignmethodsofcompositesoilnailingwails.Keywords:foundationexcavation;compositesoilnailingwall;soilnailingantipullingcapacity;prestressedanchor;mixingpile引言土钉墙是一种在原位土体中设

7、置土钉且在其表面喷射混凝土面层,借助土钉摩擦加筋,注浆加固和面层维护的作用以稳定边坡的支护技术.土钉墙施工简便,经济可靠,从2O世纪7O年代开始应用并得收稿日期:201003一O4基金项目:国家自然科学基金项目(40972179)作者简介:杨ft(1960一),男,江西南昌人,教授,博士研究生导师,工学博士,Email:yangmin.第2期杨敏,等:土钉抗拔承载力经验验算方法19到迅速发展l1J.为有效控制土钉墙变形,拓展土钉墙的适用范围和支护深度,实践中依据具体工程条件将土钉与搅拌桩,微型桩,预应力锚杆等进行组合,发展形成了复合土钉墙技术.依据中国建筑基坑支护技术规程(JGJ12O99)E

8、83和基坑土钉支护技术规程(CECS96:97)Eg,土钉墙设计计算内容主要包括:土钉承载力验算,土钉墙稳定性验算和喷射混凝土面层的设计计算,其中喷射混凝土面层按构造要求一般可以满足,土钉墙抗滑移和抗倾覆稳定性均可采用重力式挡墙设计方法进行验算,而土钉抗弯和抗剪承载力只有在土钉墙整体失稳时才能得到充分发挥,此外,关于土钉墙和复合土钉墙变形计算也是研究的焦点,因此,土钉抗拔承载力,土钉墙和复合土钉墙的整体稳定性以及变形计算构成了土钉墙设计当中的3个关键内容.本文中笔者仅对其中的土钉抗拔承载力验算方法进行分析.土钉抗拔承载力验算的目的在于保证土钉杆体的抗拉强度和粘结强度,合理确定土钉的分布间距,长

9、度等设计参数,计算公式为NKN要求单根土钉i的抗拔承载力N与受拉荷载N的比值满足设计安全系数K.土钉的抗拔承载力N取土钉杆体抗拉力和有效粘聚力的较小值,土钉杆体抗拉力根据杆材抗拉强度计算,土钉的有效粘聚力由位于潜在滑裂面后的土钉有效抗拉长度以及土钉与土层间的粘结强度计算.土钉受拉荷载N为土钉在边坡荷载作用下所承受的轴向拉力,采用土压力作用模式来计算,因此,确定土压力分布模式和潜在滑裂面位置成为研究的重点.目前,在土钉墙设计中,普遍应用的土压力分布模式主要是根据经典土压力理论和工程实测结果来确定的,实测结果可以依据土钉墙面层压力值或土钉轴力值口,具体应用的土压力分布模式有三角形和梯形等分布模式口

10、,潜在滑裂面依据试验和理论分析采用直线或双折线等滑裂面.对于复合土钉墙,土钉抗拔承载力验算方法沿用了土钉墙的设计方法,关于复合土钉墙的土压力分布模式和潜在滑裂面的研究甚少L1.本文中笔者以11个工程实测的土钉最大轴力值以及土钉最大轴力值位置为依据,对土钉墙以及2类复合土钉墙,即预应力锚索加土钉复合支护与搅拌桩(微型桩)加土钉复合支护的土压力分布模式和潜在滑裂面位置进行了分析,提出了土钉抗拔承载力验算的经验方法,其中采用了梯形土压力分布模式和双折线潜在滑裂面,最后通过实例计算对本文方法进行了验证.1工程实测资料土钉墙及复合土钉墙的工程实例概况如表1所示,表1中所列工程主要位于北京和广州地区,共包

11、括4个土钉墙工程,3个预应力锚索加土钉复合支护工程和4个搅拌桩(微型桩)加土钉复合支护工程.表1工程实例Tab.1EngineeringExamples土钉墙与复合土钉墙支护参数实例工程名称基坑开挖土钉锚索搅拌桩微型桩放坡c?(yH)最大侧编号深度/iql移/mm排数长度/m排数长度/m桩长/m桩长/i71系数l深圳赛格群星广场z?11.701O6.012.010.3O0.102102北京林达嘉园2212.5186.811.81:0.20O.O68173北京冠华大厦【.14.O075.81.81:0.300.0l54珠江新城E2区商住楼9.2066.012.0i0.i50.143265深圳假日

12、广场2516.351O6.012.0211.013.01:0.2O0.076736北京朝外SOHO.jl4.6076.ol2.o217.S18.51:o.1o0.O347北京熊猫环岛地铁站Ez716.711O12.013.52l6.022.01:0.500.0458南京玄武湖隧道zs10.00915.018.018直立0.046209广州番禺某酒店5.5048.024.0169.O直立0.129431O汉口某城市花园.o8.00312.01212.0直立0.O931311北京某商业楼38.2O57.09.09.51:0.2O0.10418注,y分别为基坑开挖深度H范围内的土体粘聚力和重度,按土

13、层厚度取加权平均值.对于土钉实测轴力值,本文中以朗肯主动土压力,对土钉轴力值进行量纲为1的计算,采用土压力力计算公式为依据,参考文献E13并考虑土体粘聚作用模式参数K来表示,即20建筑科学与工程2010血K一(1)(),HK一2c/K)ShS式中:Tm为实测土钉最大轴力;a为土钉与水平方向的夹角;K为主动土压力系数,K一tan(45.+舻/2);s,s分别为土钉的水平向和竖直向的间距;为土体内摩擦角,取基坑深度范围内按土层厚度计算的加权平均值.土钉最大轴力值位置用参数Ks来表示,即CKs一k)max(2)J式中:S为土钉最大轴力值位置距土钉墙坡面的水平方向距离.根据式(1),(2)对表1所列工

14、程进行计算,结果如图l3所示,其中离散点表示计算值,两虚线之间为分布趋势,即土钉最大轴力值沿深度呈梯形分布模式,最大轴力值位置为双折线模式,为土钉距地表的距离.K.00毫H00l0T000l(a)土钉最大轴力值(b)土钉最大轴力值位置图1土钉墙支护的实测结果Fig.1MeasuredResultsofSoilNailingWallRetaining2验算方法根据上述分析,结合现有文献3,8,9,13和实例验算,在土钉抗拔承载力验算中,建议采用梯形土压力作用模式和双折线潜在滑裂面,如图4,5所示,K,K为双折线潜在滑裂面参数,土钉墙取Kc一0.65,K一0.5,K一0.3;预应力锚索加土钉复合支

15、护取K一o.4,K一0.4,K一0.2;00h001(a)土钉最大轴力值fb)土钉最大轴力值位置图2预应力锚索加土钉复合支护的实测结果Fig.2MeasuredResultsofPrestressedAnchorPlusSoilNailingCompositeRetaining00N00100毫0Ol(a)土钉最大轴力值s(b)_:钉最大轴力值位置图3搅拌桩(微型桩)加土钉复合支护的实测结果Fig.3MeasuredResultsofMixingPile(Micro-pile)PlusSoilNailingCompositeRetaining搅拌桩(微型桩)加土钉复合支护取K一0.6,K=:0

16、.6,K一0.4;当地表作用均布超载g时,超载q按照规程CECS96:97方法考虑.另外,根据土层条件和设计要求,K值可以适当降低,但土钉墙不宜小于0.3,预应力锚索加土钉复合支护不宜小于0.2,搅拌桩(微型桩)加土钉复合支护不宜小于0.3.一/卞一佻/一实实实.L.外.工.一一.;一删删刘删一)(:6I一_If.Lr.L.一./一_实实实实一_一.一-/一21234l一一一佻一.一如如郏/一-/第2期杨敏,等:土钉抗拔承载力经验验算方法21(a)土钉墙,Kc=0.65c;(c)搅拌桩(微型桩)加(d)地表均布超载土钉复合支护,K20.6图4土压力分布模式Fig.4DistributionPa

17、tternsofSoilPressures卜图5双折线潜在滑裂面Fig.5PotentialSlipSurfaceofBilinearLines3算例分析算例1:广东深圳赛格群星广场的土钉墙支护处的基坑挖深l1.7m,放坡系数1:0.3,土层至上而下为:素填土厚0.2-1.2m,砾质粉质粘土厚6.64O.3m;采用q025钢筋注浆土钉,倾角15.,间距1.2m1.2m;喷射100mm厚C2o混凝土面层,配双向钢筋网6250250,根据现场抗拔试验结果取土钉与土体间粘结强度为52kPa.考虑地表作用均布超载20kPa,土体参数取按土层厚度的加权平均值,即y一18.53kN,一24.02.,c一2

18、2.13kPa,分别采用规程JGJ12O99方法,规程CECS96:97方法和本文方法进行计算.由表2可见,对于该算例,本文方法所得的土钉抗拔承载力N值较其他2种方法所得结果要小,3种方法计算所得土钉受拉荷载N与实测值N之间都存在较大差别,对于本文方法,究其原因除了出于设计安全考虑地表超载外,K的取值也是按偏保守的情况考虑,当不考虑超载且取K一0.6时,土钉3,5,7,9的受拉荷载计算值分别为53.62,56.O1,56.01,56.01kN,与实测值更为接近.对安全系数K值进行比较,规程JGJ12O一99与规程CECS96:97方法计算结果偏大,本文方法计算结果较符合工程实际.算例2:广东广

19、州凯华城的预应力锚索加土钉复合支护处的基坑挖深12m,放坡系数1:0.2,土层至上而下为:杂填土厚2.3m,粉质粘土厚4.4m,粉土厚5.8m,全风化粗砂岩化3.9m.共设置9排土钉且第2排和第4排水平间隔设置预应力锚索,土钉为22钢筋注浆土钉,倾角15.,间距1.3m1.3m,2.3m深处采用23的锚索,长度为22m,施加预应力200kN;4.9m深处采用474的锚索,长度为25m,施加预应力380kN.考虑地表作用均布超载20kPa,土体参数按土层厚度取加权表2算例1的计算结果Tab.2CalculatedResultsofExample1规程JGJ12O99方法规程CECS96:97方法

20、本文方法土钉长度/nl深度/m,vk/kN编号N/kNNb/kNKN/kNNh/kNKN/kNNk/kNK16O.48.3512.8241.1721.131.956.4419.120.33281.650.557.2779.8853.541.4939.1145.760.853122.830.91125.411.5779.8O151.2681.8O1.8O104.4668.701.524l24.0134.9410.28l3.10l57.3O87.471.68104.4673.251.4251l5.239.19128.1219.106.70147.OO87.471.6888.0173.251.2O6

21、1l6.4137.6427.9l4.93l53.0487.471.6888.0l73.251.2O7107.654.1213O.8336.733.56142.7487.471.6374.6273.251.O28108.8140.3545.543.O8148.7787.471.6887.1973.251.199810.053.92117.2O54.352.16122.1487471.4067.1173.250.92lO811.2126.7257.9O2.19128.1780.181.6079.5267.141.18注:N为按土钉有效粘聚力计算的结果,按土钉杆体抗拉力计算得147kN;安全系数K取

22、两者较小值计算.帼装=U复丁22建筑科学与3-程2010血平均值,即y一18.63kN,17.02.,f一22.50kPa,分别采用规程JGJl2O一99,规程CECS96:97方法和本文方法进行计算.由表3可见,本文方法计算所得安全系数K较规程JGJ12099和规程CECS96:97方法更符合工程实际.算例3:上海东方肝胆外科医院病房的副搅拌桩加土钉复合支护处的基坑挖深7m,土层至上而下为:杂填土厚1.85m,褐黄色粘质粉土厚0.95m,粘质粉土厚1.85m,灰色砂质粉土厚14.4m,灰色粘土厚1.8m,灰色粉质粘土厚3.9m.共设置6排6排采用483.5钢管注浆土钉,土钉倾角15排为10.

23、,第6排为20.,问距1.0rn1.0m;设置双排水泥土搅拌桩形成止水帷幕,搅拌桩宽1.2m,深14.9m.考虑地表作用均布超载20kPa,土体参数按土层厚度取加权平均值,即y一18.35kN,一23.72.,C一6.11kPa,分别采用规程JGJ12099方法,规程CECS96:97方法和本文方法进行计算.由表4可见,本文方法计算所得的安全系数K较规程JGJ12o一99和规程CECS96:97方法计算结果要保守,但实测局部最大水平位移达到65mm,故土钉,14排采用D22钢筋注浆土钉,第5排和第结合变形值分析,本文方法更为合理.表3算例2的计算结果Tab.3CalculatedResults

24、ofExample2土钉规程GJ12099方法规程CECS96:97方法本文方法长度/m深度/m编号N/kNNk2/kNKN/kNNk/kNKN/kNNk/kNK1151.o140.4o一23.79l6l_2465.381.74167.9974.631.532122.3102.951.4869.60122.14l09.381.04ll8.9881.441.40163.618O.7719.3】5.90197.39136.840.83184.3381.441.403123.6115.4219.315.90132.04136.840.83118.9881.441.404l24.9127.9037.1

25、43.07141.95136.840.83118.9881.441.40146.2l73.O554.972.O7184.52136.840.83151.6681.441.40586.275.0354.971.3686.5O136.840.6353.6481.440.6661O7.512O.1872.8O1.56l29.O8136.840.8386.3181.441.06788.899.9890.631.10106.31136.840.7864.5081.440.798810.1112.461O8.461.04l16.22136.840.8378.3781.440.969611.492.26l2

26、l_430.7693.45l31.570.7159.6O49.571.2O注:N按土钉杆体抗拉力计算得114kN.表4算例3的计算结果Tab.4CalculatedResultsofExample3土钉规程GJi2099方法规程CECS96:97方法本文方法长度/m深度/1711编号N/kNNkJ/kNKN/kNN/kNKN/kNNk2/kNK1121.582.28l6.954.8582.2851.651.5972.9049.361.482l22.587.882O,414,3】87.8839.232.2472.9037.】51.96393.586.9528.353.O786.9539.232.

27、2259.5037.151.60494.594.4236.292.6094.4239.232.4159.5037.151.6O565.564.1944.241.4564.1939.231.6430.6732.590.94666.571.8754.681.3171.8741.1l1.7542.2617.602.40注:N按土钉杆体抗拉力计算得钢筋和钢管的抗拉力分别为114,105kN.4结语基于对北京,广州等地区的】1个工程实测资料的土钉最大轴力值和土钉最大轴力值位置的分析,提出了土钉抗拔承载力的经验验算方法,其中采用的梯形土压力分布模式和双折线潜在滑裂面,适用于土钉墙,预应力锚索加土钉复合支护

28、及搅拌桩(微型桩)加土钉复合支护,并结合工程算例与规程JGJ12099和规程CECS96:97法进行了比较,验证了本文方法的合理性,可以满足工程设计要求.参考文献:References:1SCHIOSSERF,UNTERREINERP,PLUMELLEC.FrenchResearchProgramClouterreonSoilNailingC/ASCE.GeotechnicalSpecialPublicationNo.30.NewYork:ASCE.1992:739750.第2期杨敏,等:土钉抗拨承载力经验验算方法23234567891O111,12ST0CKERMF,RIEDINGERG.T

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