土钉墙基坑支护设计

《深基坑工程支护设计》

—基坑土钉支护

四川建院土木系地质教研室

二0一四年六月

目录

1.土钉墙支护设计理论

2.基坑土钉墙支护设计任务书

3.基坑土钉墙支护设计指导书

4.本次设计的相关资料

1．土钉墙支护设计理论

1.1概述

1.1.1 基坑支护的作用

基坑开挖后,形成临空面,在基坑土体自身重量、地表荷载、地下水渗透作用下，可能产生破坏或过大变形，危及基础施工或周围建筑物的安全，因此，须对基坑侧壁采取一定的措施进行支护。

1.1.2 土钉墙及土钉的定义、支护原理

土钉墙：由土钉、被加固的土体、面层组成的支护结构。土钉墙支护在某些施工企业也称为喷锚支护。其组成如图1.1.2-1所示：

图1.1.2-1 土钉墙剖面示意图

土钉：用来加固、锚固现场原位土体的细长杆件。通常采用土中钻孔，置入变形钢筋，并沿孔全长注浆的方法做成。土钉依靠与土体之间的界面粘结力或摩擦力，在土体发生变形的条件下被动受力，并主要承受拉力作用。土钉也可用钢管、角钢直接击入土中,并全长注浆的方法做成。

面层：在土钉端部沿水平方向及竖向焊接加强钢筋，在加强钢筋上焊接分布钢筋，再喷射混凝土制作而成。

加固原理：基坑临空面形成后，侧壁土体有向临空面位移的趋势，及沿某一潜在破坏面破坏的趋势，置入土钉后，土钉承受了由周围土体及面层传递过来的土压力，把土压力传递至稳定的土层中去，从而阻止了侧壁土体向基坑方向的位移；土钉加固土体使土体强度提高，并由于土钉的拉力，使潜在破坏面上的法向应力增大，因而摩擦力增大，阻止基坑侧壁沿某一潜在破坏面破坏。

1.1.3 土钉墙的适用条件

1．基坑侧壁安全等级宜为二、三级的非软土场地（基坑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（见图1.1.3-1），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48~150m，管壁上应设

置出浆孔。小直径的钢管可分段在不同挖深处用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。

图1.1.3-1 超前设置微形桩的土钉支护

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。

1.1.4 与锚杆支护相比，土钉与土钉墙支护的特点

1．土钉的作用之一是加固周围土体，使周围土体的强度增加，保证其稳定性，并和被加固的土体一起作为挡土结构，支护基坑。锚杆常与桩、墙联合使用，作为桩墙等挡土结构的支点，与桩墙一起作为支护结构，此时，锚杆周围的土体不再为支护结构的一部分。

2．土钉在基坑侧壁上的排列较密，锚杆的排列间距较大。

3．土钉在土体发生变形后才被动受拉，土钉对土体的约束需要土体变形作为补偿，锚杆一般在设置时预加拉应力，给土体以主动约束。

4．土钉沿孔全长注浆、锚杆应考虑自由段e长度不应小于5m。

1.1.5 土钉及土钉墙的受力状态和破坏形式

1．土钉墙在自身重量等荷载作用下,可能沿内部或外部破裂面产生整体破坏，如图1.1.4-1所示。

图1.1.4-1 土钉墙沿内部或外部破裂面

2．土钉墙沿墙底产生滑移，或沿墙趾产生倾覆。

3．单根土钉在拉力作用下被拔出。土体在自身重量等荷载作用下,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，有向基坑方向拔出的驱势；同时破裂面以外稳定土体与土钉的粘结力对土

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。

1.2 土钉墙的构造要求

1．土钉墙墙面坡度不宜大于1:0.1；

2．土钉和面层必须有效连接，应设置承压板或加强钢筋等构造措施,承压板或加强钢筋应与土钉螺栓连接或钢筋焊接连接；

3．土钉的长度宜为开挖深度的0.5～1.2倍，间距宜为1～2m,与水平面夹角宜为5ο～20ο；

4．土钉钢筋宜采用HPB235、HRB335级钢筋，钢筋直径宜为16～32mm,钻孔直径宜为70～120mm；

5．注浆材料宜为水泥浆或水泥砂浆，其强度等级不低于M10；

6．喷射混凝土面层宜配置钢筋网，钢筋直径宜为6～10mm，间距宜为150～300mm；喷射混凝土强度等级不宜低于C20，厚度不宜小于80mm；

7．坡面上下段钢筋搭接长度应大于300mm；

8．排水系统参照如下规定：

基坑四周支护范围内的地表应加修整，构筑排水沟和水泥砂浆或混凝土地面，防止地表降水向地下渗透，靠近基坑坡顶宽2~4m的地面应适当垫高，并且里高外低，便于径流远离边坡。

为了排除积聚在基坑内的渗水和雨水，应在坑底设置排水沟及集水坑。排水沟应离开边壁0.5~1m，排水沟及集水坑宜用砖砌并用砂浆抹面以防止渗漏，坑中积水应及时抽出。

在支护面层背部应插入长度为400~600mm ，直径不小于40mm水平排水管，其外端伸出支护面层，间距可为1.5~2m ，以便将喷射混凝土面层后积水排出。

1.3设计

1.3.1一般规定

1．根据构造要求和工程经验，初选支护各部件的尺寸和材料参数；

2．进行计算分析，主要有：

(1)土钉的设计计算(抗拉承载力验算、土钉长度验算等)；

(2)支护的内部整体稳定性分析与外部整体稳定性分析；

(3)喷射混凝土面层的设计计算及土钉与面层的连接计算。

通过上述计算对各部件的初选参数做出修改，给出施工图。

3．根据施工过程中的量测监控数据和发现的问题，进行反馈设计。

1.3.2单根土钉抗拉承载力计算

1.3.

2.1土钉的设计计算遵循下列原则：

1．只考虑土钉的受拉作用；

2．土钉的设计内力按1.3.3.2条规定的侧压力图形算出；

3．土钉的尺寸应满足设计内力(受拉荷载)的要求，同时还应满足支护内部整体稳定性的要求。

1.3.

2.2土钉设计内力N(受拉荷载)计算

每一个土钉所受的最大拉力或设计内力：

h v S pS N θ

cos 1

=

其中： θ：土钉的倾角；

v S ：计算土钉在水平方向与相邻土钉中点的间距。 h S ：计算土钉在竖直方向与相邻土钉中点的间距。

p ：土钉长度中点所处深度位置上的侧压力，q p p p +=1；

1p ：土钉长度中点所处深度位置上由支护土体自重引起的侧压力，据图1.3.2.2-1求出。

q p ：地表均布荷载引起的侧压力。

1p 及q p 沿基坑深度分布图如下：

图1.3.2.2-1 1p 及q p 沿基坑深度分布图

m p ：基坑深度方向土体自重产生的侧压力p 1的最大值，其求解方法如下：

对于H c γ≤0.05的砂土和粉土：

H K P a m γ55.0=

对于H c γ>0.05的一般粘性土：

H k H Ka

rH c k p a a m γγ55.0)21(≤-

=

粘性土m p 的取值应不小于0.2H γ。 图中地表均布荷载引起的侧压力取为：

q k p a q =

其中：q ：地表荷载，最小取为15KPa ；)2

45(tan 2?

-

=οa K ；γ为土的重度，H 为基坑深度；上式中的?、γ和c 值可取各层土按其厚度加权的平均值求出。

1.3.

2.3土钉设计内力验算

各层土钉的设计内力应满足：yk d s f d N F 4

1

.12

,π≤

其中： d s F ,：土钉的局部稳定性安全系数，取1.2~1.4，基坑深度较大时，取大值；

N ：土钉设计内力；

d ：土钉钢筋直径；

yk f ：钢筋抗拉强度标准值，按《混凝土结构设计规范》（GBJ10-89）取用。

各层土钉极限抗拉承载力R 需满足：R l d N F i i d s =≤∑20,τπ

图1.3.2.3-1 支护内潜在破裂面

其中：i l 2：土钉在破坏面以外稳定土体第i 层土中的长度；0d ：土钉孔径；τ：土钉与土体之间的界面粘结强度，按表1.3.2.4-1选取。

表1.3.2.4-1界面粘结强度标准值

土类 粘性土 砂土 素填土

状态 软塑 可塑 硬塑 坚塑 松散 稍密 中密 密实 τ（kpa ）

15～30

30～50

50～70

70～90

70～90

90～120

120～160

160～200

30～60

1.3.

2.4各层土钉长度验算

各层土钉的长度l 应满足下列条件： τ

π0,1d N

F l l d s +≥

1.3.3土钉支护的整体稳定性分析

土钉支护的内部整体稳定性分析是指边坡土体中可能出现的破坏面发生在支护内部并穿过全部或部分土钉。破坏模式如图1.3.3-1所示，破坏面为一圆弧面，并考虑土钉的拉力，采用普通圆弧条分法对支护作整体稳定性分析。

图1.3.3-1 内部整体稳定性分析

安全稳定性系数计算公式如下：

()()cos tan (/)sin tan (/cos )(/)s sin i

i

i

j

k hk k j j i i k hk k s

i

i

i

w Q R S c R S co F w Q αφβφαβα??+?+?+?+??

=

+????

∑∑

i w 、i Q ：分别为作用于土条的自重和地面荷载；

i α: 土条i 圆弧破坏面切线与水平面的夹角；

i ?：土条i 的宽度；

j φ：土条i 圆弧破坏面所处的第j 层土的内摩擦角；

j c ：土条i 圆弧破坏面所处的第j 层土的粘聚力；

k R ：破坏面上第K 排土钉的最大抗力，按1.3.3.3条确定；

k β：第k 排土钉轴线与该处破坏面之间的夹角；

hk S ：第k 排土钉的水平间距。

需要收索所有可能破坏的圆弧面，并计算其安全稳定性系数（此工作量较大，一般由计算机完成），安全稳定性系数最小值所对应的圆弧面为最可能破坏的圆弧面，该安全稳定性系数最小值要求大于表1.3.3-1中的值。

表1.3.3-1 支护内部整体稳定性分析

析是指整个土钉沿底面水平滑动、绕基坑底角倾覆、沿深部的圆弧破坏面失稳。

土钉支护的外部稳定性分析与重力式挡土墙的稳定性分析相同，可将由土钉加固的整个土体视为重力式挡土墙，分别验算其底面抗水平滑动验算、基坑底角抗倾覆验算和整体稳定性验算。 1.3.3.4混凝土面层：按构造要求设计。

1.4 施工与检测

土钉墙施工之前先确定基坑开挖线、轴线定位点、水准基点、变形观测点等，并妥善保护；编制好基坑支护施工组织设计，周密安排支护施工与基坑土方开挖、出土等工作的关系，使支护施工与土方开挖密切配合；准备土钉等有关材料和施工机具。

1.4.1施工前应具备下列文件

1．岩土工程勘察报告； 2．土钉墙支护结构施工图；

3．降水系统施工图，以及需要工程降水时的降水方案设计；

4．施工方案和施工组织设计，规定基坑分层、分段开挖的深度和长度，边

坡开挖面的裸露时间限制等；

5．支护整体稳定性分析计算书；

6．现场测试监控方案和应急措施。

1.4.2施工工序

1．基坑开挖：基坑要按设计要求严格分层分段开挖，在完成上一层作业面土钉与喷射混凝土面层达到设计强度的70％以前，不得进行下一层土层的开挖。每层开挖最大深度取决于在支护投人工作前土壁可以自稳而不发生滑动破坏的能力，实际工程中常取基坑每层挖深与土钉竖向间距相等。每层开挖的水平分段宽度也取决于土壁自稳能力，且与支护施工流程相互衔接，一般多为10～20m 长。当基坑面积较大时，允许在距离基坑四周边坡8~10m的基坑中部自由开挖，但应注意与分层作业区的开挖相协调。

挖方要选用对坡面土体扰动小的挖土设备和方法，严禁边壁出现超挖或造成边壁土体松动。坡面经机械开挖后要采用小型机械或铲锹进行切削清坡，以使坡度及坡面平整度达到设计要求。

2．喷射第一道面层：每步开挖后应尽快做好面层，即对修整后的边壁立即喷上一层薄混凝土或砂浆。若土层地质条件好的话，可省去该道面层。

3．设置土钉：土钉的设置，对于钢筋钉通常是先在土体中成孔，然后置入土钉钢筋并沿全长注浆。对于钢管钉可击入土体再由钢管内注浆。

(1)钻孔

钻孔前，应根据设计要求定出孔位并作出标记及编号。当成孔过程中遇到障碍物需调整孔位时，不得损害支护结构设计原定的安全程度。

钻孔可用锚杆钻机，它能自动退钻杆、接钻杆，适合上中钻孔。

钻孔时，在进钻和抽出钻杆过程中不得引起土体坍孔。而在易坍孔的土体中钻孔时宜采用套管成孔或挤压成孔。成孔过程中应由专人做成孔记录，按土钉编号逐一记载取出土体的特征、成孔质量、事故处理等，并将取出的土体及时与初步设计所认定的土质加以对比，若发现有较大的偏差要及时修改土钉的设计参数。

(2)插入土钉钢筋

插入土钉钢筋前要进行清孔检查，若孔中出现局部渗水、塌孔或掉落松土应立即处理。土钉钢筋置人孔中前，要先在钢筋上安装对中定位支架，以保证钢筋处于孔位中心且注浆后其保护层厚度不小于25mm，支架沿钉长的间距可为2.3m 左右，支架可为金属或塑料件，以不妨碍浆体自由流动为宜。

(3)注浆

注浆前要验收土钉钢筋安设质量是否达到设计要求。

注浆用小型、可移动的注浆泵，常用的有UBJ系列挤压式灰浆泵和BMY系列锚杆注浆泵，其工作压力和流量等皆满足注浆要求。

注浆一般可采用重力、低压(0.4～0.6MPa)或高压(1～2MPa)注浆，水平孔应采用低压或高压注浆。压力注浆时应在孔口或规定位置设置止浆塞，注满后保持压力3～5min。重力注浆以满孔为止，但在浆体初凝前需补浆1～2次。

对于向下倾角的土钉，注浆采用重力或低压注浆时宜采用底部注浆方式，注浆导管底端应插至距孔底250—500mm处，在注浆同时将导管匀速缓慢地撤出。

注浆时要采取必要的排气措施。对于水平土钉的钻孔，应用口部压力注浆或分段压力注浆，此时需配排气管并与土钉钢筋绑扎牢固，在注浆前与土钉钢筋同时送人孔中。

向孔内注入浆体的充盈系数必须大于1。每次向孔内注浆时，宜预先计算所需的浆体体积并根据注浆泵的冲程数计算出实际向孔内注人的浆体体积，以确认实际注浆量超过孔内容积。

注浆材料宜用水泥浆或水泥砂浆。水泥浆的水灰比宜为0.5；水泥砂浆的配合比宜为l：1～l：2(重量比)，水灰比宜为0.38～0.45。需要时可加入适量速凝剂，以促进早凝和控制泌水。

水泥浆、水泥砂浆应拌合均匀，随拌随用，一次拌合的水泥浆、水泥砂浆应在初凝前用完。

注浆前应将孔内残留或松动的杂土清除干净。为提高土钉抗拔能力，还可采用二次注浆工艺。

4．喷第二道面层：在喷混凝土之前，先按设计要求绑扎、固定钢筋网。面层内的钢筋网片应牢固固定在边壁上并符合设计规定的保护层厚度要求。钢筋网片可用插入土中的钢筋固定，但在喷射混凝土时不应出现振动。

钢筋网片可焊接或绑扎而成，网格允许偏差为±10mm。铺设钢筋网时每边的搭接长度应不小于一个网格边长或200mm，如为搭焊则焊接长度不小于网片钢筋直径的10倍。网片与坡面间隙不小于20mm~，

土钉与面层钢筋网的连接可通过垫板、螺帽及土钉端部螺纹杆固定。垫板钢板厚8～l0mm、尺寸为200mm×200mm～300mm×300mm,，垫板下空隙需先用高强水泥砂浆填实，待砂浆达一定强度后方可旋紧螺帽以固定土钉。土钉钢筋也可通过井字加强钢筋直接焊接在钢筋网上，焊接强度要满足设计要求。

图1.4.2-1 土钉与面层的固定

喷射混凝土的配合比应通过试验确定，粗骨料最大粒径不宜大于12mm，水灰比不宜大于0.45，并应通过外加剂来调节所需工作度和早强时间。当采用于法施工时，应事先对操作手进行技术考核，以保证喷射混凝土的水灰比和质量达到设计要求。

为保证喷射混凝土厚度达到均匀的设计值，可在边壁上隔一定距离打人垂直短钢筋段作为厚度标志。喷射混凝土的射距宜保持在0.6～1.0m范围内，并使射流垂直于壁面。在有钢筋的部位可先喷钢筋的后方以防止钢筋背面出现空隙。喷射混凝土的路线可从壁面开挖层底部逐渐向上进行，但底部钢筋网搭接长度范围以内先不喷混凝土，待与下层钢筋网搭接绑扎之后再与下层壁面同时喷混凝土。混凝土面层接缝部分做成450角斜面搭接。当设计面层厚度超过l00mm时，混凝土应分两层喷射，一次喷射厚度不宜小于40mm，且接缝错开。混凝土接缝在继续喷射混凝土之前应清除浮浆碎屑，并喷少量水润湿。

面层喷射混凝土终凝后2h应喷水养护，养护时间宜3～7d，养护视当地环境条件采用喷水、覆盖浇水或喷涂养护剂等方法。

5．排水设施的设置：水是土钉支护结构最为敏感的问题，不但要在施工前做好降排水工作，还要充分考虑土钉支护结构工作期间地表水及地下水的处理，设置排水构造措施。

图1.4.2-2 排水设施的设置

1.4.3土钉现场测试

(1)土钉支护施工必须进行土钉的现场抗拔试验，应在专门设置的非工作钉上进行抗拔试验直至破坏，用来确定极限荷载，并据此估计土钉的界面极限粘结强度。

(2)每一典型土层中至少应有3个专门用于测试的非工作钉。测试钉除其总长度和粘结长度可与工作钉有区别外，应与工作钉采用相同的施工工艺同时制作，其孔径、注浆材料等参数以及施工方法等应与工作钉完全相同。测试钉的注浆粘结长度不小于工作钉的二分之一且不短于5m，在满足钢筋不发生屈服并最终发生拔出破坏的前提下宜取较长的粘结段，必要时适当加大土钉钢筋直径。为

消除加载试验时支护面层变形对粘结界面强度的影响，测试钉在距孔口处应保留不小于1m长的非粘结段。在试验结束后，非粘结段再用浆体回填。

(3)土钉的现场抗拔试验宜用穿孔液压千斤顶加载，土钉，千斤顶，测力杆三者应在同一轴线上，千斤顶的反力支架可置于喷射混凝土面层上，加载时用油压表大体控制加载值并由测力杆准确予以计量。土钉的(拔出)位移量用百分表(精度不小于0.02mm，量程不小于50mm)测量，百分表的支架应远离混凝土面层着力点。

(4)测试钉进行抗拔试验时的注浆体抗压强度不应低于6MPa。试验采用分级连续加载，首先施加少量初始荷载(不大于土钉设计荷载的l／10)使加载装置保持稳定，以后的每级荷载增量不超过设计荷载的20％。在每级荷载施加完毕后立即记下位移读数并保持荷载稳定不变，继续记录以后l、6、l0min的位移读数。若同级荷载下l0min与1min的位移增量小于1mm，即可立即施加下级荷载，否则应保持荷载不变继续测读15、30、60min时的位移。此时若60min与6min的位移增量小于2mm，可立即进行下级加载，否则即认为达到极限荷载。

根据试验得出的极限荷载，可算出界面粘结强度的实测值。这一试验平均值应大于设计计算所用标准值的1.25倍，否则应进行反馈修改设计。

(5)极限荷载下的总位移必须大于测试钉非粘结长度段土钉弹性伸长理论计算值的80％，否则这一测试数据无效。

(6)上述试验也可不进行到破坏，但此时所加的最大试验荷载值应使土钉界面粘结应力的计算值(按粘结应力沿粘结长度均匀分布算出)超出设计计算所用标准值的1.25倍。

1.4.4质量检验与检测

1.4.4.1质量检验

(1)材料

所使用的原材料(钢筋、水泥、砂、碎石等)的质量应符合有关规范规定标准和设计要求，并要具备出厂合格证及试验报告书。材料进场后还要按有关标准进行抽样质量检验。

(2)土钉现场测试

土钉支护设计与施工必须进行土钉现场抗拔试验，包括基本试验和验收试验。通过基本试验可取得设计所需的有关参数，如土钉与各层土体之间的界面粘结强度等，以保证设计的正确、合理性，或反馈信息以修改初步设计方案；验收试验是检验土钉支护工程质量的有效手段。土钉支护工程的设计、施工宜建立在有一定现场试验的基础上。

(3)混凝土面层的质量检验

包括混凝土面层外观检查；混凝土面层厚度检查(用凿孔法)和混凝土抗压强度试验。

1.4.4.2施工监测

土钉墙支护的施工监测应包括下列内容：

(1)土钉墙位移的量测；

(2)地表开裂状况(位置、裂宽)的观察；

(3)周围设施的变形测量；

(4)基坑渗、漏水及基坑内外地下水位变化。

参考资料：《建筑基坑支护规程》（JGJ120-99）。

《基坑土钉支护技术规程》（CECS96：97）。

2．基坑土钉墙支护设计任务书

2.1教学班级：建工10041-10042

2.2设计时间：校历1周。

2.3设计任务：完成一幢高层房屋的基坑支护设计。

2.4课程设计目的：了解实际工程中基坑支护设计的方法、内容；掌握土钉墙基坑支护的设计方法。

2.5设计要求

2.5.1熟悉分析相关资料，确定土钉墙支护基坑的适宜性。

2.5.2设计内容：将基坑侧壁分成几段，分别确定以下内容。

①土钉墙墙面坡度。

②土钉类型、直径、钻孔直径。

③土钉水平方向、坡面竖向的间距及与水平面夹角。

④各土钉的长度。

⑤注浆材料种类、强度、。

⑥混凝土面层钢筋网钢筋直径、间距、混凝土强度、厚度；土钉与面层连接

形式。

⑦坡面上、下层钢筋网搭接长度。

⑧土钉墙墙顶护面措施，坡顶、坡脚、排水措施，坡面泄水孔的布置。

2.5.3设计计算：土钉墙内部整体稳定性验算；土钉的抗拉承载力验算。以确定土钉的长度。

2.5.4图件：提供基坑支护平面布置图；分段提供基坑侧壁土钉平面布置图、土钉墙剖面图。

2.5.5施工说明。（说明内容为图件未反映的部分支护方案要点）

2.6本次设计成果要求：各细部参数，清楚明确；计算正确，过程详细；图件规范清晰。

2.7 时间安排

第1天：熟悉相关资料，明确设计思路，初步确定各参数。 第2、3、4天：计算。

第4、5天：图件，编写施工说明。

附：《岩土工程勘察报告》（部分内容）：包括基础相关资料、环境资料。

3．基坑土钉墙支护设计指导书

3.1设计依据

①《基坑土钉支护技术规程》（CECS96:97） ②《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-2012) ③《岩土工程勘察报告》 ④上部结构资料

⑤邻近建筑物、道路、地下管线情况。

3.2设计步骤

1．熟悉相关资料，根据场地条件、基坑开挖深度、环境条件、地表荷载、土质条件将基坑侧壁分成几段，对每段分别设计。

2．选择相应的支护结构类型（选择土钉墙）。

3．据基坑深度、地表荷载、场地土质情况及土钉墙的构造要求等，初步拟定基坑支护的内容和对数，如：基坑侧壁下口开挖线、坡度；土钉类型、直径、钻孔直径；土钉水平方向、坡面竖向的间距及与水平面夹角；各土钉的长度；注浆材料种类、强度；混凝土面层钢筋网钢筋直径、间距、混凝土强度、厚度；土钉与面层连接形式；坡面上、下层钢筋网搭接长度。土钉墙墙顶护面措施，坡顶、坡脚、排水措施，坡面泄水孔的布置。

4．土钉墙整体稳定性验算：考虑土钉摩擦力，采用圆弧滑动简单条分法验算。安全稳定系数采用1.3.3节的公式进行计算。因需收寻多个潜在破坏面计算其安全稳定系数，工作量很大，须用软件进行。在此只要求取一个潜在滑动面验算（《5 场地工程地质条件》分别提供了基坑北面、基坑南面安全稳定系数计算的一个剖面图，供参考）。

5．各段基坑侧壁单根土钉的抗拉承载力验算，以确定土钉长度、间距等是否满足要求。单根土钉的长度21l l l +=，如下图。

图3.2-1 支护内潜在破裂面

（1）按1.3.2.2节求出各土钉设计内力N(受拉荷载)；

（2）确定潜在破坏面（为通过坡角、与水平面成2)(βφ+k 夹角的平面），据几何关系求出1l ，；再求出土钉在潜在破坏面以外稳定土体各土层中的长度2l ，按1.3.2.3节验算各土钉设计内力。

（3）验算各层土钉的长度l 是否满足下列条件：τ

π0,1d N

F l l d s +

≥

若满足，则单根土钉的拉承载力满足要求，初步拟定的土钉长度及土钉的平面间距可行。若不满足，可加长土钉或减小土钉的平面间距，至满足为止。

6．面层：其混凝土的强度、厚度、钢筋直径、间距按构造要求确定。

3.3图件

①基坑支护平面布置图：反映边排基础轴线、边线，支护结构类型，基坑上口开挖线、下口开挖线，基底各部分标高，及周围环境情况。

②土钉墙支护剖面图：标明基坑深度、侧壁坡度；破裂面的位置及与水平面的夹角；每根土钉的长度及与水平面夹角；面层的厚度及混凝土的强度；混凝土护顶的宽度。

③基坑侧壁土钉平面布置图：土钉位置、间距、钢筋直径、间距、面层混凝土强度、厚度。

3.4施工说明：参见1.4施工与检测。

4本次基坑支护设计的相关资料

本次设计是完成一幢12层的高层建筑的基坑支护设计,该拟建物所在场地的工程与水文地质条件、基础平面分布、基坑开挖深度、周边环境情况等详见以下资料。

4.1地形地貌

场地位于成都平原东北绵远河左岸一级阶地，场地地形平坦，相对高差约0.60m 。本次勘察孔口高程是以甲方提供的场地东北侧道路路面H 点高程为492.90m 引测。

4.2地层分布及岩土特征

场地覆盖层主要由第四系人工堆积物（Q 4ml ）、全新统冲积物（Q 4al ）和上更新统冰水流水冲积物（Q 3fgl ）组成，据其岩性特征，可分为6个岩性层，现将各地基土结构及特征从上到下分述于后：

1．杂填土①（Q 4ml ）：全场分布，色杂，松散，潮湿，主要成分为建筑垃圾，部分表层为混凝土，厚0.20～4.10m 。

2．粉土②（Q 4al ）：分布于场地东南部，黄灰色，稍密，湿，厚0.30～0.60m 。 3．粗砂③（Q 4al ）：呈透镜状分布，灰白色，稍密，潮湿～饱和，以中粒砂

为主，局部相变为中细砂、砾砂，砂砾成分以长石、石英为主，厚0.40～2.90m。

4．圆砾④（Q4al）：多呈层状分布，少数透镜体，灰白色，稍密，潮湿～饱和，卵石含量20～40%，砾石含量30～50%，充填物以中粗砂为主，少量粘粒，卵石粒径2～5cm为主，次圆，成分以砂岩、灰岩、花岗岩为主，厚0.40～2.90m。

5．卵石⑤（Q4al）：多层层状分布，少数透镜体，灰白色，潮湿～饱和，卵石含量50～70%，卵石粒径3～5cm为主，少数5～10cm，次圆，成分以砂岩、灰岩、花岗岩为主，卵石间充填砾石及中粗砂，少量粘粒。据其密实度，可分为稍密卵石⑤a、中密卵石⑤b两个亚层。

6．半胶结卵石⑥（Q2-3fgl）：层状分布，灰白色，卵石含量60～70%，粒径3～8cm为主，次圆，成分主要为砂岩、灰岩，充填物为砾石、粗砂为主，该卵石层为钙质半胶结状态，局部已胶结成岩石状。该层埋深17.80～18.00m，揭露厚度4.00～4.70m。

各地基岩土层分布特征详见工程地质剖面图。

4.3地下水

场内地下水主要为赋存于第四系全新统砂卵石层中的孔隙性潜水。季变幅为1～2m，勘察期间属平水期，勘察孔中测得地下水静止水位埋深7.70～8.40m。

地下水对混凝土不具腐蚀性。

4.4 综合分析本次勘察成果，结合我院在德阳地区的有关经验，提出地基各土体主要物理力学指标见下表。

表4.4 地基岩土主要物理力学指标建议值

4.5建筑物与勘探点平面布置图、工程地质剖面图附后。

5 设计步骤参考资料

1.将基坑侧壁分成几段：4段。以北侧为例。

2.选取支护结构的类型：土钉墙。选取勘探点ZK1作为计算的地质依据。

3.初拟尺寸及其它构造要求：β=80ο、h S =1.2m 、v S =1.0m 、0d =70mm ，土钉和水平面的夹角为10ο

，HRB335级钢筋的yk f =335KN ，钢筋直径为80mm （孔径直径近似也为80mm ）从上至下共布置5根土钉，长度分别为7.0m 、6.5m 、6.5m 、6.0m 、6.0m 。

图5-1 设计内力计算图示

(1)抗拉承载力验算（以第一根土钉为例）： 求受拉荷载N ：

38.00

.628

tan 3.118tan 128tan 7.023tan 4.110tan 6.1tan =++++=k φ；ο8.20=k φ

3/6.190

.6213.1191217.0204.18.16.1m KN =?+?+?+?+?=γ

48.0)2

8

.2045(tan )245(tan 22=-=-=k a K ?

KPa H K P a m 0.310.66.1948.055.055.0=???==γ

土钉中点深度为m 2.12/)10sin 7(6.0=+。则：

KPa P 8.240.314

0.62

.11=?=

KPa qk P a q 6.948.020=?== KPa P P P q 4.346.98.241=+=+=

KPa S PS N h v 9.4110cos /0.12.14.34=??==

潜在破坏面与水平面的夹角4.502/)8.2080(2)(=+=+βφk

在三角形ABC 中，AB=（6.0-0.6）/sin80=5.48m ,∠BCA=80-50.4=29.6，

∠ABC=180-10-80=90

BC=ABtan29.6=5.48 tan29.6=3.11m 则CD=7.0-3.11=3.89m BC 所在土层的厚度为BCsin10=3.11 sin10=0.54m<(1.6-0.6)m ，C 点在第一层土内。 BD 所在土层的厚度为BDsin10=7 sin10=1.21m ＞(1.6-0.6)m ，D 点在第二层土内。

CE=（1.6-0.6-0.54）/ sin10=2.65m 则ED=3.72-2.65=1.07m 。 受拉承载力02i i R d l πτ=∑=3.14×0.08×(2.65×40+1.07×100)=53.51KN

>F s,d N=1.2×41.4=49.68KN

所以第一根土钉长度为7m 满足抗拉承载力要求。 验算各层土钉的长度l 是否满足下列条件：τ

π0,1d N

F l l d s +≥

各层土钉的设计内力应满足：yk d s f d N F 4

1

.12

,π≤

同理可以计算其它土钉。 (2)稳定性验算：

在基坑侧壁剖面图上，取一圆弧面作为潜在破坏面，并将圆弧面以上土体划分为几个等宽度的条块，此采用《4 场地工程地质条件》提供的北面基坑侧壁剖面图，如图5-2所示。

图5-2 北面基坑侧壁参考剖面图

计算各层土钉的受拉承载力02i i R d l πτ=∑

第一根土钉： 1R =53.51KN; 第二根土钉：潜在破坏面以外圆砾、稍密卵石中的长度分别为4.49m 、0.09m.，2 3.140.08(4.491000.09120)115.5R KN

=??+?=

同理可得：第三根土钉、第四根土钉、第五根土钉的受拉承载力分别为： 3R =112.76KN; 4R =123.29KN ；5R =154.69KN

根据公式：

()()cos tan (/)sin tan (/cos )(/)s sin i

i

i

j

k hk k j j i i k hk k s i

i

i

w Q R S c R S co F w Q αφ

βφαβα??+?+?+?+??

=

+????

∑∑条块1：

i w =0.63×1×19.6=12.3KN 、i Q =0.83×1×20=16.6KN ；

i α=61○；i ?=0.83m ；j φ=10○；j c =0；

k R =53.51KN ；

k β=70○；

hk S =1m 。

条块1的抗滑力（分子）、滑动力（分母）分别为：

分子1=(12.316.6)cos 61tan1053.51sin 70tan1053.51cos 7029.64o

o

o

o

o

KN +++=

分母1=(12.316.6)sin 6125.28o KN +=

其它条块的各参数分别如下：

表5-1 各条块计算结果

同理可得：

表5-1 分子和分母计算结果

因此，s F =？

()()cos tan (/)sin tan (/cos )(/)s sin i

i

i

j

k hk k j j i i k hk k s

i i i w Q R S c R S co F w Q αφβφαβα??+?+?+?+??

=

+????

∑∑

i w 、i Q ：分别为作用于土条的自重和地面荷载；

i α: 土条i 圆弧破坏面切线与水平面的夹角；

i ?：土条i 的宽度；

j φ：土条i 圆弧破坏面所处的第j 层土的内摩擦角；

j c ：土条i 圆弧破坏面所处的第j 层土的粘聚力；

k R ：破坏面上第K 排土钉的最大抗力，按1.3.3.3条确定；

k β：第k 排土钉轴线与该处破坏面之间的夹角；

hk S ：第k 排土钉的水平间距。

内部整体稳定性满足要求。

根据以上计算，土钉各参数可以确定。