土钉抗拔承载力经验验算方法.docx
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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
JournalofArchitectureandCivilEngineering
Vo1.27NO.2
June2010
文章编号:
1673—2049（2010）02一O018—07
O
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:
A
EmpiricalCheckingMethodforSoil
（1.Department
Geotechnica1and
NailingAnti—pullingCapacity
YANGMin.LIUBin,
ofGeotechnicalEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China;2.KeyLaboratoryof
UndergroundEngineeringofMinistryofEducation,TongjiUniversity,Shanghai200092,China）
Abstract:
BasedOntheanalysisonthemeasuredvalueand2ocationofthemaximumaxiajforceof
soilnailingaccordingtothe11engineeringtestslocatedinBeijing,Guangzhouandotherareas,
anempiricalcheckingmethodforsoilnailinganti—pullingcapacitywasproposed,whichincluded
thesoilpressureoftrapezoidaldistributionandthepotentialslipsurfaceofbilinear1ines.The
presentmethodwascalculatedforsoilnailing,theprestressedanchorplussoilnailingcomposite
retainingandthemixingpile（micro—pile）plussoilnailingcompositeretaining.Combiningwith
theengineeringexamples,theproposedmethodwascomparedwiththemethodsofChinese
TechnicalSpecificationforRetainingandProtectionofBuildingFoundationExcavations（JGJ
12O一99）andTechnicalSpecificationforSoilNailinginFoundationExcavations（CECS96:
97）.Resultsshowthatthismethodcanmeetthedesignrequirementofsoilnailinganti—pulling
capacity,andcanofferreferencesforfurtherresearchonthedesignmethodsofcompositesoil
nailingwails.
Keywords:
foundationexcavation;compositesoilnailingwall;soilnailinganti—pullingcapacity;
prestressedanchor;mixingpile
引言
土钉墙是一种在原位土体中设置土钉且在其表
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:
2010—03一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》（JGJ12O
99）E83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,
长度等设计参数,计算公式为N≥KN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,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
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?
]11.701O6.0～12.010.3O0.10210
2北京林达嘉园[22]12.5186.8～11.81:
0.20O.O6817
3北京冠华大厦【.14.O075.8～]1.81:
0.300.0l5
4珠江新城E2区商住楼]9.2066.0～12.0i{0.i50.14326
5深圳假日广场[25]16.351O6.0～12.0211.0～13.01:
0.2O0.07673
6北京朝外SOHO[.jl4.6076.o～l2.o217.S～18.51:
o.1o0.O34
7北京熊猫环岛地铁站Ez7]16.711O12.0～13.52l6.0～22.01:
0.500.045
8南京玄武湖隧道[zs]10.00915.0～18.018直立0.04620
9广州番禺某酒店]5.5048.0～24.0169.O直立0.12943
1O汉口某城市花园[.o]8.00312.01212.0直立0.O9313
11北京某商业楼[3]8.2O57.0～9.09.51:
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
C
Ks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所列工程进行计算,结果
如图l～3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.
0
0
毫
●
H0
0
l
0
T0
●
～0
0
l
（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.1MeasuredResultsofSoilNailingWallRetaining
2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
加土钉复合支护取K一o.4,K一0.4,K一0.2;
0
0
●
h0
0
1
（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.2MeasuredResultsofPrestressedAnchorPlus
SoilNailingCompositeRetaining
0
0
●
N0
0
1
0
0
毫
●
0
O
l
（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==:
0.6,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.
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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=0.65
c;
（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.4DistributionPatternsofSoilPressures
卜
图5双折线潜在滑裂面
Fig.5PotentialSlipSurfaceofBilinearLines
3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6.6～
4O.3m;采用q025钢筋注浆土钉,倾角15.,间距
1.2m×1.2m;喷射100mm厚C2o混凝土面层,
配双向钢筋网6@250×250,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
22.13kPa,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1.3m×
1.3m,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4×74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方法本文方法土钉长
度/nl深度/m,vk/kN编号
N/kNNb/kNKN/kNNh/kNKN/kNNk/kNK
16O.48.3512.8241.1721.131.956.4419.120.33
281.650.557.2779.8853.541.4939.1145.760.85
3122.830.91125.411.5779.8O151.2681.8O1.8O104.4668.701.52
4l24.0134.9410.28l3.10l57.3O87.471.68104.4673.251.42
51l5.239.19128.1219.106.70147.OO87.471.6888.0173.251.2O
61l6.4137.6427.9l4.93l53.0487.471.6888.0l73.251.2O
7107.654.1213O.8336.733.56142.7487.471.6374.6273.251.O2
8108.8140.3545.543.O8148.7787.471.6887.1973.251.19
9810.053.92117.2O54.352.16122.1487471.4067.1173.250.92
lO811.2126.7257.9O2.19128.1780.181.6079.5267.141.18
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取两者较小值计算.
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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JGJ120—99和规程CECS
96:
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48×3.5钢管注浆土钉,土钉倾角1～5
排为10.,第6排为20.,问距1.0rn×1.0m;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JGJ120～99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,1～4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.3CalculatedResultsofExample2
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/kNK
1151.o140.4o一23.79l6l_2465.381.74167.9974.631.53
2122.3102.951.4869.60122.14l09.381.04ll8.9881.441.40
163.618O.7719.3】5.90197.39136.840.83184.3381.441.40
3
123.6115.4219.315.90132.04136.840.83118.9881.441.40
4l24.9127.9037.143.07141.95136.840.83118.9881.441.40
146.2l73.O554.972.O7184.52136.840.83151.6681.441.40
5
86.275.0354.971.3686.5O136.840.6353.6481.440.66
61O7.512O.1872.8O1.56l29.O8136.840.8386.3181.441.06
788.899.9890.631.10106.31136.840.7864.5081.440.79
8810.1112.461O8.461.04l16.22136.840.8378.3781.440.96
9611.492.26l2l_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/kNK
1121.582.28l6.954.8582.2851.651.5972.9049.361.48
2l22.587.882O,414,3】87.8839.232.2472.9037.】51.96
393.586.9528.353.O786.9539.232.2259.5037.151.60
494.594.4236.292.6094.4239.232.4159.5037.151.6O
565.564.1944.241.4564.1939.231.6430.6732.590.94
666.571.8754.681.3171.8741.1l1.7542.2617.602.40
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及搅拌桩（微
型桩）加土钉复合支护,并结合工程算例与规程JGJ
120—99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.
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