土钉墙设计
周德培
西南交通大学土木工程学院
一、原理、类型和适用性
土钉墙是在岩土体中设置钢 筋土钉，靠土钉拉力维持边 土钉体 坡稳定的挡土结构。通过钢 筋等高强度长条材料对原位
钻孔
岩土体进行加固，从而提高 原位岩土体的“视凝聚力” 钢筋 及其强度，使被加固土体形 成了性质与原来大为不同的 复合材料“视重力式挡土 墙” ，用以提高整个边坡
施工完毕使用阶段两种情况，根据潜在破裂面（对土质边坡按最危险
滑弧面）进行分条分块，计算稳定系数（图8-6）。
n
n
Ci Li S x Wi cosi tgi S x Pi cos i Pi sin i tgi
K
i 1
i 1
Wi sini S x
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图8-6 分块稳定检算简图
的稳定性。
面层 被加固岩土体
图8-1 土钉墙示意图
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❖ 按施工方法：土钉可分为钻孔注浆型土钉、打入型土钉和射 入型土钉三类。其中钻孔注浆型土钉为最常用的类型。
❖ 土钉墙结合了锚杆挡墙与加筋土挡墙的优点，用于挖方边坡 工程具有以下特点：
❖ （1）施工的及时性。自上而下，边开挖边喷锚，一般每层 开挖1~2m高，可及时对边坡进行封闭，从而保护岩土不因 边坡开挖暴露而过多降低力学强度。
f y ——钉材抗拉强度设计值（kPa）。
土钉抗拉断检算按下式计算：
Ti Ei
K1
K1 ——土钉抗拉断安全系数，取1.5～1.8，永久工程取大值。
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2）土钉抗拔稳定检算
根据土钉与孔壁界面岩土抗剪强度τ确定有效锚固力Fi1，按下式计算：
Fi1 dh lei
计算稳定系数。根据设计要求，分层开挖高度为 2m，每一分层开挖完毕未设置土钉时为危险阶段， 须进行施工阶段稳定检算。经稳定检算，最下一分 层开挖完毕未设置土钉时为最危险阶段，此时稳定 系数为1.7，土钉墙竣工后稳定系数为1.85，而不设 置土钉边坡稳定系数仅为0.89。中部土钉不加长时， 施工阶段及使用阶段稳定系数均降低0.3。 ❖ （2）土钉墙外部稳定性检算
❖ （2）土钉的长度一般为墙高H的0.4～1.0倍（即0.4～ 1.0H）。岩质边坡宜为0.4～0.7H，岩性较差及地下水发育 时取大值；非饱和土土质边坡宜为0.6～1.0H。
❖ （3）土钉间距0.75～2m，与水平面夹角宜为5°～20°。 ❖ （4）土钉墙设计应遵循“保住中部、稳定坡脚”的原则。
现场量测结果表明，沿支护高度上下分布的土钉，其受力为 中间大，上部和下部小。而数值分析结果表明，土钉墙坡脚 应力集中明显。因此设计时边坡中部的土钉宜适当加密、加 长，坡脚用混凝土脚墙加固，并使之与土钉墙连成一个整体。 ❖ （5）土钉墙分层开挖高度土层一般为0.5～2m，岩层一般 为1.0～4m。每一层开挖的纵向长度（分段长度），取决于 岩土体维持不变形的最长时间及施工流程的相互衔接。
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❖ 将土钉墙视为重力式挡土墙进行抗倾覆、抗滑移稳 定性验算，其稳定系数均大于1.5，满足要求。
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❖ （四）主要工程措施
❖ DK339+277～DK399+395左侧设置土钉墙，其中 DK339+285～DK399+390长105m为两级土钉墙，上、下 墙最大高度分别为11m及10m，土钉墙胸坡1∶0.25，两级 之间平台宽2m。土钉长8m，中部平台附近加长至10m，间 距均为1m。土钉墙上部及中下部土钉分别采用φ20、φ25Ⅱ 级螺纹钢筋。单级土钉墙长6m，采用φ20Ⅱ级螺纹钢筋。 土钉孔径φ100mm，孔内灌注M30水泥砂浆。
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2）土钉墙外部稳定性检算
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四、南昆铁路破碎软岩路堑高边坡土钉墙工程
12m 15m
护墙。 桩间挡土墙
图8-8 南昆铁路试验段土钉墙代表断面
预加固桩
W4
W3
图8-9 预加固桩方案代表断面
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❖ 土钉面板由14cm厚的喷射14cm厚的C20混凝土、1cm厚的 水泥砂浆及一层φ8钢筋网组成。
❖ 土钉墙墙顶堑坡设1m宽喷射混凝土护顶，其要求同土钉面 板，并用一排3m长小锚杆锁定。土钉墙墙脚设置厚0.6m、 高1.2m脚墙加固。
❖ 土钉墙每隔15～20m设置一道伸缩缝，面层设置泄水孔，泄 水孔呈梅花型布置，间距2.5m。泄水孔进口处设置无砂混 凝土反滤层。
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2、土压力的确定
hi ≤
1H 3
i 2ahi cos( )
hi
1H 3
i
2 3
aH
cos(
)
i —水平土压应力（kPa）； —边坡岩土体
重度（kN/m3）；a —库伦主动土压力系数；
—墙背与竖直面间的夹角（度）； —墙背
摩擦角（度）。
土钉的拉力:
Ei iSxS y / cos
❖ 超量变形三种类型。
❖ 对外部破坏分析，工程中一般采用类似重力挡墙设计方法进 行水平滑动稳定、抗倾覆稳定、墙底土承载力和整体抗滑稳 定验算；对内部破坏分析，目前尚无工程界普遍认同的方法， 各国根据各自的试验研究，提出了相应的分析和计算方法， 归纳起来，主要有极限平衡法、有限元法、工程简化分析法。
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土钉墙设计内容
❖ 对于一般土钉墙工程，设计 内容为：
❖ 根据总体设计布置确定土钉 墙的平、剖面尺寸；
❖ 根据边坡岩土特性确定分层 施工高度；
❖ 确定土钉布置方式和间距； ❖ 确定土钉的直径、长度和倾
角； ❖ 确定土钉钢筋的类型、直径
和构造； ❖ 注浆配比和注浆方式； ❖ 喷射混凝土面板设计及坡顶
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❖ 4、设置土钉
❖ 土钉钉材为φ20、φ25螺纹钢筋，每间隔2m焊对中支架，外 端焊接螺丝端杆，对中支架用φ6园钢制作。土钉连同注浆 管插入孔中。
❖ 5、注浆
❖ 采用孔底注浆法灌注水泥砂浆，注浆压力0.2~0.4MPa，水 泥砂浆配合比为水泥∶砂∶水=1∶1.26∶0.33。
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二、 构造特征
❖ 土钉墙主要由土钉及周围岩土体、面层和排水系统组成。
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工程实例
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db ——钉材直径（m）。 土钉抗拔力Fi取Fi1和Fi2中的小值。土钉抗拔稳定检算按下式计算：
Fi Ei
K2
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K 2 ——抗拔安全系数，取1.5～1.8，永久工程取大值。
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4、土钉墙整体稳定性检算
1）内部整体稳定检算
检算时应考虑施工过程中每一分层开挖完毕未设置土钉时施工阶段及
Ei —距墙顶高度第i层土钉的计算拉力（kN）； S x 、S y —土钉之间水平和垂
直间距（m）； —土钉与水平面的夹角（度）。
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3、土钉墙内部稳定检算
❖ 1）土钉抗拉断检算 土钉钉材抗拉力按下式计算：
Ti
1
4Байду номын сангаас
db2
fy
Ti ——钉材抗拉力（kN）； db ——钉材直径（m）；
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（三）设计计算 1、选取各设计参数
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❖ 5、土钉墙整体稳定检算 ❖ （1）内部整体稳定检算 ❖ 根据潜在破裂面形状进行分条分块，按公式（8-11）
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三、 土钉墙设计与计算
❖ （一）土钉墙稳定计算分析方法
❖ 通过稳定性分析，可以验证所选土钉各个参数的合理性、可 行性，以及所设计土钉墙的安全性、适用性。土钉墙可能破 坏的形式分为
❖ 内部破坏(墙体内整体失稳和局部破坏)
❖ 外部破坏(整体侧移、倾覆和整体滑移)
防护设计； ❖ 土钉墙内部及整体稳定分析； ❖ 排水系统设计； ❖ 现场监测和质量控制设计。
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土钉墙设计一般原则
❖ （1）土钉墙高度宜控制在20m以内，墙面胸坡为1∶0.1～ 1∶0.4，根据地形地质条件，边坡较高时宜设多级。多级墙 上、下两级之间应设置平台，平台宽度不宜小于2m，每级 墙高不宜大于10m。单级土钉墙墙高宜控制在12m以内。
构造及排水系统设计
现场监测和质量控制设计
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（四）土钉墙的设计计算内容
❖ 1、潜在破裂面的 确定
❖ 土钉墙内部加筋体 分为锚固区和非锚 固区，其分界面为 潜在破裂面。根据 大 践量 ，试 土(8-验 钉1) 和内工部程潜实在 破裂面采用简化计 算方法确定潜在破 裂面。