土钉墙基坑支护设计资料

《地基基础》课程设计

土钉墙基坑支护设计

四川建筑职业技术学院土木系

基础工程教研室2008年6月

土钉墙基坑支护设计资料

目 录

1. 土钉墙基坑支护设计基本理论

2.土钉墙基坑支护设计任务书

3.土钉墙基坑支护设计指导书

4.本次设计的相关资料

5.设计步骤参考资料

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土钉墙基坑支护设计资料

1 土钉墙基坑支护设计基本理论

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：

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，再喷射砼制作而成。

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，

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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。

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。

图1.1.3-1 超前设置微形桩的土钉支护 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，如图所示。

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及周围土体传递过来

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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>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5。～20。;

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，便于迳流远离边坡。

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的水平排水管，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)支护的内部整体稳定性分析与外部整体稳定性分析； (2)土钉的设计计算(抗拉承载力验算)；

(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作出修改，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

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支护内部并穿过全部或部分土钉。破坏模式如下图，破坏面为一圆弧面，并考虑土钉的拉力，采用普通条分法对支护作整体稳定性分析。安全稳定性系数计算公式如下：

FswQcostaniiij(Rk/Shk)sinktanjcj(i/cosi)(Rk/Shk)coskwQsiniii

wi、Qi：分别为作用于土条的自重和地面荷载；

i: 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：土条i圆弧破坏面所处的第j层土的内摩擦角；

cj：土条i圆弧破坏面所处的第j层土的粘聚力；

Rk：破坏面上第K排土钉的最大抗力，按1.3.3.3条确定；

k：第k排土钉轴线与该处破坏面之间的夹角；

Shk：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下表中的值。 基坑深度（m） 安全系数最小值 土钉支护还应验算施工各阶段的内部稳定性。

土钉支护的外部整体稳定性分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。 1.3.3单根土钉抗拉承载力验算 1.3.3.1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；

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≤6 1.2 6～12 1.3 ≥12 1.4 土钉墙基坑支护设计资料

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。

1.3.3.2土钉设计内力N(受拉荷载) 的计算

N=p·SVSh/cosθ 其中p=p1+pq

SV:计算土钉在水平方向与相邻土钉中点的间距。

Sh:计算土钉在竖直方向与相邻土钉中点的间距。

θ—土钉的倾角；p—土钉长度中点所处深度位置上的侧压力；

p1--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

1.3.3.2-1求出；

pq—地表均布荷载引起的侧压力。 p1及 pq沿基坑深度分布图如下:

图1.3.3.2-1 p1及 pq沿基坑深度分布图

Pm：基坑深度方向土体自重产生的侧压力p1的最大值，其求解方法如下： 对于C/γH≤0.05的砂土和粉土Pm=0.55kaγH。 对于C/γH≥0.05的一般粘性土：

2c)H0.55kaHrHKa

粘性土Pm的取值应不小于0.2γH。 pmka(1pq=kaq ，其中q为地表荷载，最小取15Kpa。

katan2(450k) 2γ为土的重度，H为基坑深度。

øk这样确定:

n

再求øk。(øi、hi分别为侧壁第i层土的内摩擦角和厚度)

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基坑侧壁若为单层土,则取该层土的内摩擦角角标准值;若为多层土,则先求:

tankhtanii1ihi1ni土钉墙基坑支护设计资料

1.3.3.3土钉的极限抗拉承载力Rd0il2i

各层土钉的长度l应满足下列条件：

Fs,dNd0il2i

其中l2i—土钉在破坏面以外稳定土体第i层土中的长度；

潜在破坏面与水平面的夹角取（β+Φk）/2 , β为基坑侧壁坡角。如下图：

图1.3.3.3-1 土钉与潜在破坏面剖面图

d0—土钉孔径；τ—土钉与土体之间的界面粘结强度。按下表取值。 Fs,d—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。

表1.3.3.3-1界面粘结强度标准值

土类 状态 τ（kpa） 软塑 15～30 粘性土 可塑 30～50 硬塑 50～70 坚塑 70～90 松散 70～90 稍密 90～120 砂土 中密 120～160 密实 160～200 素填土 30～60 圆砾 稍密 100～120 稍密卵石 稍密 120～140 注：表中数据为低压注浆时的极限粘结强度标准值。 实际工程中需要对所有工况（基坑不同的开挖阶段及支护后的使用阶段），

土钉的抗拉承载力是否验算满足要求进行验算 1.3.3.4砼面层：可按构造要求设计。 1.4施工与检测

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；

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6.现场测试监控方案和应急措施； 1.7.2施工工序：

1．工作面，修整边坡；

2．设置土钉（包括成孔、置入钢筋、注浆、补浆）； 3．铺设、固定钢筋网； 4．喷射混凝土面层。

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 土钉墙基坑支护设计任务书

2.1教学班级：

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、内容和掌握设计土钉墙支护基坑的设计方法。 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砼面层钢筋网钢筋直径、间距、砼强度、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计算：

（1）土钉墙内部整体稳定性验算。实际工程中需要对所有工况（基坑不同的开挖阶段及支护后的使用阶段），收索基坑侧壁所有可能破坏的圆弧面,并验算其安全稳定性系数是否满足要求,本次课程设计只要求验算支护后使用阶段的基坑侧壁某一给定圆弧面的安全稳定性系数是否满足要求（基坑侧壁剖面图及该给定圆弧面详见“4.6基坑侧壁内部稳定性验算剖面图”）；

（2）土钉的抗拉承载力验算。验算土钉的抗拉承载力是否满足受拉荷载的

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要求。实际工程中需要对所有工况（基坑不同的开挖阶段及支护后的使用阶段），土钉的抗拉承载力是否验算满足要求进行验算，本次课程设计只要求验算支护后使用阶段土钉的抗拉承载力是否满足要求。

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。

3.1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》(JGJ120-99) 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。以下是每段的设计步骤：

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；

砼面层钢筋网钢筋直径、间距、砼强度、厚度； 土钉与面层连接形式； 坡面上、下层钢筋网搭接长度。

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3 土钉墙基坑支护设计指导书

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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1.3.2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（“4.6基坑侧壁内部稳定性验算剖面图”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l=l1+l2 ，如下图。

（1）按1.3.3.2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 （Φk+β）/2夹角的平面），据几何关系求出l1，；再求出土钉在潜在破坏面以外稳定土体各土层中的长度l2i，按1.3.3.3节计算各土钉的极限抗拉承载力Rd0il2i。

（3）验算各层土钉的长度l是否满足下列条件：Fs,dNd0il2i 通过以上整体稳定性验算及抗拉承载力验算，若均满足要求，则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：其砼的强度、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；面层的厚度及砼的强度；砼护顶的宽度。 ③基坑侧壁土钉平面布置图：土钉位置、间距、钢筋直径、间距、面层砼强度、厚度。

3.4施工说明：参见《1土钉墙基坑支护设计》。

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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。 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（Q4ml）、全新统冲积物（Q4al）和上更新统冰水流水冲积物（Q3fgl）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（Q4ml）：全场分布，色杂，松散，潮湿，主要成分为建筑垃圾。 2 粉土②（Q4al）：分布于场地东南部，黄灰色，稍密，湿，厚0.30～0.60m。 3 粗砂③（Q4al）：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）：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。

5 卵石⑤（Q4al）：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。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。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。 4.4地基各土体主要物理力学指标见下表。

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地基岩土主要物理力学指标建议值

岩土名称杂填土粉 土粗 砂圆 砾稍密卵石中密卵石状态松散稍密稍密稍密稍密中密钻孔灌注桩cγfakEsEoφ(kN/m3)(kPa)(MPa)(MPa)(kPa)(度)q(kPa)q(kPa)sikpk1819192021222370100130170320500800 3811213550010000010151823283240203060901201503000半胶结卵石半胶结 4.5建筑物与勘探点平面布置图、工程地质剖面图附后。 4.6基坑侧壁内部稳定性验算剖面图

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5 设计步骤参考资料

（1）将基坑侧壁分成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,土层分布情况见下图。 （3）初拟尺寸及其它构造要求：

取基础外边缘线外出0.5m为基坑下口开挖线，侧壁坡角ß=80；取土钉竖向间距Sh=1.2m、水平间距Sv=1.0m；土钉直径d0=70mm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。

喷射混凝土面层配置钢筋网，钢筋直径为8mm,间距为200mm；喷射混凝土强度等级为C20，厚度为80mm;.坡面上下段钢筋搭接长度为300mm；

（4）抗拉承载力验算：以第一根土钉为例。 求受拉荷载N：

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tank1.6tan101.4tan230.7tan281tan181.3tan280.386.0 k=20.8

○

1.6181.4200.7211191.32119.6kN/M3

6.0Katan2(4520.8)0.48 22pm0.55kaH0.550.4819.66.031.0kpa)tan2(45k土钉中点的的深度为0.6+7sin10。/2=1.2m。则

1.2p131.024.8kpa6.04pqqka200.489.6kpapp1pq24.89.634.4kpaNPSVSh/COS34.41.21.0/COS1041.9kpa

求抗拉承载力：

潜在破坏面与水平面的夹角为（ß+Øk）/2=(80。+20.8。)/2=50.4。 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Rd0il2i=3.14×0.08×(2.65×40+1.07×100)=53.51KN >Fs,dN=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。 同理：对其它土钉采用相同的方法与步骤进行验算。 （5）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“4.6基坑侧壁内部稳定性验算剖面图”提供的北面基坑侧壁剖面图。

计算各土钉的受拉承载力Rd0il2i

第一根土钉：R1=53.51KN;

第二根土钉：在潜在破坏面以外圆砾、稍密卵石中的长度分别为4.49m、0.09m.，

R23.140.08(4.491000.09120)115.5KN

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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： R3=112.76KN; R4=123.29KN；R5=154.69KN 根据公式：

FswQcostaniiij(Rk/Shk)sinktanjcj(i/cosi)(Rk/Shk)coskwQsiniii条块1：

wi=0.63×1×19.6=12.3KN、Qi=0.83×1×20=16.6KN；

i=61○；i=0.83m；j=10○；cj=0；

Rk=53.51KN；

k=70○；

Shk=1m。

条块1的抗滑力（分子）、滑动力（分母）分别为：

分子1=(12.316.6)cos61tan1053.51sin70tan1053.51cos7029.64KN

ooooo分母1=(12.316.6)sin61o25.28KN

根据“4.6基坑侧壁内部稳定性验算剖面图”，其它条块的各参数分别如下：

wi Qi i(○) i(m) j(○) cj(kpa) Rk( KN) k(○) 条块1 16.6 16.6 61 0.83 10 0 53.51 70 条块2 34.3 16.6 55.5 0.83 23 0 115.5 65 条块3 66.05 16.6 50.5 0.83 25 0 112.76 60 条块4 67.42 16.6 46 0.83 18 0 123.29 55 条块5 77.62 16.6 42 0.83 26 0 条块6 32.73 0 38 0.83 28 0 154.69 49 同理可得： 条块1 条块2 条块3 条块4 条块5 条块6 分子( KN) 29.64 105.48 126.43 122.49 34.15 177.27 分母( KN) 25.28 41.95 63.77 60.43 63.04 20.15 29.64105.48126.43122.4934.15177.272.16＞1.2 因此，Fs25.2841.9563.7760.4363.0420.15 内部整体稳定性满足要求。

根据以上计算，土钉各参数可确定为：……

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