复合土钉墙基坑支护的变形与稳定性研究

复合土钉墙基坑支护的变形与稳定性研
究
摘要：众所周知，基坑工程的稳定性问题是一个动态的施工力学问题，做好基坑工程的稳定性工作，对于工程的顺利完成有着极为重要的意义，在施工的过程中，导致基坑变形的原因很多而且情况复杂，现阶段，复合土钉墙基坑支护的方法已经被广泛运用到实际的工程中，并取得了显著的成绩，因此，本文将针对复合土钉墙基坑支护的变形与稳定性进行简单的研究与讨论，希望能为建筑工程提供一些理论依据。

关键字：复合土钉墙基坑支护；变形；稳定性
土钉支护作为一种传统的支护方法，因其具有造价较低，安全可靠，方便施工和设计简单的特点，在基坑支护的施工过程中，已经被广泛采用。

然而，土钉支护结构也具有较高的技术局限性，比如地层对其的影响很大，如在砂土、软黏土或者地下水比较丰富的地层中效果极差，很少被采用，所以土钉支护结构一般会在地下水位较低、自立性较好的地层中使用。

而在一些不良土层以及对变形有严格限制的情况下，仅仅依靠土钉支护是很难顺利完成工程的建设，所以需要采用搅拌桩、锚杆、微型桩等与土钉共同作用，也就是我们常说的复合土钉墙支护。

复合式土钉墙支护技术是一种将传统土钉支护和其他辅助性支护措施以及对土体的超前加固手段相互融合起来的新型现代化工艺，是对于常规土钉支护技术的一种创新，这种手段不但具备了土钉支护的特点，并且还可以很好地发挥土钉支护技术的作用，在保障了支撑结构体系的安全与稳定性的前提下，适应了一些专门的施工要求，比如限制了基坑上部地块的变化，阻断了基坑土体内的水分向外渗流，解决了基坑开挖后地层表面局部塌落的问题，并且可以防止基坑底部地块发生隆起。

所以它们具备了较为普遍的应用场景和适合范围。

对于复合土钉墙支护技术，在建筑工程中得到了很多应用，并且在工程中积累了丰富的经验，但是对于其加固机制、开掘后的基坑变形及其稳定性的评价等问题研究不多。

1土钉的作用
土钉墙的主要受力构件为土钉及混凝土面层，其中土钉的受力特性主要表现在如下几个方面：
1.1用来箍束骨架
土钉刚度要比周围土体大得多，在基坑开挖后，基坑外侧土体发生变形，其变形受到土钉的约束，因土钉一般分布比较密集，在土钉之间易形成土拱，土拱的存在将进一步加强土钉对土体的箍束作用。

1.2应力传递和扩散作用
在土体的滑动区以外，依靠土钉与土体的相互作用，土钉将所承受的荷载沿着土钉全长扩散到周围的土体中去，减弱土体内的应力集中水平，延迟开裂的发生及发展。

1.3对坡面的约束作用
基坑开挖易造成土体侧向变位、塑性变形及开裂发展，工程处理不当，极易导致基坑侧壁鼓胀。

基坑坡面为钢筋混凝土喷射面层，与土钉连接，土钉能有效约束坡面鼓胀，从而限制土体的变形及塑性区发展。

1.4土体加固作用
钻孔注浆型土钉在注浆时，水泥浆液对周围土体产生挤压作用，并沿土体中的裂隙渗透，对周围土体产生加固作用，打入式的土钉会使周围的土体发生一定的挤压。

有研究资料显示，钻孔注浆型土钉能加固钻孔直径4倍范围内的土体，而打入型土钉能加固2-4倍土钉直径范围内的土体。

2复合土钉墙支护稳定性的研究现状
2.1强锚弱钉支护结构
该体系首先利用锚杆作为基坑的主要加固工具，抑制了对基坑全面剪切及其失稳特征的破坏，随后再依靠土钉为基础提供支护，抑制了对基坑边坡的局部性损害。

2.2强钉弱锚支护结构
以土钉墙为基础的主要施工手段，形成土钉墙，再辅之以锚杆的支护，限制了土钉墙和基坑顶之间的土体位移。

预应力复合土钉墙就属于这类。

我们需要借助土钉墙的分析技术，并充分考虑锚杆的抗拉效果，来做出基坑稳定性分析。

在基坑施工中针对其失稳的判断措施主要包括两种：一种就是以土体应力为判断基础，支护结构跟着土体的压力进行了开挖和推移动作，支护结构上的应力到达屈服极限或者是这个极限的强度作为损害判据。

另外一种是将材料在变形时的位置作为判断依据，将其在变形时所出现的变形或裂缝视为破坏，在土钉墙支护技术规范中，对于基坑位移最大数值有着明确的限制，但实际应用时多有不便之处，所以在实际施工中，依然是以经验分析为主，这就加强了判别的随意性，给工程设计留下了隐患。

其作为一种新型的基坑支护措施，对于预应力复合土钉墙支护结构的稳定性目前还没有统一的设计原则和计算方式，大部分都是按照现有土钉墙计算公式进行套用，因而都具备了近似特征，即使是土钉墙的预应力稳定性计算公式也并不能得到明确的定论，这一点仍然是土木工程学领域所探讨及关注的课题，且均采用定值法的方法。

3土钉墙的破坏形式
3.1密集土钉和周围的土体共同构成一个被加固的整体，若发生剪切或滑移式的破坏，则会呈现出一个整体性的破坏。

3.2可能是在滑移表面通过土钉进行加固，使得土体从上到下受压，此时土体根据滑动面分为主动区域与抗力地带。

前者是向外移动，其界面摩擦力为里向里，使得土钉受到的拉应力由端部开始逐步增大，并且在滑移表面上已经达到了峰值。

这一峰值拉力依靠土钉传到抗力区内，所以抗力区内土体与土钉之间的界面摩阻力方向与主动区相反。

于是就会发生土钉这两种不同类型的破坏，或者说土钉在最高受力横截面上被拉断，或者说土钉从土中拔出。

已有工程实践证明，
土钉的破坏通常是被拔掉。

土钉的被拉破坏也是由于另外一些因素造成，例如在滑动表面，土钉也不可避免地还是受到了剪力和扭矩。

由于开挖过程是从上到下分步进行的，所以土钉的内力大小及分布随施工过程变化，凭最终完工后的计算图形进行分析就会出现较大的误差。

这也是一般的工程计算方法难以正确估计土钉墙工作量的主要原因之一。

4土钉长度及布设方式对结构稳定性的影响
4.1土钉长度对结构稳定性的影响
为分析土钉的长度及不同的布设方式对稳定性的影响，针对不同的土钉长度对应的多种工况，各工况对应的土钉长度如下，其中预应力锚索长度减小是指其锚固段长度减小，其自由段长度不变。

相比于工况1对应的工程实例，工况2及工况3主要缩短了支护结构下部土钉及锚索的长度，工况4主要缩短了支护结构中部土钉及锚索的长度，工况5主要缩短了支护结构上部土钉及锚索的长度。

综合上述分析结论，可以发现，基坑底部土钉的长度对基坑的整体稳定性影响明显，基坑中上部土钉的长度对基坑的稳定性影响较小。

在基坑正常开挖条件下，基坑底部土钉轴力呈现端部最大，往后迅速减小的变化趋势。

在土钉的尾部，其轴力近似为零，在这种情况下可以适当减小土钉的长度。

但是在基坑稳定性分析中，基坑底部土钉的长度对基坑的稳定性系数影响最为为此，基坑底部的土钉长度应该以基坑的整体稳定性安全系数为控制依据，确定其长度。

各工况土钉长度（m）一览表
工况1
工
况2
工
况3
工
况4
工况5
土
99996
钉1
土钉2
1
2
1
2
1
2
1
2
9
土钉3
1
2
1
2
1
2
912
土钉4
1
5
1
5
1
5
1
2
15
土钉5
1
5
1
2
9
1
5
15
土钉6
1
2
96
1
2
12
4.2土钉横向间距对结构稳定性的影响
土钉水平方向上的间距一般在 1.0-2.0m之间，为分析土钉的水平方向间距对结构稳定性的影响，本文分析了土钉间距为1.2m、1.5m,1.8m三种工况。

经研究发现，土钉横向间距增大，对应基坑的侧向变形略微增大，但是关系曲线对应的拐点并没有发生明显变化。

因此，可以认为，在土钉的合理布设宽度范围内，土钉的横向间距对基坑的整体稳定性影响较小。

综合上述分析结论，可以发现，基坑下部土钉的长度是影响基坑整体稳定性的重要因素，基坑中上部土钉长度及土钉横向间距等影响因素对基坑整体稳定性的影响较为微弱。

5结语
总而言之复合土钉墙支护能够比较好地控制基坑的水平位移，稳定性较一般的土钉结构也有提高。

而复合土钉墙支护在实际的施工过程中已经被广泛使用，对工程的顺利进行有着非常重要的意义，因此做好复合土钉墙支护技术的研究及实践工作是非常重要的。

参考文献：
[1]王涛，熊传祥.复合土钉支护基坑的力学研究[J].岩土工程技术，2012:300-305
[2]周勇，苏天涛.基于不同土体本构模型的黄土地区深基坑稳定性分析及评价[J].兰州理工大学学报. 2020(01)
[3]傅志斌.基于失稳加速度的支护基坑稳定分析方法研究[D].中国地质大学2020。