浅谈土钉墙支护技术

浅谈土钉墙支护技术

作者：杨海波

来源：《装饰装修天地》2015年第04期

摘要：本文对土钉墙的概念、作用机理、破坏形式、设计方法、构造措施进行了系统的探讨。同时讨论了土钉墙在深基坑施工中的注意事项，最后本文就土钉墙目前存在的问题进行了相应的探讨。

关键词：土钉墙；支护技术

前言

土钉墙作为一种挡土技术，是在20世纪70年代初期出现的。在国外，较早研究土钉墙技术的是法国。1972年，法国承包商Bouygues提出了新奥法原理能够用于土质边坡和软岩的临时支护，并在法国Versailles附近的一条铁路边坡开挖工程中进行了成功的实践。该边坡最大坡高21.6m，长96.5m，坡度70°，总加固面积12000m2，使用25200根钻孔注浆锚杆，这是土钉墙有详细记载的首次应用。

一、土钉墙的概念

土钉是用来加固或同时锚固现场原位土体的细长杆件。它依靠于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，以弥补土体抗拉、抗剪强度不足的缺点。土钉墙是以土钉作为主要受力构件的边坡支护技术，由密集的土钉群、被加固的原位土体、喷混凝土面层和必要的防水系统组成。如右图所示，其主要是利用土钉将天然土就地进行加固，并与喷射混凝土护面相结合，产生主动制约机制，形成一个类似重力式挡土墙的“土钉墙”复合体，从而使土坡稳定的方法。该法以其独特的受力性能和良好的技术经济效果而在深基坑开挖、边坡加固中得到广泛应用。

二、土钉墙的作用机理

土钉是指通过钻孔、插筋和注浆等施工工艺放置于原位土体中的细长金属杆件，其沿通长与周围土体接触，依靠接触界面上的粘结摩阻力，与周围土体形成复合土体。因此，土钉只有在周围土体发生变形时，才因土钉与周围土体的变形不协调而受力，属于被动受力。这种变形不协调，在土钉与土体接触面产生的作用于土体的剪力的方向与土体位移方向相反，土钉对周围土体的加固正是通过这种剪力来实现的。

土体发生变形时，土体内沿土钉长度方向各点的变形速率和变形量不完全相同，致使土体的变形与土钉的变形不协调，在其界面产生相互的剪阻力，限制土体的进一步变形。另外，土体是三相体系，土体变形是土体固相颗粒发生重新排列、定向的宏观体现，固相颗粒位移引起

孔隙压力的消散与土的性质有关。土钉的长度、密度、倾角等对支护边坡的位移和土钉的受力均有影响。

三、土钉墙的构造及适用范围

1.土钉墙的构造

土钉墙结构由土钉和面层两部分构成，土钉主要包括：钻孔注浆土钉和打入式土钉两种形式。钻孔注浆土钉为最常用的土钉，一般采Φ6mm-Φ32mm的HRB335，HRB400钢筋，置于Φ70-Φ120mm钻孔中。浆液一般采用强度等级不低于M10的水泥浆或水泥砂浆。水泥浆水灰比般为0.5 左右，水泥砂浆配合比一般介于1：1～1：2之间，水灰比介于0.38～0.45。注浆土钉设定位支架以使钢筋居中，孔口宜设置止浆来及排气管。打入式土钉一般采用钢管打入土中形成。打入式土钉一般钉长较短施工简单快速，但不易用于密实胶结土中。

2.土钉墙的适用范围

土钉墙支护结构是一种原位土体加固技术，它是将土钉安设或打人基坑边坡土体内，将土体加固成能自稳的挡土结构。土钉墙的支护作用为：沿通长与周围土体接触，以群体与土体接触界面上的粘聚力或摩擦力，使土钉被动受拉给土体以约束，使其达到稳定边坡的作用。土钉必须和面层有效边接，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。土钉墙基坑侧壁安全等级宜为二、三级的非软土场地，基坑深度不宜大于12米。当直截了当下水位高于基坑底面时，应采取降水或截水措施。土钉墙属于重力式支护结构。

四、土钉的破坏形式

1.土钉结构的强度破坏

土钉有6种可能的破坏形式：1）土钉杆材屈服破坏；2）土钉与注浆体滑移破坏；3）土钉锚固体从土体中拔出；4）土钉锚固体周围土体剪切破坏；5）面板节点破坏如焊接脱离或者出现环状剪切破裂面等；6）土钉被剪断。

2.土钉结构的蠕变破坏

由于软土具有很强的流变特性，土钉试验得到的拉拔曲线很难达到收敛状态。因此如在软土中采用土钉，则应提高安全系数，达到1.6 以上或者基础施工中加快速度。

五、土钉墙的设计及验算

基坑土钉墙的设计内容主要包括土钉长度、布置间距、土钉钢筋直径及坡面喷射混凝土布网和厚度的选择。其验算包括土钉墙整体稳定性分析、土钉墙局部稳定性验算、基坑底的抗隆

起验算。与土钉墙稳定性分析有重要关系的设计参数主要有土的强度参数与、土钉的长度以及土钉的密度等。

六、土钉墙支护技术在深基坑中的注意事项

（1）施工前应彻底熟悉、掌握工程地质勘察情况、地下障碍物分布、埋深情况，地下洞穴、地下管线、渗水井的分布埋深情况。（2）要掌握地下排水管线的材质、距离、使用寿命、管径、排量、充满情况、是否渗漏，有无损坏等。（3）要掌握地下水分布情况，及时掌握丰水期施工地下水变化情况，并及时调整土钉分布数量。（4）基坑开挖时，要及时掌握地基土变化情况，出现砂类土要调整放坡，出现饱合土要查明原因，调整施工方案，制定相应措施。

七、土钉—土体相互作用的研究

土钉墙结构设计的合理性主要取决于对土钉的工作性能以及与土体相互作用的认识。1）为了确保护壁的稳定，设计人员往往人为加大土钉长度。据现场观察，土钉的极限抗拔力不一定与钉长成正比，超过一定长度后，土钉的极限抗拔力提高得很少。2）土钉内力的确定。就注浆钉来说，目前其界面粘结力主要参考无预应力注浆锚杆。而土钉的工作性能与土层锚杆的受力方式不同，土钉的抗拔力不仅由稳定区受力状态决定，而且与滑动区土钉的受力状态以及土钉材料的抗拉能力等有关。

八、复杂地层土钉墙的研究

一般来说，土钉墙只适用于有一定粘性的砂土和硬黏土，或有一定自承能力的土体，对于松散砂土、软黏土以及地下水丰富地区等使用土钉墙技术时，存在以下几个问题：1）由于土体松散其抗剪强度低，不能给土钉以足够的抗拔。2）由于土体松软和含水量高，土体不仅自承能力差，而坑或边坡的喷射面层难以形成。要保证基坑的稳定必须采用土体超前加固和与其他辅护方法相结合的方法。目前在富水地区及软土地区土钉墙研究已取得了一定的进展。对其机理做更深入的研究，必将其应用范围，促进土钉墙技术在基坑支护中的应用和发展。

九、结束语

深基坑土钉支护具有非常明显的经济技术效果，但迄今为止还存在着一些难以解决的问题，例如：土钉支护结构的变形、面层土压力与土钉密度、长度间的关系，最佳土钉间距的确定等，对土钉支护的机理也尚未完全清楚，因此有待于进一步研究。

参考文献：

[1]张明聚，郭忠贤.土钉支护工作性能的现场测试研究[J].岩土工程学报，2001；