基坑土钉支护技术设计与施工要点分析

【摘要】土钉支护技术已经成为工民建施工中基坑开挖所采取的常用技术措施之一，因其具备很多优点，近些年来在基坑工程中得了广泛应用。文章介绍了土钉支护的原理和适用范围，对土钉支护技术的设计和施工要点进行了分析。

【关键词】土钉支护设计要点施工要点

中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：

随着我国城市建设的迅速发展，大楼越盖越高。基坑也越挖越深，工程条件越来越复杂。基坑支护问题也越来越重要。基坑支护处理不当，很容易给国家和人民的生命财产造成巨大损失。20世纪90年代后，一种新的基坑支护技术——土钉支护开始使用，并取得了巨大成功。

一、土钉支护原理与适用范围

1、土钉支护原理

土钉支护是以密而短的土钉(锚杆)安设或打人基坑边壁土体内。将土体加固成为能自稳的重力或挡土结构。基坑边壁加设钢筋网片(喷锚网)喷射混凝土面层对坑壁进行全封闭，防止雨水冲刷、浅层坍塌、局部剥落．起隔水防渗作用。土钉支护将土钉(锚杆)与土体合为一体。共同工作，具有施工简便、快速灵活、适用性强等特点。

2、土钉墙支护结构的适用范围

土钉墙支护应用范围非常广泛，主要有

(1)土体开挖时的临时支护，高罢建筑等深基坑开挖，地下机构施工开挖，土坡开挖等。

(2)永久挡土结构，这类工程一般与施工开挖时的临时支护结合，如路堑土坡挡墙、桥台挡墙等。

(3)现有挡土结构和支护的修理，改建与抢修加固等。

(4)边坡稳定，用于加固可能失稳的堤坡。

二、基坑工程中土钉支护的设计

1、土钉支护设计的有限元法

土钉支护主要是通过土钉来改善基坑开挖面附近的土体强度，以达到支护目的，是一种柔性主动制约机制的支护技术。土钉支护技术由于涉及的问题较多，如面层上的土压力大小、土钉的有效长度及间距、滑裂面、支护结构变形等。因此，需借助数值模拟的方法对这些问题进行解决。有限单元法是岩土工程中较为常见的一种数值分析方法。从原理上讲，有限单元法将支护和土体都作为变形体，分析基坑开挖和卸载条件下土体和各支护点的应力位移，是一种适用性广、合理准确的设计计算方法。

2、土钉支护的设计要点

进行土钉支护设计，首先要根据工程类别和施工经验，初步选定各部件的尺寸和材料参数；其次，进行计算分析，其主要包括以下几个方面的内容：

（1）支护的内、外部整体稳定性分析。内部稳定性可按圆弧破坏面采用条分法进行分析，对于外部，可以将土钉加固的土体当做挡土墙，并以此进行抗隆起、抗倾覆、抗滑动和抗管涌验算进行稳定性分析。

（2）土钉设计计算。其中包括土钉设计内力、最大抗力和土钉长度的确定，以及土钉抗拉断裂极限状态计算和注浆钉包裹体锚固极限状态计算。

（3）喷射混凝土面层的设计计算。

（4）土钉与混凝土面层的连接计算；最后，根据以上的计算对各部件的初步参数进行调整及修改，绘制施工图开始施工。

三、土钉支护的施工要点

1、基坑开挖

土钉支护要分层进行，每层开挖的最大高度取决于土体的整体稳定性能及土钉竖向间距的大小，以便于安全、快速的施工。济南地区一般不大于2.5m。每层开挖的纵向长度，取决于交叉施工期间保持边坡稳定的坡面面积和施工流程的相互衔接。在济南地区一般取20-30m。所用开挖设备必须最大限度的减少对支护土层的扰动。坡体表面松的部分在支护之前必须予以清除。开挖过程中必须遵循完成上层支护以后方可开挖下层作业面的原则，以控制边坡变形及保持边坡稳定，确保安全施工。在实际施工中因违反该原则造成边坡失稳的事故经常发生，应予以重视。

2、喷射混凝土面层

根据地层的性质，确定喷射混凝土面层的施工时间。一般情况下，为了防止坡面土体松弛和崩解，必须尽快施工喷射混凝土面层。对于土体较松散和含水量较大或坡体有渗水情况的地层，必须在土钉施工之前完成，最好在作业面具备后几个小时内完成。喷射混凝土强度等级应不低于C15。由于喷射混凝土强度受很多因素影响而变化较大，在设计、施工中必须引起重视。水泥含量为最佳值时，能提高喷射混凝土早期和极限强度，当水泥用量超过这一标准时，喷射混凝土瞬凝之后一旦受到扰动，其早期和极限强度均会降低，目前常用的配合比为：水泥：石屑：砂=1：2：1；为了使喷射混凝土速凝快硬，减少回弹损失，防止混凝土因重力作用引起脱落，常在混凝土干拌料中加入一定量的速凝剂。但必须注意速凝剂的掺量在一定范围内（一般为水泥用量的2.5-4％）才有利于提高早期强度，后期强度损失也较小。若速凝剂掺量进一步加大，则喷射混凝土的早期极性及极限强度都会有所降低；喷射混凝土骨料含水量也会影响其强度，最佳含水率为5％。如含水率低于3％，骨料不能充分被水泥包裹，从而喷射时回弹较多，硬化后混凝土密实性较差。当骨料含水率高于7％时，材料有成团结球的趋势，喷射口处的料流不均匀，并容易引起堵管，且引起水泥预水化，造成较低的早期极性和强度；喷射条件直接影响混凝土的强度；喷射手的技术水平是控制喷射混凝土质量的一个重要因素，技术不佳会因裹入回弹或对水控制不当而造成产品的强度及均质性降低。

混凝土面层中应配备一定数量的钢筋网，钢筋网能对面层起加强作用，并对调整面层应力有着重要意义。在编制钢筋网时应注意使钢筋网与土体坡面保持一定距离，不小于2.5cm，并保持钢筋网沿坡面纵向连接，使其整体性良好。

3、土钉支护施工

土钉支护施工包括定位、成孔、置筋、注浆和焊接锚头等工序。当土层整体性较差或含水量较大时，成孔后应迅速放置钢筋，且要在钢筋上须每隔2-3m焊置一个定位架，以保证钢筋位于孔中心，然后尽快注入浆液，以防止塌孔造成置筋困难和注浆效果不好。

为了保证浆体的密实，必须采用自孔底向外压力注浆法注入一定配合比拌和均匀的水泥砂浆或纯水泥浆液。在注浆时，随着浆液注入，应逐渐的将注浆管向外拔出直至孔口，这样可将孔内的水和气排出，以保证注浆质量。一次注入浆体初凝后再进行二次补充注浆，以补充一次注入浆液因凝结失水所减少的部分。二次注浆是在孔内预设二次注浆管，浆液常为纯水泥浆。

待孔内浆体达到一定强度后，可以焊接锚头。土钉锚头形式多样，但必须与土钉焊接牢固，并于钢筋网连接，使其与喷射混凝土面板成为一体。

4、加强排水措施控制基底水位

因基坑底部地下水位较低或进行人工降水将地下水位降了下去，所以进行土钉支护的基坑，基坑边坡含水量较少。水体的入渗或地下水位上升会使土体含水量增大，土体学参数c、Φ值降低，进一步降低土体和土钉之间的界面粘结力了，而且土体含水量的增大使侧向土压力明显增大，致使土钉墙位移增大、安全系数降低，对保持基坑边坡稳定是很不利的。

由于喷射混凝土的水泥含量较大，水灰比小，砂率高，且粗骨料粒径较小等原因，致使具有较高的抗渗性，因此，防止水体渗入主要是在坡顶，而非坡面。应在坡顶设置排水沟，并在坡顶一定范围内用混凝土或砂浆护面，以防止地表水渗入。若仍存在不可阻挡的入渗水源（如地下水管线的渗漏等），则应在喷射混凝土面层中适当位置设置排水管，并在坡底设置排水沟和集水井，以排出坡内水体并及时排走。

5、密切监测，及时做好记录与分析

对于土钉支护工程，监测工作是非常必要的，最为直观和重要的监测是土钉墙顶的水平位移和垂直位移。若出现位移突变和跳跃点应立即停止开挖施工，分析变形原因并进行处理，而后方可继续进行施工。做好施工期间的监测工作，可以达到信息化施工的目的，对于保证工程质量和安全施工均有重要意义。

结束语

总而言之，在基坑工程土钉支护的设计与施工中，应遵循土钉支护的设计原则，选择适当的计算方法做好设计工作，以此保障土钉支护施工的顺利进行，从而为提高土钉支护的施工质量提供保障。

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