土钉墙支护结构的设计及应用

摘要：通过对土钉墙支护的作用机理与工作性能的分析与研究，结合沈阳市某地铁工程土钉墙技术在深基坑支护的典型应用, 探讨了土钉墙设计中应注意的一些问题。

关键词：基坑工程 土钉墙支护 设计

Abstract:By analyzing and researching the mechanism and function of the soil nailing wall , combining with the soil nailed wall technology in deep foundation pit supporting the typical application in shenyang metro project, discussed the soil nailed wall design should pay attention to the issue.

Keywords：foundation pit；soil nailing wall；design

1.土钉墙概述

从目前国内外对土钉墙技术的应用状况以及研究的现状来看，土钉墙作为一种挡土技术已得到越来越多的应用。土钉墙由被加固土体、放置在土中的土钉体和护面板组成。天然土体通过土钉就地实施加固并与喷射混凝土面板相结合，形成一个类似重力式墙的土挡土墙，以此来抵抗墙后传来的土压力和其他作用力，从而使得开挖坡面稳定。

土钉技术的应用始于1972年，在法国凡尔塞附近铁路路堑边坡开挖工程中，采用了喷射混凝土护面板和在土体中置入钢筋作为临时支护，如图1所示[1]，并在完成多项钻孔注浆型土钉工程后，于1974年又首次采用了打入式土钉。德国、美国等在70年代中期开始应用此项技术。我国于80年代初期首先在山西柳湾煤矿边坡稳定中应用土钉，并开始土钉的试验研究和工程实践[2]。

图1有详细记载的第一个土钉工程(Bouygues，1972)

2.国内外的研究现状

为了把土钉墙支护结构技术更好地应用到工程中，人们对土钉墙的工作性能进行了深入的探讨和研究。重点对土钉内力、土钉墙变形、稳定性和钉土相互作用及界面特性等方面进行了分析探讨和分析。

I. H. Wong（1997）详细介绍了土钉墙的施工、

量测设备和土钉墙的工作性能及注浆后土钉墙的抗拔试验[3]，并与数值分析的结果进行了比较。

Erol Guler（2004）量测并比较了两个足尺土钉墙的工作性能和稳定性[4]，现场实验和理论分析都表明土钉的角度向上比向下能够取得较好的效果，土钉角度向上比向下能增加 10%～15%的土钉拉力，前者的安全系数为 1.2，而后者为 0.99；而且土钉角度向上会减少土钉墙的水平变形。

Patra and basudhar（2005）对用土钉加固的边坡进行了优化分析[5]，编制了边坡优化设计的计算机程序，认为土钉只受拉力作用，用极限平衡理论计算了边坡整体和局部稳定性系数。把土钉的位置、尺寸（长度和直径）、方向及极限滑动面的位置和形状作为变量，用非线性计算程序给出了解答。向上倾斜的土钉是一种最优化的设计方法，但最优角度很小通常是 0°～6°，不均匀的土钉间距会削弱土钉的整体性能。

3.土钉墙工作的基本原理

3.1.土钉墙的作用原理

土体的抗剪强度较低，抗拉强度几乎可以忽略，但是土体具有一定的结构整体性，在基坑开挖时，可存在使边坡保持直立的临界高度，在超过这个深度或者在超载及其它因素影响下将发生突发性整体破坏。

直立土钉墙顶比素土边坡承载力提高一倍以上，更为重要的是，土钉在受荷载过程中不会发生素土边坡那样的突发性塌滑。它不仅延迟了塑性变形发展、而且具有明显的渐进性变形和开裂破坏存在逐步扩展，直至丧失承受更大荷载的能力，但仍不会发生整体塌滑。

土钉墙的这些性状是通过土体相互作用实现的，这种作用一方面体现在土钉与土界面间阻力的发挥程度，另一方面，由于土钉与土体的刚度比相差很大，所以，在土钉墙进入塑性变形阶段后，土钉自身作用逐渐增强。从而改善了复合土体塑性变形和破坏性状。

3.2.土钉的作用机理

土钉在复合土体内的作用有以下几点：土钉对复合土体起着箍束骨架作用。箍束骨架作用是由土钉本身的刚度和强度以及它在土体内分布的空间组合方式所决定的，它具有制约土体变形的作用，并使复合土体构成一个整体。

土钉起着分担作用。在复合土体内土钉分担的比例取决于；1、土钉与土体的相对刚度比 2、土所处的空间位置；3、复合土体的应力水平。

土钉起着应力传递与护散作用，土体部分的应变水平与荷载相同条件下的素土边坡相比较是降低了，从而推迟了开裂域的形成和发展坡面变形的约束作用，在坡面上设置的与钉连在一起的钢筋网喷射混凝土面板也是发挥土钉有效作用的重要组成部分。

4.设计中应注意的几个问题

4.1.土钉支护的适用土体范围

适合土钉支护的土体包括：有一定毛细水粘聚

力的中细砂土(含水量不小于 5％～6％)，有一定天

然胶结能力的砂土和砾石土，具有天然粘聚力的粉

土及低塑粘土，以及风化岩层等。

法国和美国的一些设计资料指出，塑性指数 IP

大于 20 的粘土不宜修建永久土钉结构。塑限ωP 大于 20，液限ωL大于 50 的粘性土在没有深入测定其徐变性能时不能建造土钉结构。

4.2.土钉长度

量测表明，在一般土体(不包括软土中，沿支护高度上下分布的土钉，其在使用状态的最大内力相差甚多，一般中部大，上部和底部都偏小，中部土钉所起作用较大。但是顶部土钉对于限制支护最大水平位移甚为重要。

4.3.土钉间距

为使土钉与周围土体形成一个组合的整体，土钉间距不能过大，目前尚不能给出有足够理论依据的定量指标，但土钉的水平间距与垂直间距的乘积应不大于 6.0 m2。一般工程中多取土钉的水平间距与竖向间距相等，在非饱和土中为 1.2m～1.5 m 左右。对坚硬粘土或风化岩土有超过 2.0m 的，而对软土则可小于 1.0 m。一般来说，土钉的间距不宜超过 2.0 m，底部土钉的间距也不宜减少，除非底部土层具有较强的抗剪能力。

4.4.土钉倾角

对直立的支护，土钉倾角一般在 0°～25° 之间，取决于注浆钻孔工艺与土体分层特点等多种因素。

4.5 地下水

设计时要充分考虑地表径流、地下水管变形后漏水和地下水的影响。

5.工程实例

沈阳某地铁车站周围现状为广场、绿地和商业区，远期规划为高层住宅楼。车站基坑与北侧的某集团的待建建筑基坑不同期施工，为了保证车站施工工期，决定车站北侧采用大开挖，坡面采用土钉加固处理，为了不扰动待建建筑基础的持力层，放坡放到距地面12米处，车站基坑底标高距地面17米，两基坑5米高差采用直径800间距1200的钢筋混凝土灌注桩。

设计参数：（1）放坡采用宽高比为1：2，分两阶放坡，每阶坡高6米，平台宽度8米。第一阶土钉孔直径130mm，倾角20°，土钉直径为φ20钢筋，面层横向连接加强钢筋为φ16，水平间距为1.5m，沿深度方向设置四排：第一排土钉长4.5m，位于地表以下1m；第二排土钉长4.5m，位于地表以下2.5m；第三排土钉长4.5m，位于地表以下4m；第四排土钉长3m，位于地表以下5.5m；第二阶土钉孔直径130mm，倾角20°，土钉直径为φ28钢筋，面层横向连接加强钢筋为φ20，水平间距为1.1m，沿深度方向设置四排：第一排土钉长4.5m，位于地表以下7m；第二排土钉长4.5m，位于地表以下8.5m；第三排土钉长3m，位于地表以下10m；第四排土钉长3m，位于地表以下11.5m。（2）坡面防护采用挂网混凝土，挂网钢筋采用直径8mm间距150x150mm，混凝土采用C20混凝土，厚度150mm；坡面防护从天沟外1米到坡底的范围内全部进行防护。（3）注浆用水泥砂浆水灰比不宜超过0.4-0.45，灰砂比为1：1-1：2，且砂的粒径不得大于2mm,注浆体3天强度不低于10MPa。如图2所示，目前该工程已顺利完成。

图2沈阳某地铁车站土钉工程

6.结论

土钉支护技术以特有的施工空间小、造价低等优点已经在各种工程中得到越来越广泛的应用。土钉支护设计除了本文提到的几个问题外，还应该注意基坑边坡位置附近的地质、水文条件、周边环境条件、地基土参数的试验方法、取值等等，这些都是确定土钉支护设计的主要因素，需要设计人员在方案实施阶段重点考虑。

参考文献

[1] BRUCE D A, JEWELL R A. Soil nailing:IIApplication andpractice[J]. Ground Engineering, 1991,11.

[2]达、王秉纲.公路挡土墙设计[M].北京：人民交通出版社，1999：242~246