土钉墙支护技术应用及机理与设计优化探讨

1、土钉墙支护技术应用及机理与设计优化探讨 摘要：本文通过对基坑土钉支护技术规程CECS96：97进行了深入学习理解，客观地探讨了土钉支护技术的内在机理，系统地对十多年里，作者已取得的成功经验作了的总结。在理论与实践的基础上，精辟地提出了土钉支护技术应用在设计与施工时应更进一步优化的新理念。可供同仁们参考。关键词： 土钉支护 应用 机理探讨 设计优化1土钉墙支护技术概要土钉墙支护技术是在基坑边坡土体中置入一定长度和分布密度的钢筋或钢管等（俗称“土钉”），通过“土钉”的作用主动约束基坑边坡土体的塑性变型，使之与边坡土体牢固结合而共同工作，达到弥补土体自身强度的不足，增强基坑边坡自身稳定性能的作用，从

2、而确保基坑作业面的安全生产。根据土钉墙的施工方法，可分为“打入型土钉”和“注浆型土钉”两种。所谓“打入型土钉”就是将钢筋或钢管直接打进边坡土体中，它只适合于较浅基坑支护；所谓“注浆型土钉”就是通过机械成孔后再穿钢筋或钢管，然后进行压力注浆，它适用于较硬土质和岩石类别的深基坑。土钉墙支护技术具有经济、施工快的显著优点。2土钉墙设计方法及分析2.1基坑边坡土体破坏分析基坑边坡土体破坏特征是土钉墙支护设计的依据，从工程实践及土（岩）体的物理特征可以看出，土体（岩体）边坡的破坏常常存在三种破坏特征；一种是局部剥脱，体现在稳定土体（岩体）边坡上的局部松散物；另一种是较大面积的坍塌，体现在边坡坡度过小，不

3、稳定土体在塑形变形过程中出现垂直裂缝的状况，这种状况会直接导致不稳定土体从裂缝处从上而下崩溃倾覆；第三种是局部滑坡或整体滑坡，土体体现在沿坡脚滑坡的较多，也有在坡脚以下出现滑移造成基坑隆起的破坏，岩体主要体现在边坡岩体的顺层滑坡，特别是风化的泥岩尤为严重等；对于土体边坡另有一重要的特征，就是它的塑变从滑坡体的顶部开裂逐步向下塑变直至滑坡。从上述分析可以看出，基坑边坡土钉墙支护设计及构造，必须满足能约束上述三种破坏特征才能保证边坡的稳定。但是，土体塑变的特征也给支护带来优化的可能。2.2土钉墙设计方法介绍及分析计算原则根据基坑土钉支护技术规程CECS96：97的规定（以下简称规程）综合来看，土钉

4、墙设计计算应遵循以下几个原则：.1只考虑土钉的受拉作用；.2土钉的设计内力按规程规定的侧压力图形计算；.3土钉的尺寸应满足设计内力的要求，同时还要满足内部整体稳定性的要求；.4土钉墙坡面结构要能满足边界约束，限制坡面膨胀的外部要求；.5土钉墙的整体稳定要满足重力挡墙抗滑移抗倾覆的要求。计算方法及分析.1确定边坡土体稳定坡角（）：边坡土体稳定坡角（），确切地说应叫破裂面夹角，它是计算土钉长度的重要参数。如下图所示：规程规定=450+/2，对于分层土体，值根据各层土的tanj值按其层厚加权的平均值算出。分析探讨1：从土钉长度的设计规定（l=l1+Fa.dN/d0）可以看出，值的大小直接影响到土钉的

5、长度，进而影响到边坡的安全度，对于直立的边坡，按=450+/2是非常准确的。但对于斜坡土体则不尽然，也不准确，从各类土力学试验资料介绍分析，边坡土体的滑动破坏面与边坡的斜坡度（）有一定的关系，资料介绍显示，（如下图-a-2）边坡的坡度i越小，其边坡土体的破裂面夹角越大，这完全符合土体塑变的力学性能。地基与基础工程新技术实用手册按下图定量分析，根据朗肯库伦土压力的推导方法计算出了不同土体斜坡裂面夹角。斜坡土钉设计时可按该表选定，见后表2.2.2-1所示。 土斜破裂面夹角 表-1 90898887868584838281807978771050494746454443424140393837371

6、151504847464544434241403939381251504948464544444342414040391352514948474645444443424141401452515049484746454444434241411553525150494847464544444342421653525150494848474645454443421754535251504948484746454544431854535252515049484747464545441955545352515049484747464545442055555453525150504948474746462

7、156555453535251505049484847462256565454535252515050494848472357565554545352525150504948482457575655545453525151505049482558575656555453535251515050492658585756555554535352515150502759585757565555545353525251502859595857575655555453535252512960595958575656555554535352523060605958585756565555545353523

8、161606059585857565655555453533261616059595857575656555553533362616160595958575756565554543462626160605959585757565655553563626261606059595857575656553663636262616060595958575756563764636362616160605959585757563864646363626161606059595857573965646463636261616060595958584065656464636262616160605959584

9、16665656464636262616160605959426666656564646362626161616060436766666565646363626262616160446767666665656463636262616160分析探讨2：对于土质类别的基坑边坡的稳定坡角计算，也可按照泰勒图解法计算。公式：Ns=KPHc/C nd=H/Hc式中：Ns稳定系数； P基坑范围土体密度（KN/m3）; Hc-基坑开挖深度（m）; K安全系数，取K=1.3； nd-深度系数；H软土层的厚度。按上式计算出Ns，nd后，即可根据泰勒图解查得稳定坡角。在实际运用中，我们发现泰勒图解非常保守，没有充

10、分发挥土自身稳定性的作用。.2计算土钉的设计内力N规程规定：在土体自重和地表均布荷载作用下，每一土钉中所受的最大拉力或设计内力N，可按如下图-b所示的侧压力分布图形用下式求出：N=1/cos*P SV Sn P=P1+Pq式中：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； Pq-地表均布荷载引起的侧压力； SV-土钉竖向间距，Sn-土钉水平间距，均取1.22.0m图中自重引起的侧压力峰压Pm：对于C/H0.05的砂土和粉土：Pm=0.55KaH；对于C/H>0.05的一般粘性土：0.2HPm=Ka（1-2C/H*1/Ka

11、）H0.55KaH；式中：土的重度； H基坑深度； Ka-tg2（450-/2）。对于性质相差不远的分层土体，上式中的C、及值可取各层土的参数tgj、Cj、j按其厚度Hi加权的平均值求出。对于流塑粘性土，侧压力P1的大小及分布需根据相关测试数据专门确定。当有地下水及其它地面、地下荷载作用时，应考虑由此产生的侧压力。.3计算土钉长度L土钉长度L=L1+La （如图-a-1所示）规程规定：各层土钉的长度尚宜满足下列条件：LL1+ FadN/d0式中：Fa、d土钉的局部稳定性安全系数，取1.21.4，基坑深度H6.0m时取1.2；6<H12m时取1.3；H>12m时取1.4。 d0-土钉

12、孔径，一般在75150mm之间； 土钉与土体之间的界面粘结强度按下表-C选用。因此，土钉长度L可用上式求得。.4计算土钉（钢筋）直径d规程规定：各层土钉在设计内力作用下应满足下式：FadN1.1d2/4*fh的要求，式中：d-土钉钢筋直径； fh钢筋抗拉强度标准值。根据上式可求出满足内力要求的钢筋直径。 界面粘结强度标准值 表-C土层种类（Kpa）杂填土3060粘性土软塑1530可塑3050硬塑5070坚硬7090粉土50100砂土松散7090稍密90120中密120160密实160200 .5对支护作内部整体分析土钉支护的内部整体验算，是防止边坡土体中可能出现的破坏面发生在支护内部并穿过全部

13、或部分土钉。规程规定：假定破坏面上的土钉只承受拉力且达到最大抗力R，取单位长度支护进行计算，按园弧破坏面采用普通条分法对支护作整体稳定性分析，如下图-d，可按下式计算出内部整体稳定性安全系数Fa。即：Fa=（Wi+Qi）cosdi*tanj+（Rk+Shk）sink* tanj+Cj（i/cosi）+（Rk+ Shk）cosk/ （Wi+Qi）sini式中Wi、Qi作用于土i条的自重和地面、地下荷载； i土条i园弧破坏面切线与水平面夹角； i土条i的宽度；j土条i园弧破坏面所处第j层土的内摩擦角；Rk破坏面上第k排土钉的最大抗力；k第k排土钉轴线与该处破坏面切线之间的夹角；Shk第k排土钉的水

14、平间距。分析图如下：式中Rk为土体破坏面上每一土钉达到的极限抗拉能力，规程规定按如下两式计算，并取其中的最小值：按土钉受拔条件 R=La按土钉受拉屈服条件 R=1.1d2/4*fh式中d0-土钉孔径；d土钉钢筋直径；La土钉在破坏面侧伸入土体中的长度；土钉与土体之间的界面粘结强度；fh钢筋抗拉强度标准值。对于靠近支护底部的土钉，尚应考虑破坏面外侧土体和喷混凝土面层脱离土钉滑出的可能，其最大抗力尚应满足下列条件：Rd0（L-La）+R1式中R1为土钉端部与面连接处的极限抗拔力。.6喷混凝土面层设计规程规定：在土体自重及地表均布荷载q作用下，喷混凝土面层所受的侧向土压力P0可按下式估算：P0=（P

15、01+Pq）P01=0.7（0.5+（S-0.5）/5）P107P1式中SSv、Sh中较大值。喷混凝土面层的设计，按钢筋砼设计规范结构极限状态设计方法计算，设计时对作用于面层上的土压力，应乘以荷载分项系数1.2后作为计算值，根据支护工程的重要性，另要取结构的重要性系数1.11.2。计算时可按以土钉为点支承的连续板进行强度验算，其验算内容包括板在跨中和支座截面的受弯，板在支座截面的冲切等。.7对支护作外部整体性分析土钉支护的外部整体稳定性分析与重力式挡土墙的稳定分析相同，可将由土钉加固的整个土体视作重力式挡土墙，分别验算：（1） 整个支护沿底面水平滑动；（2） 整个支护绕基坑底角倾覆，并验算此时

16、支护底面的地基承载力；具体分析计算时，参照建筑地基基础设计规范进行。实践证明，按上述要求加固后的土体边坡其我外部整体总是稳定的。分析与探讨3：从上述综合的规程规定的设计及分析过程来看，其设计计算是一个非常复杂的过程，况且其计算方法仍然是经验型的，并没有充分发挥土钉墙机理的全部作用，对于稳定坡角（）土钉与土体界面粘结强度（）两个参数的选定不同，其计算结果也会不同，也就是说，就规程规定本身来说，就存在设计优化问题。特别是计算原则仅考虑了土钉的受拉作用，忽略了土钉的抗剪作用，而实际上，当土钉通过喷钢筋砼面与土体加固成一个整体时，这时土钉的抗剪作用在一定程度上抵减了可能滑移土体的下滑力，土质越硬，该作

17、用越强，特别是岩体，而且越是靠近根部，其作用越强。另外，对于边坡滑动土体当边坡无约束时，一但产生滑动倾塌，其滑动土体与稳定土体间滑动面上的摩阻力可以当作是零，但是，当边坡土体被土钉及喷面约束后，这时产生的下滑趋势迫使滑移土体紧贴滑动面滑动，此时产生的摩阻力是够大的。应该说这两种机理的存在都应成为设计优化的条件。下面，我们通过工程实例的运用分析来详细探讨其机理及优化方法，供参考！3土钉墙应用实例及机理探讨与优化设计分析3.1土钉墙应用实例实例1：用钢管（48）土钉（那时无“土钉”墙的概念，方案中我们称“简易土层抗剪锚钉”打入土中）加固武汉阳逻电厂二期排水方涵施工中已开裂的边坡，使用时间95年6月

18、，如下图3.1-1所示。 运用原理：根据当时情况，出现了两条纵向裂痕，当时我们认为是回填区开裂未重视，结果经过约三天左右发出宽度达到7cm，且出现了下滑错层的趋势，配电室地梁也发现了微细裂缝，为了防止边坡失稳，我们借鉴农村筑堤打泥巴桩的原理，用48的短钢管直接打入进行了加固，间距2×2m。其验算方法：按照布置的钢管在滑裂面处能承受滑移土体重力作用下的剪力破坏，我们当时取名叫“抗剪锚钉”。采用该方法后，遏制了边坡的滑移，效果良好。实例2：在百盛广场地下室施工过程中再次用48钢管支护边坡。使用时间96年16月。如下图3.1-2所示。概况及运用原理：设计资料提供，该基坑土为软塑性的淤泥质粘

19、土，开挖后发现，除基坑中间有淤泥外，边坡土均在可塑与硬塑之间，况且在基底坡角边按轴线间距均有桩基，可以阻止边坡下的大滑移。根据这些条件，我们借鉴阳逻边坡加固的经验，按1：0.5放坡，按水平方向2m的间距打入了三排48×3.5长度2m的钢管作为支护，支护验算仍然按抗剪切进行，经过长达6个月的地下室施工（地下室面积2万m2），边坡无一处滑移，非常安全。实例3：株洲电厂输煤系统-24.5m深基坑边坡采用土钉墙支护技术，使用时间2002年3月8月。概况及运用原理：株洲电厂输煤系统工程属于二期技改项目，地质资料分析，地基结构层面分别为杂填、硬塑状粉质粘土、强风化泥质粉砂岩，中等风化泥质粉砂岩，

20、主要建筑物基础根据输煤工艺要求置于地下强风化岩或中风化岩层，基本无地下水，基础埋深有-14.6m、-24.5m、-18.9m三种，基坑开挖采用爆破方案。基坑开挖后发现深度6m处为粘土和风化岩的分界线，岩层基本走向为由北向南倾斜约450，局部走向不规则，岩层风化程度严重，薄片、块体较多，裸露后自动剥落现象严重。由于受沿江北路的限制，基坑南边不能按大放坡开挖，从技术先进、经济合理、安全可靠和施工方便等综合考虑，我们采用了陡坡开挖土钉墙支护的方案，具体方法如下图3.1-3所示。该土钉墙计算根据规程规定进行，同时在一定程度上考虑了岩石的自稳性能，其加固机理及作用体现在三大方面：首先通过土钉的锚固防止边

21、坡局部失稳，同时，通过土钉的锚固将边坡风化岩体整合成一垛稳定的大型挡土墙壁。通过钻孔压力注浆，使水泥胶浆充填风化岩体裂隙，增强岩块间的结合，使破碎岩层的整体性加强，有利于边坡稳定。在边坡采用喷钢筋砼护面。一方面阻止了风化岩体的剥落和雨水的冲刷软化，保证了边坡的稳定，同时，护面与土钉结合更有利于挡土墙的整体性。 3.2土钉墙机理探讨与优化设计分析通过工程应用与各类资料分析，我们认为规程的规定尽管很大程度上符合了土钉墙的工作原理，但理论计算结果与实际应用差别较大，也就是说，规程的规定只是近似的、保守的，并没有最大程度地按土钉墙的作用机理进行优化。下面，我们通过应用经验和各类资料分析结合土力学理论来

22、详细分析土钉墙的作用机理，然后通过作用机理来探讨最优化的设计分析。土钉墙支护机理探讨土钉墙支护体系是一种通过“土钉”与土（或岩石）牢固结合而共同工作的主动制约机制的支挡体系。它一方面体现了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，所以在土钉墙壁进入塑性变形阶段后，土钉自身作用逐渐增强，从而改善了这种复合土体塑性变性和破坏性状。我们通过下图的形式来分析土钉在复合土体中的作用机理以及复合土体的整体作用机理。.1根据土的力学性质，没有约束的边坡土体，当边坡角度不满足稳定坡角要求时，它会在外力及自重的作用下发生塑型变形直到沿如上图a-b面滑移，这个塑变从b点开始开裂逐渐展

23、开，是一个渐变的过程。置入土钉后，土钉起作箍束骨架的作用，土钉利用自身的强度和刚度以及在土体中合理的空间组合，将主动区土体和稳定区土体连在一起构成新的复合土体，此时土钉不但起到制约土体变形的作用，并使复合土体构成一个整体。如上图所示，此时边坡稳定至少由a-b-c-d范围的土体提供，形成稳定的重力挡墙而工作。这就是土钉墙支护最终目的，一切内部稳定的验算都是为了最终外部的稳定。.2复合土体形成后，土钉和土体共同承担外力及土体自重应力，一旦主动区土体进入塑性状态，应力逐渐向土钉转移。当土体开裂时，土钉的分担变大，此时土钉会出现弯剪、拉剪复合应力。根据土的塑性变形性能来分析，边坡上下的土钉受力大小是不

24、一致的，土体的质地越坚硬，这种区别越大。下面，我们根据坡度不同和土质的不同进行一下简要分析。a.当边坡为直立土坡时，破坏土体的塑性变形是倾覆性的，顶部破坏位移较大，这种变形趋势使顶部土体所承受的拉应力最大，剪应力很小，顶层土钉属拉剪变形，而要低抗这种变形，下面各层土钉开始在变形过程中逐步担负所产生的应力，从第二层开始，土钉除承担限制开裂的拉应力之外，还要产生挑的作用，限制塑变土体的继续下沉，这时下面各层土钉进入了剪弯变形。越往下，弯曲变形越小，剪切变形越大，坡脚底部土钉应该更是只起阻止滑移的作用。当边坡带有一定坡度时，此时破坏土体的塑变以滑动的形式出现，塑变应力相对变小，各层土钉拉、弯、剪的复

25、合作用相对平衡，其规律同直立坡度基本类似，只是比直立边坡更为安全。b.当加固土体为岩体时，应该说其作用机理产生了较大的变化。一方面，岩体的自稳性能非常强，另一方面，无论是破坏体还是稳定体，其块体刚度较大，一旦被土钉加固成稳定的复合体，这个复合体的耐久性很强，而且岩体的假定滑移面并不遵从土质边坡的规律，它是沿岩隙顺层方向逐步滑坡或整体滑坡。加固的作用机理体现在三个方面：一方面，土钉起“销钉”的作用，将可能滑动的岩层按重力挡墙稳定的范围串起来，形成一体，达到整体受力稳定的要求；另一方面，土钉压力注浆在一定程度上注入了分层的岩缝，增加了岩体间的粘结力，有利于自稳性能的强化；第三方面，坡外喷层钢筋砼结

26、构同土钉、岩体三位一体的作用使复合岩体的稳定性进一步加强。所以岩体的加固更应充分地利用其特点进行优化。C.土钉墙钢筋网喷射砼面板的作用机理是限制坡面膨胀，削弱内部塑变，加强边界的约束。这对于开裂变形阶段尤为重要。面板提供的约束取决于土钉表面与土体界面间的阻力，当复合土体开裂区域扩大并连成片时，摩阻力仅由开裂面后的稳定土体提供。在这种状态下，可以看出：对破坏土体的锚拉力同样是由上面各层土钉承担，越往下越弱。通过上述机理分析，我们可以得出这样一个结论：土钉墙支护结构经过塑变进入稳定工作状态时，其土钉的受力状态应该是：其上部土钉受力最大，且主要承受拉、弯变形；其下土钉受力逐步减小，且主要承受剪、弯变

27、形；加固后的主动区塑变土体以其一定的刚度提高了整体受力性能通过土钉与稳定土体牢固结合。根据滑动土体上大下小的块体形状来看这个结论应完全成立。下面，我们就可以根据这个分析结论进行土钉布置的优化设计。土钉布置设计优化思路分析根据上面对土钉墙支护的机理分析，充分考虑土体渐变的塑变特征，我们可以按以下几个思路对土钉墙壁进行设计优化分析。.1锁住始发变形应力思路锁住始发变形应力是防止边坡土体开裂和进一步开展的关键。始发变形应力由滑移土体重心以上的土体提供，只有当这段土体塑变脱离了与被动土体之间的粘聚约束后才全部作用于下部使之一起破坏滑移。这完全符合边坡土体变形的力学性能。因此，在设计时，我们可以按土钉的

28、箍束作用将这段土体拉住与被动土体连成一体，只要消除了这段土体自重下滑趋势的始发应力，就止住了上部的开裂变形及下滑趋势。.2锁住坡脚思路锁住坡脚是止住滑移的保证，它迫使滑移体产生了终止的阻碍。.3提高滑移体的整体刚度思路通过喷面钢筋砼以及土钉加强滑移体的整体性，这个滑移体就会在三种力的作用下保证边坡内部稳定，即：一种是顶部锚拉力，一种是底部支座力，一种是滑动面摩阻力。根据上面三种思路，我们可以按如下方法进行计算：（1）上部锚拉土钉可按边坡中部以上高度土体产生的设计内力进行计算；（2）下部止滑土钉按能承受中部以下土体下滑趋势产生的下滑力进行计算；可按剪切应力进行土钉断面设计，土钉长度按2m即可，但土钉要有足够的刚度，建议采用二级25以上钢筋。（3）喷面砼按规程计算。6m深以内浅基坑无特殊情况不用喷面；（4）对于深基坑采用台阶过渡分层设计，分层设计以6m左右为宜；（5）对于岩体当边坡出现顺层滑坡面或风化程度严重时才需设计支护。设计时以外部