综述土钉支护技术

发布时间：2022-10-04 09:29 热度：

综述土钉支护技术
黄涛
一、序言

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1.土钉支护概述
土钉支护是用于土体开挖和边坡稳定的一种新的挡土技术，由于经济,可靠且施工快速简便,在我国得到迅速推广和应用。在基坑开挖中土钉支护现已成为桩,墙,撑，锚支护之后的支护技术。国外出版的基础支护列为独立的章节与传统的支护技术并列加以介绍。
“土钉”(soil nails,源自法文clouage de sol)，就是置入于现场原位土体中以较密间距排列的细长杆件，如钢筋或钢管等，通常还外裹水泥砂浆或水泥净浆浆体，土钉的特点是沿通长与周围土体接触，以群体起作用，与周围土体形 成一个合体，在土体发生变形的情况下，通过与土体接触界面上的粘结力或摩擦力，使土钉被动受拉，并主要通过受拉工作给土体以约束加固或使其稳定。土钉的设置方向与土体可能发生的主拉应变方向大体一致，通常接近水平并向下呈不大的倾角。土钉支护用于基坑边或边坡土体开挖时的典型做法应遵循从上到下，分步修建的原则，即边开挖、边支护，具体为：1.有限的深度 2.在这一深度的作业面上设置一排土钉并并构筑喷混凝土面层 3.继续开挖有限的深度，并重复上述步骤，直至所需深度。对于注浆钉，先钻孔再置入金属钉体并注浆。
2.土钉支护的优点和局限性
1）材料用量和工程量少，施工速度快。土钉支护的土方开挖量和混凝土工程量较少，全部土钉连同面层钢筋网的用钢量也甚为有限，材料用量远低于桩支护和连续墙支护。在施工速度上，有的甚至可以将工期缩短一半。
2）施工设备轻便，操作方法简单。土钉的制作与成孔不需复杂的技术和大型机械设施，施工方法有较大灵活性，施工时对环境的干扰也很小，特别适合于城市地区施工。
3）对场地土层的适应性强。土钉支护特别适合于有一定粘性的砂土、粉土和硬塑料与干硬粘土，但即使有局部的软塑粘性土层，在采取一定措施后也有可能采用土钉支护。当场地同时存在土层和不同风化程度的岩体时，应用土钉支护特别有利。
4）结构轻巧，柔性大，有很好的延性。土钉支护自重小，不需做专门的基础结构，并具有非常良好的抗地震及抗车辆震动的能力。土钉支护即使破坏，一般也不至于发生彻底倒塌，并在破坏前有一个变形发展过程。
5）施工所需的场地较小，能紧贴已有建筑物进行基坑开挖，这是桩、墙等其它支护难以做到的。
6）安全可靠。土钉支护施工采用边挖边支护，安全程度较高；由于土钉数量众多并作为群体起作用即使个别土钉出现质量问题或失效对整体影响不大。土钉技术还有一个非常重要的优点是随时可以根据现场开挖发现的土质情况和现场监测的土体变形数据，修改土钉的间距和长度，万一出现不利情况，也能及时采取措施加固，避免出现大的 事故。
7）经济。根据欧洲的经验，土钉支护可比一般的背拉锚杆支护节约总造价10%--30%，也有报道说法国应用土钉支护比别的支护方法可节省1/2--1/3
土钉支护也有其缺点和局限性，主要是：
1）现场需有允许设置土钉的地下空间。
2）在松散砂土、软塑、流塑粘性土、以及有丰富得下水源的情况下不能单独使用土钉支护，必须与其他土体加固支护方法相结合。
3）土钉支护如果作为永久性结构，需要专门考虑锈蚀等耐久性问题。

二、土钉支护的构造
支护通常有三个部分组成，即土钉、面层和防水系统。
1.土钉
1）土钉是用变形钢筋与砂浆组成的钻孔注浆钉，即先在土中成孔，置入变形钢筋，然后沿全长注浆填孔，这样整个土钉体由土钉钢筋和外裹的水泥砂浆（有时用细石混凝土或水泥净浆）组成。为了保证土钉钢筋处于孔的中心位置，周围有足够的浆体保护层，需沿钉长每隔2--3米设置对中定位用支架。土钉钢筋的标准屈服强度多在20--30mm间，置于70--150mm或更大的钻孔中。土钉钢筋的屈服强度多在400--500MPa左右，强度较低不经济，强度过高则脆性增强，可焊性降低。
土钉支护的成孔技术与锚杆相同，成孔方法在很大程度上取决于土体特点和施工单位的已有设备条件。国外在硬粘土和密实粒状土中成孔多用螺旋钻。另一种钻孔方法是用回转或冲击回转钻杆。注浆方式也有多种，最简单的是重力注浆。
　　 2)土钉支护的结构参数
a.长度比 －－Ｌ／Ｈ，其中Ｌ为土钉长度，Ｈ为支护高度或土体挖深
b.粘性比——Ｄ＊Ｌ／Ａ，其中Ｄ为孔径，Ａ为每一土钉名义上承担的土体竖向面积，即为土钉水平间距和竖向间距的乘积
c.强度比——ｄ２／Ａ，其中Ｄ为土钉钢筋直径，如果土钉和钉孔为非圆截面，则以面积相等的原则来确定等效直径ｄ，并以粘结面积相等的原则来确定等效孔径Ｄ
3）支护面层
支护面层通常用50-80mm厚的网喷混凝土做成，用一层钢筋网，钢筋直径为6-8，网格为正方形，边长为200-300mm连接采用垫板方法。钢筋网上附加加强筋焊接，或紧贴土钉钢筋侧面，沿纵向对称焊上短段钢筋。喷混凝土面层施工中要做好施工缝处的钢筋网搭接和喷混凝土的连接，到达支护底面后，将面层插入底面以下30到40cm。再成孔置入土钉。

3.排水系统
为了防止地表水渗透对喷混凝土层面产生压力，并降低土体强度和土体与土钉之间的界面粘结力，土钉支护在一般情况下必须有良好的排水系统。要做好地面排水，施工开挖前要先做好地面排水，设置地面排水沟引走地表水，或设置不透水的混凝土地面防止近处的地表水向下渗透。
三、土钉支护的工作性能
１.土钉支护工作性能的实测结果
　　国外已对土钉支护作了不少大型量测试验。从这些量测结果得出土钉支护在土体自重作用下的基本工作特点有：
a）随着往下开挖，支护不断向外位移。在均质土中，支护面得位移沿高度大体呈线性变化，内似绕趾部向外转动，最大水平位移发生在顶部。但在非均质土中或地表为斜坡或受有地表重载时，最大水平位移点的位置可能移向下部。
b）土钉置入现场土体后，如果土体不变形，土钉就不会受力。随着往下开挖、地表加载、或土体徐变而发生土体变形，于是通过土体与土钉之间的见面粘接力使土钉参与工作并主要受拉。量测表明，只要土体发生微小的变形就可使土钉受力。
C）土钉的拉力沿其长度变化，最大拉力部位随着向下开挖从开始时靠近面层的端部逐渐向里转移，一般发生在土体的可能失稳破坏面上。当土钉长度较短时，土体破坏面可能移出上不土钉之外，这些钉中的最大拉力一般法身在钉长中不。
d）当破坏面穿过土钉加固的土体，后者被分割成失稳区和稳定二个部分，前者向外运动，与土钉之间的界面剪力或粘结力的方向向里，使土钉的拉力从端部逐渐增加并在可能的破坏面上达到峰值。而在被动区内，土体与土钉之间的界面剪力方向向外。土体破坏面上的土钉或 受拉屈服，或者被拔出。
e）不同深度位置上的土钉，其受到的最大拉力有很大差别，顶部和底部的土钉受力较小，靠近中部的土钉受力较大。但临近破坏时，底部土钉的拉力显著增长。
f）支护喷混凝土面层背后的侧向土压力，其沿高度分布也为中间大、上下小，接近梯形而不是三角形，压力的合力值要比挡土墙理论给出的计算值低得多。这表明土钉支护的面层完全不同于一般的挡土墙。支护面层所受的土压力合力远小于土钉到得最大拉力之和。
g）支护的最大水平位移＆一般不大于基坑深度或支护高度H的3%。
2、土钉支护工作性能的有限元分析
有限元法用于土工分析已很普遍，对其有效性有不同的看法，其中的主要原因困难在于选择合适的计算模型和输入参数。
清华大学宋二祥曾用Plaxis土工有限元程序对土钉支度护做过分析，采用的支护参数，改变支护面层厚度（10㎝和20㎝）和土钉长度，发现面层厚度变化对土钉的最大拉力与支护最大位移都没有明显影响，而增加上部土钉长度可以减少支护变形。利用Plaxis程序能模拟开挖过程，在模拟开挖的计算完成之后，可以利用程序中一个特有的计算功能来逐步减少土层的强度参数是体系破坏，这样就可得到体系的安全系数。这个安全系数与条分法分析土坡稳定时所得到的安全系数由相同的意义。
3.土钉与土体之间的界面粘结性能
界面粘接力是土钉得以发挥作用的基础。不同的注浆压力机成孔方法可对界面的粘接性能产生重大影响。对于渗透系数在10-1～10-2cm/s之间的砂、砾石与软弱岩体，浆体可渗入土的孔隙与岩体裂隙，从而提高粘结范围。浆体不能渗入渗透系数小于10-3cm/s的粉细砂内，但在压力浆体下能使其密实，也可改善粘结性能。通常，界面粘结性能用粘结强度表示，通过相处抗拔试验用下式来确定极限粘结强度τυ，
Т=πÐLτυ，
式中，Т为极限抗拔力；Ð为钻孔直径；之中πÐ用土钉的截面代替。由于粘结力沿钉长的分布是不均匀的，所以通过抗拔试验给出的τυ值与粘结或锚固长度L有关。
只要施工方法相识，注浆锚杆的粘结强度数据也可作为土钉的参考。
四、设计施工的一般原则和要求
土钉支护作为一种挡土结构应满足规定等的强度、稳定性、变形和耐久性等要求。当土钉支护 用于城市建筑密集地区的深基坑开挖时，限制支护的变形，保证周围建筑物设施的环境安全就变得更为重要。基坑工程中的土钉支护设计与施工必须特别重视一下问题：
а）施工过程必须自始至终与现场的测试监控相结合。通过变形等量测数据和施工过程中不断发掘的现场地质情况，及时反馈修改设计并指导下一步的施工。
Ь）设计施工文件中要规定控制支护变形的具体措施。比如：限制每步作业的开挖深度和安排合力的挖土工序；限制边坡开挖面得裸露时间，尽快加以支护；加快注浆和喷混的凝土早期强度的发展等。
с）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。施工时如土体渗水严重，就很难喷设面层混凝土，而且容易引起塌孔。当地下水的流量较大，施工时应采取专门措施降低地下水或设置防水帷幕。
d）基于设计与施工的紧密联系，土钉支护的设计与施工宜统一由支护施工承包单位负责。一般可由发包单位提出设计的初步方案，有施工承包单位负责完成详细的初步设计，并交发包单位或第三方审查。完成初步设计所需的地质勘察资料常由发包方提供，但施工单位应对此作出必要的复查与补充，并承担因勘察资料不全或数据有误而导致工期延误或损失的责任，
1.土钉支护的土体包括：有一定毛细粘聚力的中细砂土（含水量不小于5—6%），有一定天然粘聚力的粉土即低塑粘土，以及风化岩层等。这些土体能够保持开挖时边坡切割面得短时间稳定，否则就要预先加固土体而增加造价和工期。
2，说明继配很差，土体松散，不宜修建土钉结构。
2.结构设计参数
土钉支护结构设计所需的参数包括：
⑴现场原位土的力学性能，其中最重要的是选定各层土体的с 、φ值。必须通过现场勘探取样获得土体内摩擦角。粘聚力、重度、 含水度、以及粘性土的液限、塑限等数据。
⑵荷载。除土体自重产生的图压力外，有地表荷载，地下构筑物荷载，地下水静压和渗流压力等。
⑶土与土钉之间的界面粘结力。
⑷土钉钢筋和面层网筋的标准（屈服）强度，砂浆和喷混凝土的强度等级及规定的早期强度。
⑸支护的几何形状与平剖面尺寸，通常窃取一个剖面按平面问题进行稳定性分析。
⑹土钉的类型，孔径，土钉钢筋直径、间距和倾角。
⑺面层厚度和配筋。
3.结构分析内容
土钉支护的结构分析需要做到的是，支护结构对极限状态（强度破坏和稳定破坏）而言有一定的安全储备，并在使用状态下能满足变形要求。结构分析涉及的内容主要有：
⑴结构的整体稳定性分析，其中又分为外部稳定性 、失稳的破坏面分析和内部分析。前
⑵土钉内力分析。
⑶土钉抗力计算，包括抗拉强度和抗拔能力二个方面。
⑷支护面层的内力分析和强度验算。
⑸支护变形及其对周围建筑物、道路和地下设施影响的环境安全分析评价。
4.开挖过程
控制每步的开挖深度和合理安排作业顺序，使开挖面上的裸露土体能在设置支护前的短时间内（至少几小时）保持稳定，这对于限制土钉支护的变形至关重要。每步的开挖深度一般与土钉的竖向间距相应，通常为1—2米。对于粒状砂土，能够保持开挖面直立稳定的高度取决于土体的密度和粘聚力，包括毛细水粘聚力时约分别为0.5、1.2、1．5米。粘性土的直立高度与含水量与有很大关系。对于松散低密砂、无天然粘聚力的干砂（含水量小于1%），或有渗流压力的含水层时，可在开挖后立即喷上2—3㎝厚的砂浆。
开挖过程中必须遵循在完成上步支护前不得继续往下开挖的原则。
按照边坡稳定分析（库尔曼法），保持稳定的土坡临界高度为：hсr=4c/r〔sinβcosφ/1-cos（β-φ）〕。
5．量测与监控
施工过程中要自始至终进行支护变形的量测和地面裂缝观察，邻近有建筑物时还要密切监测建筑物的变形和开裂情况。
支护变形的量测包括最不利地段中的面层顶部水平位移和垂直沉降，以及地表沉降曲线，最好也包括支护面层不同深度处的水平位移，得出支护面层的位移曲线。沉降和水平位移可用精密水准仪和经纬仪观测。土钉支护施工过程中要详细记录开挖土体的特征以及渗水情况，还要对土钉逐一编号并记录钻孔过程中取出的土样特征。
土钉的现场抗拔试验必不可少，为此要在典型土层中专门设置测试用钉，每一土层中不少于三个，进行抗拔破坏试验，并据此求出界面粘结力，作为土钉最终设计的依据。
参考文献：
㈠叶书麟，地基处理与托换技术，北京：中国建筑工业出版社，1994年12月
㈡宋二祥，陈肇元，土钉支护及其有限元分析，工程勘察，1996年第二期