深基坑土钉支护研究综述

雷杨崑

(重庆交通大学土木工程学院 重庆 400074)

深基坑土钉支护研究综述

雷杨崑

(重庆交通大学土木工程学院 重庆 400074)

土钉支护成为了现代深基坑支护措施中强有力的手段，在国内基坑支护中己经成为继支撑式支护、板式支护后又一成熟技术。本文介绍了土钉支护的概念及其发展过程指出了土钉支护的优点及其局限性，总结当下土钉支护技术的研究现状及其发展前景。

深基坑；土钉支护；稳定性

一、引言

随着我国工业化和城市化加速发展，高层、超高层建筑及地下建筑不断涌现，工程人员致力于寻求“安全稳妥、技术先进、经济合理、施工方便、工期保证、业主满意”的基坑支护方式。土钉支护技术以其工期短、施工便捷、经济节能、稳定可靠等优点迅速发展并取得显著技术经济效益。

二、土钉支护概述

土钉支护采用现场原位土体的细长杆件(土钉)作为受力构件，与被加固的原位土体、喷射混凝土面层组成的支护体系。

土钉支护技术具有如下优点：工程数量少，施工快；施工设备轻便，易操作；场地适应性强；结构轻巧，柔性大，延性好；施工所需的场地较小；可逐次分段作业，施工噪声和振动小。

三、土钉支护发展及现状

土钉支护是从70年代出现的。它在很多方面与隧道新奥法施工类似，可视为是新奥法概念的延伸。此外，60年代发展起来的加筋土技术对土钉支护技术的萌芽也有一定的推动作用。

1972年法国首先在工程中应用土钉墙技术。该工程为凡尔塞市铁路路堑边坡开挖工程。Bouygues使用了25000根钻孔注浆锚杆，加固了高14m，坡角70°，总加固面积为12000m2的边坡。1974年，他又将该技术第一次用于城区内邻近高层建筑和繁华街道的地铁车站工程，他首次采用不注浆的击入钉。此后，土钉技术得到普及，到了80年代后期，开展了模型试验和有限元分析等基础性研究。

1979年,德国Stuttgart建造的第一个高14m的永久性土钉工程开始了连续测量。美国的土钉研究主要以加州大学为代表，进行了上钉支护现场试验，量测不同开挖深度时地表水平位移分布和土钉的拉力。1985年，日本对可出现小规模破坏的边坡采用经验数据进行设计。

1979年在巴黎召开了一次关于土体加固的国际会议，使土钉支护技术得到迅速发展和广泛应用，受到了各国土木工程界的极大重视。1990年在美国召开的挡土结构国际学术会议上，土钉支护已作为一个独立的专题与锚杆挡墙并列，使它成为一个独立的土体加固学科分支。

我国应用土钉的首例工程是1980年将土钉用于山西柳湾煤矿的边坡稳定。1987年，总参工程兵科研三所任辉启、刘玉堂等在洛阳王城公园高达30m、长200余米的高坡护岸工程中，首次在国内采用了注浆式土钉墙与钢筋混凝土梁板护壁结构相结合的办法，实现了高陡边坡的永久型支护。在基坑深度上，北京民源大厦西塔楼工程基坑深度17.7m，通港大厦基坑深度17m，边坡为直立的土钉支护。此外，土钉支护还与其他支护技术结合，产生了新的支护方法，现己在我国应用并取得了显著效益，还编制了土钉墙稳定性分析及设计计算程序。其中，陈肇元对复合土钉支护结构形式和适用条件进行了系统研究，指出不同形式的复合土钉支护的工作机理不尽相同，应针对不同的形式建立不同的分析方法。李象范总结了近年来对流砂地层中搅拌桩复合土钉支护的变形性状、土钉受力变形机理、喷层作用进行了测试研究，改进了搅拌桩复合土钉挡墙的设计方法。吴铭炳总结了福州地区软土基坑采用土钉支护的进展与经验，分析了软土基坑土钉支护机理并提出了相应的计算方法。经过大量计算指出，只要满足外部滑动稳定，就能满足抗滑移安全，只要满足承载力验算，就能满足抗隆起稳定。龚晓南分析了土钉支护定义、计算模型、地下水处理、土钉支护适用范围、环境效应、设计中应注意的几个问题、复合土钉支护概念等问题，指出应加强土钉支护和复合土钉支护机理研究，加强土钉支护和复合土钉支护位移计算和预估的研究。

四、土钉支护存在的问题以及未来展望方向

在理论研究方面，首先，土钉中的钢筋通过水泥浆与周围土体的握裹力和相互摩擦作用把荷载向土中扩散、传播，而整个墙体向坑内也发生一定的位移使土钉被动受力，而土钉墙位移计算还缺乏比较理想的计算方法。目前常用数值计算方法结合可靠的经验进行验算确定，有限元分析中如果采用二维有限元模型，把土钉支护边坡简化为平面应变问题，土钉按刚度相等的原则等效为单位宽度的薄层。这样夸大了土钉与土钉之间的联结。如果等效薄层的刚度较大，阻止剪应力在土中的传递，就更不能正确反映实际的受力状态。同时由于土钉的尺寸较小，需要在土钉与土体之间加入过渡单元，如果考虑土钉与土体的粘接，还要加入三维界面单元，计算模型又变得十分复杂。所以必须通过合理假设，探索符合土钉实际受力状况的有限元计算方法是研究土钉受力机制的重要途径。

其次，土钉墙后土压力一些基坑规程计算土压力仍采用传统上的三角形土压力分布模式来计算，有的则采用经验土压力，而实测的土压力并非如此。土钉墙后土压力是随着基坑开挖而不断变化着，每个阶段土压力的大小和分布决定了土钉墙的位移、稳定程度。而经验土压力的分布并不是真正的土压力分布形式，因此研究土钉墙后土压力的大小、分布形式，土钉力沿钉身和深度上的分布，弄清楚土钉力与土压力的关系具有非常重要的指导意义。

在工程设计方面，由于国内没有统一的土钉支护设计方法，地下工程岩土体又极其复杂，设计单位均以自身有限的工程经验或借鉴国外的工程实例进行设计。因而,其设计的准确性或可靠性受到一定的限制。尤其受投标价格影响，支护体系的安全系数取值偏小，表现在土钉的间距过大、长度不足或面层厚度不够。另一方面，由于未能充分而全面地考虑工程的特殊性和复杂性而导致工程事故时有发生。实测数据表明，面层土压力与面层的刚度有关，面层的设计极为悬殊。有些临时支护的面层往往不做计算，仅按构造规定挂网并喷射一定厚度的混凝土。虽然不做计算仅作为构造处理使工程偏于安全，但面层土压力的存在对基坑变形和其中的应力分布存在着很大的影响。因此考虑面层土压力的大小分布和对位移、基坑稳定影响是以后土钉墙研究中的另一个重要内容。

此外，在内部稳定性分析中，土钉体与土体的摩阻粘结强度值，主要以经验和简化计算选取，没有预先经过现场拉拔试验验证，因而也存在一定的盲目性，而摩阻粘结强度值对内部稳定性分析中的安全系数是极为敏感的。

五、结论

本文介绍了土钉支护的概念及其发展过程指出了土钉支护的优点及其局限性，总结当下土钉支护技术的研究现状及其发展前景。

从土钉支护结构的概念入手，对土钉支护的结构形式、构造特点、作用机理、常用的设计计算理论和方法等方面进行了详细的阐述。然后选取钻孔注浆型土钉为研究对象分析不同土钉长度、土钉间距、土钉倾角、基坑坡度及不同规章和方法对土钉支护设计的影响，总结规律。通过综述深基坑土钉支护发展现状及国内外研究现状，结合其工程应用及理论研究中存在的问题，可为后续理论研究及工程实践提供参考依据。

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[4]Anon，Construetion problem solved with soil naizing.Public works，Jan 1998.

雷杨崑(1990-)，男，汉，陕西汉中，硕士研究生，重庆交通大学土木工程学院，桥梁损伤机理及安全监测。