土钉墙支护设计的感想

一、土钉支护的适应性

      适用：地下水位低于土坡开挖段或经过降水使地下水位低于开挖层的情况。具有一定粘结性的杂填土、粘性土、粉土、黄土及弱胶结的砂土边坡。

      不适用：

      （1）对标准贯入击数低于10击的矿土边坡，不经济；

      （2）对不均匀系数小于2的砂土,以及含水丰富的粉细砂层、砂卵石层和淤泥质土不宜采用；

      （3）对塑性指数大于20的粘性土,必须评价其蠕变特性后，才可将土钉作为永久性挡土结构；

      （4）土钉不适用于软土边坡，因为软土只能提供很低的界面摩阻力，技术经济效益不理想；

      （5）土钉不适宜在腐蚀性土(如煤渣、矿渣、炉渣酸性矿物废料等)中作为永久性支挡结构；

      （6）另外,土钉墙一般不宜兼作挡水结构,也不宜应用于对变形要求较严的深基坑支护工程。

二、土钉支护的作用机理

      土体的抗剪强度较低，抗拉强度几可以忽略，但土体有一定的结构整体性，当开挖基坑时，土体存在使边坡直立的临界高度，当超过这一深度或者在地面超载及其它因素作用下，将发生突发性整体破坏。所采用的传统的支挡结构基于被动制约机制，即以支挡结构自身的强度和刚度，承受其后的侧向土压力，防止土体整体稳定性破坏。

      土钉墙则是由在土体内放置一定长度和密度的土钉体构成的。土钉与土共同工作，形成了能大大提高原状土强度和刚度的复合土体，土钉的作用是基于这种主动加固的机制。土钉与土的相互作用，还能改变土坡的变形与土体的抗剪强度较低，抗拉强度几可以忽略，但土体有一定的结构整体性，当开挖基坑时，土体存在使边坡直立的临界高度，当超过这一深度或者在地面超载及其它因素作用下，将发生突发性整体破坏。所采用的传统的支挡结构基于被动制约机制，即以支挡结构自身的强度和刚度，承受其后的侧向土压力，防止土体整体稳定性破坏。

      土钉墙则是由在土体内放置一定长度和密度的土钉体构成的。土钉与土共同工作，形成了能大大提高原状土强度和刚度的复合土体，土钉的作用是基于这种主动加固的机制。土钉与土的相互作用，还能改变土坡的变形与破坏形态，显著提高了土坡的整体稳定性。

      直立的土钉墙在坡顶的承载能力约比素填土墙提高一倍以上。更为重要的是，土钉墙在受荷过程中不会发生素土那样的突发性塌陷，它不仅推迟了塑性变形发展阶段，而且明显呈现出渐进与开裂破坏并存且逐步扩展的现象，直到丧失更大荷载的能力，仍不会发生整体性塌滑。破坏形态，显著提高了土坡的整体稳定性。

      直立的土钉墙在坡顶的承载能力约比素填土墙提高一倍以上。更为重要的是，土钉墙在受荷过程中不会发生素土那样的突发性塌陷，它不仅推迟了塑性变形发展阶段，而且明显呈现出渐进与开裂破坏并存且逐步扩展的现象，直到丧失更大荷载的能力，仍不会发生整体性塌滑。

三、参数选择

      1、坡高。土钉支护一般用于高度H在15m以下的基坑或边坡，常用高度6～12m，斜面坡度一般为70°～90°。      

      2、土钉长度。注浆式土钉一般为0.5～1.0H，击入式土钉一般为0.5～0.6H。量测表明，沿支护高度上下分布的土钉，在使用中最大内力值相差甚多，一般为中间大，上部和下部都偏小，所以中部的土钉所起作用较大。但是顶部土钉对于限制地表开裂和减小边坡顶部的水平位移非常重要，如果顶部土钉较短，则在土钉尾部或尾部以外的地表上容易出现较大开裂，虽然该现象的出现对支护边坡的稳定性影响不大，但却会增加整个支护边坡的水平位移。为了减小边坡顶部的水平位移，所以土钉支护边坡中的上部土钉长度一般也比较长。

      3、土钉密度。为使土钉与周围土体形成一个组合的整体，土钉的间距显然不能过大，对此尚不能给出有足够理论依据的定量指标。一般工程中多取水平间距与竖向间距相等，在非饱和土中土钉间距为1.0～2.0m，对于坚硬粘土或风化岩土，有时超过2.0m，而对于软土和松散砂土则可小于1.0m。一般来说，土钉的间距不宜超过2.0m。

      4、土钉倾角。土钉倾角一般在0°～25°之间，取决于注浆工艺以及土层特征等多种因素。料状土的模型试验说明，增加土钉倾角使支护的位移和地表角变位增大，倾角大于20°时增大的趋势更为加剧。同时有限元分析表明，当土钉倾角为零即处于水平位置时，支护变形最小；而按极限平衡方法进行整体稳定性优化分析，则给出倾角在5°～20°范围内，得到的稳定性安全系数最大，这一数据与某些有限元分析结果也是符合的。所以除非出于重力注浆的需要，或者更大的倾角有利于土钉插入下层较好的土层内，土钉的倾角不宜超过15°，一般取5°～10°为宜。

      5、土钉钢筋及钻孔。一般选用Ⅲ级或Ⅱ级热扎变形螺纹钢，直径为20～35mm，常用25mm；钻孔直径一般为70～200mm，常用80～120mm。

      6、喷射混凝土面层。面层厚度一般为50～150mm，常用100mm，喷射混凝土强度应在C20以上。喷射混凝土面板中常配以直径为6～8mm的钢筋网，网格尺寸为200～300mm。

      7、注浆材料。最常用的注浆材料为水泥砂浆和水泥浆，最常用的配合比为水∶水泥∶砂=0.40～0.45∶1∶1和水：水泥=0.40～0.45∶1，根据特殊情况下，也可掺入其它水泥外加剂。注浆强度不低于0.5MPa。

      8、开挖高度与长度。土钉支护的施工，通常采用分层分段开挖，每层开挖最大高度取决于该土体的自稳高度，在砂性土中，每层开挖高度一般为0.5～2.0m，在粘性土中可以增大一些。开挖高度一般与土钉竖向间距相同，常用1.5m；每层开挖纵向长度，取决于土体维持不变的最长时间和施工流程的相互衔接。

      9、混凝土面层设计。混凝土面层按《混凝土结构设计规范》(GBJ10-89)设计，面层土压力的计算值取荷载分项系数为1.2，根据支护工程重要性，另取结构的重要性系数为1.1～1.2。面层在土压力作用下受弯，其计算模型可取以土钉为支点的连续板进行内力分析并验算抗弯强度和所需配筋率。另外，土钉与面层连接处需进行抗剪和局部承压验算。

      10、土钉承载力计算中有抗拔承载力计算和受拉承载力计算两个步骤：前一个是指土钉锚固体从土中拔出的承载力计算，二级取1.6，三级取1.4；后一个是指土钉杆体（钢筋）的承载力验算，钢筋拉力须大于等于土钉轴力设计值。

四、几点体会

      土钉设计，计算作为参考，重要是经验，特别现在一般是变形控制而不是稳定控制，经验更重要。无它，多去工地，多看多思考多总结而已。

      1、土钉墙作为一种柔性支挡建筑，尽管有许多的规范对土钉所承担的力进行了规定，但其计算根本理论和出发点往往来源于经典土力学理论中的刚性挡墙理论，如库仑理论或朗肯理论，或者采用经验的Terzaghi-Peck计算模式，这与实际的土钉受力过程是有差别的，且往往由于土钉墙的后续变位，使墙后土压力出现应力重分布现象，即规范中规定的计算方法是没有考虑施工这一动态过程的，因此计算得到的结果往往与实际的监测到的土钉受力差别很大，这也是不争的事实。

      2、分析土钉的受力，必须考虑动态施工的因素。常规的计算理论和方法得出的土钉所承担的力的分布往往是上部土钉受力小，最下的土钉受力最大，这是有争议的，黄文熙教授就曾经利用“谷仓”理论证明了柔性挡墙的土压力分布点位于墙底以上的1/3-1/2之间，即土压力作用点上移了，产生这个现象的原因就是由于柔性挡墙存在滞后变形情况，使应力重分布造成的，因此，分析土钉的受力，必须考虑这一因素。

      3、根据大量土钉墙实际观测的结果看，实际的土钉受力沿墙高往往是上下小，中间大。按照规范的计算方法是得不到这一分布形式的。因此，重新考虑土钉受力的计算方法是十分迫切的。

      4、在土钉墙的建筑过程中，特别是基坑支护工程中，如果考虑施工过程和土体的变形情况，不妨将第一层开挖的高度确定为临界土层自稳高度，如果此时继续往下开挖，当达到某一深度后，此时由于土体深度超过自稳深度，势必产生侧向土压力，此时第1道土钉的施工完成后，它承担着开挖面以上土体自重产生的侧向土压力；继续开挖，并施工第2道土钉，此时新增加的侧向土压力由土钉1和土钉2一起承担......，依此类推，第n道土钉施工后，所增加的新的不平衡土压力由1到n道土钉一起承担，由此，可以得到每一道土钉所承担或所分配的土压力，这种考虑方法即考虑了土钉墙的整体性，也考虑了土钉施工后所产生的位移情况，即考虑到施工实际的动态过程。笔者曾利用该计算方法对许多实际测量的数据进行过验证，表明该方法是比较符合实际土钉受力情况的。

      5、在进行外部稳定性分析计算时，可以将土钉支护的边坡看成一个“挡土墙”，它必须能承受其后部土体的推力和上部传来的荷载。因此，外部稳定分析应考虑四个方面的验算：土钉支护结构抗滑稳定性验算；土钉支护结构抗倾覆稳定性验算；土钉支护结构底部地基承载能力验算；深部滑动定性计算。

      在进行内部稳定性分析计算时，应包括不同开挖阶段、不同位置处沿着最危险破裂面的滑动破坏、土钉本身的强度破坏、拔出破坏以及喷射混凝土面板的破坏等。内部稳定涉及到土钉筋体强度、长度、土钉与土体的界面粘结力、土钉的水平和垂直间距、支护面板的强度以及面板与土钉的共同作用等因素。因此应考虑以下几方面验算：施工过程中不同开挖阶段的最危险滑动面验算；使用阶段不同位置的最危险滑动面验算；土钉筋体本身的强度与抗拔力验算；喷射混凝土面板强度和土钉与面板连接强度验算。通过上述计算对各种部件的初选参数和调整，对重要的工程宜采用有限元法对支护的内力与变形进行分析。