土钉墙支护技术机理及其优化设计

第２３卷第２期　２０１０年６月　湖南理工学院学报（自然科学版）　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆＨｕｎａｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｆＮａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ）　Ｖｂ１．２３　Ｎｏ．２　Ｊｕｎ．２０１０　土钉墙支护技术机理及其优化设计　刘喜旺　（中国十五冶金建设公司第四工程公司，湖北黄石４３５０００）　摘要：基于土钉墙支护体系的作用机理及工程应用实际，提出了土钉布置设计与施工的优化思路．实践证明，该支　护优化实施方案，技术安全可靠、经济合理，可供实际工程支护参考．　关键词：土钉支护；作用机理；设计优化　中图分类号：ＴＵ４７２　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２．５２９８（２０１０）０２－００８２－０３　Ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ　ａｎｄ　Ｏｐｔｉｍａｌ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｓｏｉｌ－ｎａｉｌｉｎｇ　Ｗａｌｌ　Ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ＬＩＵ　Ｘｉ．ｗａｎｇ　（Ｃｈｉｎａ　１　５ｔｈ　Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ　４ｔｈ　Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｈｕａｎｇｓｈｉ　４３５０００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ａｃｔｉｏｎ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ａｎｄ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｏｉｌ－ｎａｉｌｉｎｇ　ｗａｌｌ　ｂｒａｃｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｉｄｅａｓ　ｗｅｒｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｓｏｉｌ￣ａｉｌｓ’ｄｉｓｐｏｓｉｎｇ　ｆｏｒｍ，ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｓｏｉｌ　ｎａｉｌｉｎｇ　ｗａｌ１．Ｉｔ　ｗａｓ　ｐｒｏｖｅｄ　ｂｙ　ｐｒａｃｔｉｃｅｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｐｒｏｇｒａｍ　ｎｏｔ　ｏｎｌｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｓｅｃｕｒｉｔｙ，ａｎｄ　ｅｃｏｎｏｍｉｃ　ｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙ．Ｔｈｅ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｃａｎ　ｃｏｎｓｉｄｅｒ　ｔｈｉｓ　ｐｒｏｇｒａｍ　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｏｉｌ・ｎａｉｌｉｎｇ　ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ；ａｃｔｉｏｎ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ；ｏｐｔｉｍａｌ　ｄｅｓｉｎ　ｇ土钉墙支护技术１１￣４ｌ是指在基坑边坡土体中置人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形，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，从而确保基坑作业面的安全生产．土钉墙支护　技术具有经济、施工快的显著优点．　土钉墙的施工方法分为“打人型土钉”和“注浆型土钉”两种．“打入型土钉”是将钢筋或钢管直接打进边　坡土体中，适合于较浅基坑支护；而“注浆型土钉”则是通过机械成孔后再穿钢筋或钢管，再进行压力注浆，　适用于较硬土质和岩石类别的深基坑．　本文通过工程应用与各类资料分析，认为《基坑土钉墙支护技术规程》（简称《规程》，下同）的规定　是近似、保守的，可以按土钉墙的作用机理进行优化，同时提出了土钉布置设计的优化思路．　１土钉墙支护体系的作用机理　土钉墙支护体系是一种通过“土钉”　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　体塑性变形和破坏性状．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如图１所示　图ｌ土钉墙支护体系的作用机理　收稿日期：２０１０．０２一Ｉ　Ｉ　作者简介：刘喜１ｔ￣（１９７４一），男，湖北随州人，中国十五冶金建设公司第四工程公司工程师．主要研究方向：施工技术　第２期　刘喜旺：土钉墙支护技术机理及其优化设计　８３　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　作用下发生翅性变形直到沿如图１中ａ．ｂ面滑移，这个塑变从ｂ点开始开裂逐渐展开，是一个渐变的过程．　置人土钉后，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．如图ｌ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．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．　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一致的，土体的质地越坚硬，这种区别越大．　综上所述，土钉墙支护结构经过塑变进入稳定工作状态时，其土钉的受力状态是：上部土钉受力最大，　主要承受拉、弯变形；下部土钉受力逐步减小，且主要承受剪、弯变形：加固后的主动区塑变土体以其一　定的刚度通过土钉与稳定土体牢固结合，提高了整体受力性能．　２土钉布置设计的优化思路　根据土钉墙支护的机理分析，并充分考虑土体渐变的塑变特征，可以按以下几个思路对土钉墙进行　优化设计．　（１）锁住始发变形应力　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，可以按土钉的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　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　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．　３工程实例及应用　实例ｌ　钢管土钉加固武汉阳逻电厂二期排水方涵施工　中开裂边坡工程．图２表示开裂边坡示意图．　回填区首先出现两条纵向裂缝，三天后宽度发展到７ｃｍ，　并出现了下滑错层的趋势．随后，在配电室的地梁上也相继　发现了微细裂缝．为了遏制裂缝的进一步发展以及防止边　坡失稳，我们借鉴农村筑堤打泥巴桩的原理（当时尚无“土钉　墙”的概念），提出使用“简易土层抗剪锚钉”打人土中的加固　方案，使用（ｐ４８的短钢管直接打入进行加固，其间距２￣２ｍ．　采用该方法后，裂缝发展和边坡滑移得到有效遏制．　实例２株洲电厂输煤系统一２４．５ｍ深基坑边坡采用土　钉墙支护技术．　图２开裂边坡示意图　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，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　８４　湖南理工学院学报（自然科学版）　第２３卷　风化岩层，基本无地下水，基础埋深有－１４．６ｍ、一２４．５ｍ、－１　８．９ｍ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４５。，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．　围瞳　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，　采用陡坡开挖土钉墙支护方案，具体　方案可见图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：　１）首先通过土钉的锚固防止边　坡局部失稳，并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：　２）通过钻孔压力注浆，使水泥胶　图３陡坡开挖土钉墙支护方案　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；　３）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．　４结论及建议　（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‘ｐ２５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．设计时以外部挡墙稳定为依　据设计土钉的长度，土钉的断面按抗剪切计算更为合理，同时通过注浆以提高整体粘结力．　本文根据土钉墙支护的机理，充分考虑土体渐变的塑变特征，提出了土钉墙的优化设计思路及方案．　工程实例结果表明，本文提出的优化设计思路及方案切实、可行，最大程度地满足了土钉墙的工作机理．　参考文献　［１】杨绍祺，吴传清．喷锚支护及土钉墙技术在中山地区软土基坑Ｔ程中的应用【Ｊ］．岩土　程界，２００１，（８）　【２郑爱武．复合土钉墙在软土地基中的应用［２】Ｊ】．地下空间与Ｔ程学报，２００７，ｓｌ：１３７５￣１３７７　【３】刘广胜，赵维炳．基坑施ｌ　中渗流对土抗剪强度的影响［Ｊ】．水利水运科学研究，２０００，（１）　【４】曾律弦．桩尖对ＰＨＣ管桩受力性能影响的研究ｆＪ】．土Ｔ基础，２００８，６（３）：ｌ４￣ｌ５