小议复合土钉支护技术在边坡支护中应用

论文导读：
摘要：土钉支护技术通过水平或近似于水平设置在天然边坡或开挖形成的边坡中的加筋杆件及钢筋混凝土面板结构构成整体支挡体系，用以改善原位土体的性状，并与原位土体共同工作，形成一种类似于重力式挡土墙的坝体，抵抗墙背非加固土体的侧向土压力及其它荷载。本文笔者结合自己的多年工作经验对复合土钉支护技术在边坡支护中的运用进行探讨。供同行参加。
关键词：复合土钉支护；支护形式；预应力锚杆

1.复合土钉支护技术

复合土钉支护技术即通过土钉与其它支护形式联合使用，在保证支护体系安全、稳定的同时满足某种特殊工程需要的支护技术。其常见基本形式为：土钉与预应力锚杆结合、土钉与微型钢管桩结合、土钉与搅拌桩（止水帷幕）联合应用等。当基坑顶面的水平位移和沉降有严格要求时，可在土钉支护中配合使用预应力锚杆。其构造如图

1.1所示。

作用机理

2.1土钉作用机理

土钉受力分析如图1.2所示。其作用机理大致可概括为土钉分担作用机理、骨架箍束作用机理、应力扩散作用机理、应力传递作用机理和坡面变形的约束作用机理等五种。且各种作用在各阶段的发挥程度是不同的，在土体弹塑性变形发展阶段，土钉的应力分担、应力扩散和骨架箍束作用对减少土体的应力、约束土体变形、改善土体内的应力场和应变场，阻止滑裂面的形成具有重要作用.当土体产生裂缝后，土钉的应力传递作用（滑动土体通过土钉与稳定土体间的界面摩阻力和钉头与网喷混凝土面层的支挡力保持稳定）起着重要作用。这些作用都是通过土钉与土体界面的相互作用来体现的，其实质是改善土体内的应力场和应变场，这与土体注浆一般论文格式范文www.7ctime.com
加固原理是不同的。

2.2预应力复合土钉作用机理

预应力复合土钉是在基坑上部采用几排土钉与预应力锚杆间隔或全部为预应力锚杆布置的方式，通过一定数量的预应力锚杆与土钉以及钢筋网喷射混凝土层对边坡土体构成管箍作用，形成类似重力式挡土墙的复合土体墙。在此过程中，土钉是被动受力，预应力锚杆是主动受力。土钉在基坑发生变形后才能受力，而预应力锚杆则是通过预先施加压力限制基坑边坡变形的，两者协同工作的机理非常复杂。当基坑开挖超过土体临界高度时，由于开挖带来卸荷，土体将趋于不稳定，需在边坡土体中植入土钉，但当其开挖高度不大时，土钉长度远远超过已开挖土体形成的潜在危险滑移面，植入土钉的实际受力情况与锚杆并无多大差别，超过潜在危险滑移面的土钉在土体发生滑移破坏趋势时起到锚杆的作用。当土钉、锚杆植入完毕且基坑开挖完毕，土钉与预应力锚杆共同作用，其中土钉改善原位土体的性状，起到分担、骨架箍束、应力扩散、应力传递和坡面变形约束等作用，其与原位土体共同工作，形成一种类似于重力式挡土墙的坝体，抵抗墙背非加固土体的侧向土压力及其它荷载，具有较强的稳定性。预应力锚杆则通过施加预应力给锚杆，再通过自由段钢筋将拉力传给锚固段，锚固段将拉应力荷载向远离最危险滑移面以外的稳定土体传递，减少土体变形，抵抗墙体受到的水平土压力、水压力及上部荷载作用产生的外倾侧向力，有效保障土钉支护墙体的稳定。
预应力复合土钉支护发展趋势较土钉支护为缓，因此信息化施工相当重要，一般在监测数据中对基坑的稳定状况都能有很直观的反映，可以通过对监测数据的分析来避免一些事故的发生。

3. 工程实例

某宾馆基坑开挖深度为6.6m，在基坑西部和北部有三个角地下室外墙紧挨山坡，在开挖过程中必须削去部分山体，边坡支护高度最高达15m。采用土钉及预应力锚杆组成的复合土钉支护技术。
根据工程地质勘察报告，场地各层土的物理力学性质指标如表1。

3.1预应力复合土钉设计

3.

1.1参数计算

土钉采用注浆钉，所在土层主要为粘土层，总高度为15.10m，根据文献提出的土钉支护结构的参数指标，其长度比（L/H）、粘结比（DL/A）、强度比（d2/A）应满足如下条件：
，，
由此可确定：
L=8.0m，D=110mm，A=Sh×Sv＝

1.5×5＝

2.25m2，d=28mm。

土钉与水平面的倾角可取为10º。 3.

1.2土钉内力计算

Juran综合一些实测结果，仿照撑式支护中的做法，并根据土钉支护的量测结果和特点加以适当修正，提出不同高度使用阶段土钉的最大拉力T采用经验公式进行计算：
当时，
又，
即：
考虑15kPa的施工堆载，kN，为安全起见，在施工中仍应尽量避免在基坑边堆载。
由此可得每一排土钉内力为：
，
，
，
，

，
。
3.

1.3土钉抗力计算

土钉破坏时可能因土钉受拉时产生强度破坏，钉中拉应力达到屈服强度而破坏，也可能受拉时产生拔出破坏，土钉从破坏面内侧或外侧的稳定土体中拔出而破坏，因此抗力TR计算应按照三者计算取最小值作为计算依据, 本例土钉产生强度破坏对应的土钉抗力： ，该值对任意土钉都满足。而对于土钉受拉时产生拔出破坏，第一排土钉最为危险，因为对第一排土钉而言，其土钉界面粘结强度最小，故只需计算该排土钉，滑动破坏面假定与水平面成的直线面，则可根据所选定的坡面段数及坡度可求出第一排土钉深入稳定土层深度，经计算，该排土钉产生抗力TR：
。
故满足要求。
3.

1.4面层设计计算

钢筋网为@200、@200双向排列，钢筋搭接长度为300mm，上下施工段之间以及水平通长加强筋（）的搭接采用焊接；喷射混凝土强度等级为C20，水泥采用32.5级普通硅酸盐水泥，喷射混凝土厚度取10cm，依据法国Clouterre研究项目结论[5]，土钉间距为1.5m时，面层设计土压可取为土钉最大拉力的70%计算，而结构可简化为1.5m宽，厚为100mm，计算跨度为1.5m的简支梁进行配筋计算即可，同时必须在面层安装足够的泄水孔，以使面层厚水自由排泄，不至于产生静水压力。
3.

1.5抗倾覆验算

计算预应力复合土钉墙外部稳定性时，墙体取定的宽度为，取5m进行计算，则土钉墙自重、地面堆载产生的抗倾覆力矩：
由于本设计采用两坡段施工，中间论文导读：5℃,钢筋采用228，锚固体直径为127mm,非锚固体直径为110mm，自由段长度为4m,锚固段长度为11m，间距同土钉，皆为1.5m，沿着基坑深度方向设3排。锚杆提供的抗力为：由于锚杆埋置深度距地面如越远，值越大，现对每一锚杆均采用进行计算，其结果应该更为安全。因此抗倾覆方面安全。

3.1.6抗滑移验算　

平台宽度为

2.0m，因此实际抗倾覆力矩比所求要大得多。

墙后土体侧向主动土压力值：
故侧向土压力产生的倾覆力矩为：
由于每一根土钉长度为8m，选取锚杆长度为15m,与水平方向倾角为15℃,钢筋采用228，锚固体直径为127mm,非锚固体直径为110mm，自由段长度为4m,锚固段长度为11m，间距同土钉，皆为

1.5m，沿着基坑深度方向设3排。锚杆提供的抗力为：

由于锚杆埋置深度距地面如越远，值越大，现对每一锚杆均采用进行计算，其结果应该更为安全。

因此抗倾覆方面安全。

3.

1.6抗滑移验算

抗滑移方面稳定、安全。
4 结论
土钉与预应力锚杆的作用机理各不相同，承载效果也存在差别，而根据工程实际需要，将土钉与预应力锚杆进行有机整合优势互补，则能够取得较好的基坑支护效果。本文通过实例进行对预应力复合土钉进行计算，并提出复合土钉支护设计必须根据现场的监测及试验结果作出相应调整，进行支护方案的动态设计，才能真正满足工程要求。
参考文献：
陈肇元, 崔京浩. 土钉支护在基坑工程中的应用（第二版）[M].北京: 中国建筑工业出版社
秦四清, 王建党, 王清等. 土钉支护机理与优化设计[M]. 北京: 地质出版社
[3]张明聚,宋二祥,陈肇元.基坑土钉支护稳定分析方法及其应用[J].工程力学
[4]曾宪明，黄久松，王作民等著.土钉支护设计与施工手册.北京:中国建筑工业出版社
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。