1、深基坑工程 第四章第四章 土钉墙工程土钉墙工程 一、概述 土钉：在基坑开挖面钻孔置入或直接打入钢筋或钢管（ 或带孔钢管），然后在钻孔中注浆或从钢管中压浆，使其形成 一个与坑壁土体牢牢全长粘结在一起的杆状结构。 土钉 土钉结构 土钉墙（土钉支护或喷锚支护）：由密集的土钉 群、被加固的原位土体、喷射混凝土面层和必要的防 水系统构成的“面墙-土钉-土体”复合整体。 土钉墙以土钉为主要受力构件，同时利用该墙整 体性、自重的抗滑及抗倾覆能力来平衡其后侧土体压 力，保持基坑或边坡稳定性，其支挡作用类似于挡土 墙，故称为土钉墙。 土钉墙 发展概况： 20世纪60年代，新奥法出现； 70年代，法、德、美开始研
2、究土钉墙 新奥法 土钉墙 1972年，法国首先在一处铁路路堑边坡开挖工 程中采用该技术； 1980年，国内开始采用。 二、土钉墙支护的原理和特点 （一）土钉和土钉墙作用机理 （1）在复合体中起骨架约束作用 由于土钉本身的刚度和强度，以及它在土体内的 分布空间（土钉的长度及间距）使其构成了复合体的 骨架，使复合土体构成一个整体，骨架具有约束土体 变形、增强复合土体整体性与稳定性的作用。 1.土钉的作用 在复合土体内，土钉与土体共同承担外荷载和自重应力。 由于土钉有很高的抗拉、抗剪强度和刚度，故当土体进入塑性 状态后，应力逐渐向土钉转移。特别是当土体开裂时，土钉分 担作用更为突出，这时土钉内出现了
3、弯剪、拉剪开裂，从而导 致钉体周围浆体碎裂、钢筋屈服。因此土钉的设置延缓了复合 土体塑性区的开展及渐进开裂面的出现，使土体的破坏表现为 渐进性变形、开裂、裂缝扩展、直至丧失承载能力的逐步缓慢 发展过程，具有明显的延性特征。 （2）分担荷载作用（抗剪和抗拉） 土钉分担的比例取决于： 土钉与土体相对刚度比 土钉所处的空间位置 复合土体的应力水平 （3）土钉起着应力传递与扩散作用 依靠土钉与土体的相互作用，土钉将所承受的荷 载通过土钉向土体深层传递及周围扩散，从而降低复 合土体的应力水平，改善变形性能。 （4）土钉对面层的约束作用 土钉使面层与土体紧密接触，从而使面层能够约 束、限制土体的侧向鼓胀变
4、形量与开裂面的开展程度 ，起到削弱土体内部塑性变形，加强边界约束的作用 。 2.整体作用机理 （1）主动制约支挡机制 传统的挡土结构支护方法，防止土体坍塌破坏是依靠挡土 结构自身强度、刚度、支撑条件及嵌入深度形成抗力维持稳定 ，其作用是利用外部支挡形成的抗力被动地支挡要下滑破坏的 边坡土体。而土钉墙是在土体内设置一定长度与分布密度的钢 筋，与土体共同工作，形成了强度较高的复合土体，增强土坡 坡体自身的稳定性，属于主动制约支挡体系。 试验表明，采用土钉后的边坡比天然土坡的承载力提高一 倍以上。 a开挖前的弹性平衡状态；b开挖卸荷造成的剪切破坏； c被动支挡提供侧向平衡力被动制约； d内部补强提供
5、侧向约束主动制约； 主动约束机制与被动约束机制 受土钉约束，邻近土钉的土体变形较小，离土钉较远的土 体变形较大，土钉与钉间土形成了土拱作用，保持钉间土的稳 定。 （2）类重力墙的作用 由于土钉数量众多，间距较小，土钉与土的共同作用使之 形成了类重力式复合土体挡墙，以抵抗土体侧压力，保持土体 稳定。 （3）土拱作用 （二）土钉墙受力过程 1.弹性阶段 土钉安设初期，基本不受拉力或承受较小 的力。喷射混凝土面层完成后，对土体的卸载变形有一定的限 制作用，可能会承受较小的压力并将之传递给土钉。此阶段土 压力主要由土体承担，土体处于线弹性变形阶段。 2.塑性阶段 随着下一层土方的开挖，边坡土体产生向
6、坑内位移趋势，主动土压力一部分通过钉土摩擦作用直接传递 给土钉，一部分作用在面层上，使面层在与土钉连接处产生应 力集中，对土钉产生拉力，此时土钉受力特征为：沿全长离面 层近处较大，越远越小；最下23排土钉离开挖底面较近，承 担了主要荷载，有阻止土体应力及位移向上排土钉传递的趋势 ，故位置越高土钉受力增量越小。土钉通过应力传递及扩散等 作用，调动周边更大范围内土体共同受力，体现了土钉主动约 束机制，土体进入塑性变形状态。 3.开裂变形阶段 土体继续开挖，各排土钉的受力继续加大 ，土体塑性变形不断增加，土体发生剪胀，钉土之间局部相对滑动， 使剪应力沿土钉向土钉内部传递，受力较大的土钉拉力峰值从靠近
7、面 层处向中部（破裂面附近）转移，土钉通过钉土摩擦力分担应力的作 用加大，约束作用增强，下排土钉分担了更多的荷载，在深度方向上 土钉受力最大点向下转移，土钉拉力在水平及竖直方向上均表现为中 间大、两头小的枣核形状。土体中逐渐出现剪切裂缝，地表开裂，土 钉逐渐进入弯剪、拉剪等复合应力状态，其刚度开始发挥功效，通过 分担及扩散作用，抑制及延缓了剪切破裂面的扩展，土体进入渐进性 开裂破坏阶段。 4.破坏阶段 土体抗剪强度达到极限不再增加，但剪切位移继 续增加，土体开裂剩残余强度，土钉承担主要荷载，土钉在弯剪、拉 剪等复合应力状态下注浆体碎裂，钢筋屈服，破裂面贯通，土体进入 破坏阶段。 （三）土钉与其
8、它类似技术的比较 1.土钉与加筋土挡墙的异同 相同点： （1）加筋体均处于无预应力状态。只有借助土体产 生位移使杆件受力后才能发挥其作用； （2）受力机理类似。都是通过土体与拉筋之间的粘结、 摩擦作用提供抗拔力，从而使加筋区的土体稳定，并承受其后 的侧向土压力，起重力式挡土墙的作用； （3）面层均较薄。面层基本不受力，在支挡结构的整体 稳定中不起主要作用。 （1）施工顺序不同。土钉墙是随着基坑的开挖自上 而下逐步形成的，而加筋土挡墙是自下向上先修筑面板 和埋入拉筋， 不同点： 然后夯填土体而 形成，故两者的 受力条件截然不 同。 （2）应用范围不同。土钉是一种原位加筋技术， 用于原状土的挖方工
9、程；加筋土用于填方工程，形成 人工堆填土质陡坡； （3）设置形式有差别。土钉可水平或倾斜布置， 土钉倾斜于滑裂面时，可以充分发挥其抗剪能力；而 加筋土挡墙一般为水平设置。 （4）土钉墙通常包含灌浆技术。土钉多用金属杆 ，通过砂浆与土接触而起作用，而加筋土挡墙中加筋 条多采用土工合成材料或钢筋混凝土，直接同土接触 而起作用。 （1）预应力施加与否 锚杆安装后，通常施加预应力，主动约束挡土结构的变位 ，而土钉一般不加预应力，需借助土体产生小量变形使土钉受 力后才能发挥其作用。 （2）两者在支护土体中的应力分布不同 2.土钉与锚杆的异同 （a）土钉 （b）锚杆 （3）设置密度不同 土钉设置密度大，靠
10、土钉的相互作用形成复合整体作用， 其中个别土钉发生破坏或不起作用，对整个支护结构影响不大; 而锚杆设置数量有限，每个杆件都是重要的受力部件，单根锚 杆破坏可能使整个支护结构受到影响。因此，土钉在施工精度 和质量要求上没有锚杆那样严格。 （4）长度不同 锚杆长度一般较长（1545m），直径较大，需要大型机 械进行施工，土钉的长度一般较短（312m），直径也较小， 相对而言施工规模较小，所需机具也比较灵便。 （5）端部结构不同 单根锚杆承受的荷载较大，为防止墙面冲切破坏，其端部 的构造较复杂；土钉一般不需要很大的承载力，单根土钉受荷 较小，并且在主动区和抗力区内土钉受力叠加后使土钉自身趋 于平衡状
11、态，因此土钉面层不属于主要受力构件，护面板结构 较简单，利用喷射混凝土及小尺寸垫板即可满足要求。 （6）刚度不同 土钉杆体可为刚性或半刚性的，土层锚杆杆体一般为半刚 性或柔性的。 1.土钉墙支护变形较小，最大水平位移发生于墙 体顶部，越往下越小。土钉墙支护体内的水平位移随 离开墙面距离增大而减少。 2.土钉内的拉力分布是不均匀的，一般呈现中间 大、两端小的规律，土体产生微小变位才能使土钉受 力。 3.采用密集土钉加固的土钉墙支护性能类似重力 式挡土墙，破坏时明显带有平移和转动的性质。 （四）工作性能 4.在土钉墙支护整体破坏以前，喷射混凝土面层 和土钉一般不会产生破坏现象。 5.墙面土压力分布
12、并不接近三角形，在坡脚处土 压力减少，其合力为库仑土压力的70%，这种土压力减 少是土钉将土连接成一个整体而造成的。其土压力值 至少降低库仑土压力值的30%-40%。 1.能合理利用土体的自承能力，将土体作为支护 结构不可分割的部分； 2.土钉墙增强了土体破坏的延性，延缓了土体失 稳的发展过程，使土体在丧失承受更大荷载的能力时 ，仍可维持较长时间的稳定不发生整体性塌滑； 3.位移较小，基坑浅或环境简单时一般不超过 20mm； （五）土钉墙应用特点 4.施工便捷、安全，土钉的制作与成孔简单易行 ，且灵活机动，便于根据现场监测的变形数据和特殊 情况，及时变更设计； 5.施工不需单独占用场地，对于施工场地狭小， 放坡困难，有相邻建筑，大型护坡施工设备不能进场 时，该技术显示出独特的优越性。 6.总工期短，可以随挖随支，基本不占用施工工 期。 7.费用低，经济，与其他支护类型相比，工程造 价降低1040左右。 土钉墙适用于地下水位以上或经人工降水后的 人工填土、粘性土和弱胶结砂土，特别适合于有一 定粘性的砂土和硬粘土。 土钉墙不宜用于含水丰富的粉细砂层、砂砾卵 石层和淤泥质土，不得用于没有自稳能力的淤泥和 饱和软弱土层。 作为土体开挖的临时支护和永久疤(芏洁僀愀愁褁唁鴂
