基坑围护结构之土钉墙详解

1、整体作用机理

土钉墙通过在土体内设置一定长度和密度的土钉，与土共同工作，形成了以增强边坡稳定能力为主要目的的复合土体，是一种主动制约机制，在这个意义上，也可将土钉加固视为一种土体改良。

土钉与土的相互作用，改变了土坡的变形与破坏形态，钉墙在受荷载过程中一般不会发生素土边坡那样突发性的塌滑。土钉墙延缓了塑性变形发展阶段，而且明显地呈现出渐进变形与开裂破坏并存且逐步扩展的现象，即把突发性的“脆性”破坏转变为渐进性的“塑性”破坏，直至丧失承受更大荷载的能力，一般也不会发生整体性塌滑破坏。显著提高了土坡的整体稳定性。

试验表明，直立的土钉墙在坡顶的承载能力约比素土边坡提高一倍以上，更为重要的是，土试验表明，荷载 P 作用下土钉墙变形及土钉应力呈 4 个阶段，如图1所示

图1 土钉墙试验模型及试验结果

(a)试验模型；(b)P 与沉降 Sv 关系；(c)P 与水平位移 Sh 关系；(d) P 与土钉钢筋应力σs 关系

①弹性阶段；②塑性阶段；③开裂变形阶段；④破坏阶段

土体中加入土钉后，由于土钉的应力分担、扩散及传递，土体的拉张区及塑性区滞后出现且范围明显减小，坡脚尽管依旧剪应力集中，但集中区的范围及集中程度明显减小减弱，塑性区范围缩小且发展延缓，如图2(b)所示，贯穿整体边坡的破坏带的发生滞后，且滑移面的半径增大，即意味着边坡的稳定性提高，或者可以使边坡开挖得更深[2]。

图2 基坑开挖拉张区与塑性区发展示意图

(a)无支护；(b)土钉墙支护；(c)搅拌桩复合支护；(d)锚杆复合支护

2、土钉的作用

土钉在挡土墙结构中起主导作用。其在复合土体的作用可概括为以下几点：

（1）箍束骨架作用。该作用是由土钉本身的刚度和强度以及它在土体内的分布空间所决定的。土钉制约着土体的变形，使土钉之间能够形成土拱从而使复合土体获得了较大的承载力，并将复合土体构成一个整体。

（2）承担主要荷载作用。在复合土体内，土钉与土体共同承担外来荷载和土体自重应力。由于土钉有较高的抗拉、抗剪强度以及土体无法比拟的抗弯刚度，所以当土体进入塑性状态后，应力逐渐向土钉转移，延缓了复合土体塑性区的开展及渐进开裂面的出现。当土体开裂时，土钉分担作用更为突出，这时土钉内出现弯剪、拉剪等复合应力，从而导致土钉体中浆体碎裂，钢筋屈服。

（3）应力传递与扩散作用。依靠土钉与土的相互作用，土钉将所承受的荷载沿全长向周围土体扩散及向深处土体传递，复合土体内的应力水平及集中程度比素土边坡大大降低，从而推迟了开裂的形成与发展。

（4）对坡面的约束作用。在坡面上设置的与土钉连成一体的钢筋混凝土面板是发挥土钉有效作用的重要组成部分。坡面鼓胀变形是开挖卸荷、土体侧向变位以及塑性变形和开裂发展的必然结果，限制坡面鼓胀能起到削弱内部塑性变形，加强边界约束作用，这对土体开裂变形阶段尤为重要。土钉使面层与土体紧密接触从而使面层有效地发挥作用。

（5）加固土体作用。地层常常有裂隙发育，往土钉孔洞中进行压力注浆时，按照注浆原理，浆液顺着裂隙扩渗，形成网络状胶结[3]。当采用一次常压注浆时，宽度 1~2mm 的裂隙，注浆可扩成 5mm 的浆脉，不仅增加了土钉与周围土体的粘结力，而且直接提高了原位土的强度。有资料表明，一次压力注浆最大可影响到土钉周边 4 倍直径范围内的土体。对于打入式土钉，打入过程中土钉位置的原有土体被强制性挤向四周，使土钉周边一定范围内的土层受到挤压，密实度提高，一般认为挤密影响区半径约为土钉半径的 2~4 倍。

3．面层的作用

（1）面层的整体作用。

①、承受作用到面层上的土压力，防止坡面局部坍塌－－这在松散的土体中尤为重要，并将压力传递给土钉；

②、限制土体侧向膨胀变形，如前所述；

③、通过与土钉的紧密连接及相互作用，增强了土钉的整体性，使全部土钉共同发挥作用，在一定程度上均衡了土钉个体之间的不均匀受力程度；

④、防止雨水、地表水刷坡及渗透，是土钉墙防水系统的重要组成部分。

（2）喷射混凝土面层的作用[4]。

①、支承作用。喷射混凝土与土体密贴和粘结，给土体表面以抗力和剪力，从而使土体处于三向受力的有利状态，防止土体强度下降过多，并利用本身的抗冲切能力阻止局部不稳定土体的坍塌；

②、“卸载”作用。喷射混凝土面层属于柔性，能有控制地使土坡在不出现有害变形的前提下，进入一定程度的塑性，从而使土压力减少；

③、护面作用。形成土坡的保护层，防止风化及水土流失；

④、分配外力。在一定程度上调整土钉之间的内力，使各土钉受力趋于均匀。

（3）钢筋在面层中的作用。

①、防止收缩裂缝，或减少裂缝数量及限制裂缝宽度；

②、提高支护体系的抗震能力；

③、使面层的应力分布更均匀，改善其变形性能，提高支护体系的整体性；

④、增强面层的柔性；

⑤、提高面层的承载力，承受剪力、拉力和弯矩。

4．土钉墙受力过程

荷载首先通过土钉与土之间的相互摩擦作用，其次通过面层与土之间的土－结构相互作用，逐步施加及转移到土钉上。土钉墙受力大体可分为四个阶段[5] [6]：

①、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、随着下一层土方的开挖，边坡土体产生向坑内位移趋势，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2~3 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、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（如果土钉总体受力较小，可能不会表现为这种形状）。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、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。

参考文献：

1、刘国彬、王卫东主编.基坑工程手册（第二版）[M].中国建筑工业出版社，2009

2、秦四清，贾洪，马平．预应力土钉支护结构变形与破坏的数值研究[J] ．岩土力学． 2005，26(9)：1356－ 1362

3、林宗元主编．岩土工程治理手册[M]．北京：中国建筑工业出版社， 2005

4、郑颖人主编．地下工程锚喷支护设计指南[M]．北京：中国铁道出版社， 1988

5、美国联邦公路总局编，余诗刚译．土钉墙设计施工与监测手册[M]．北京：中国科学技术出版社， 2000

6、程良奎，李象范编著．岩土锚固•土钉•喷射混凝土－原理设计与应用[M]．北京：中国建筑工业出版社， 2008