土钉支护结构设计问题探讨

李喜明

1 概述

土钉墙是一种原位土体加筋技术，是由设置于坡体中的加筋杆件与其周围土体牢固粘结形成的复合体以及面层构成。其作用类似于重力式挡土墙，它主要用于改善原位土体的性状，并与原位土体协同工作，从而提高整个土体的稳定性。土钉支护技术是当前国内外较流行的主动支护方法，在基坑工程支护和边坡护坡中普遍应用。虽然这种技术在我国的应用已经有20余年的历史，但是国内对其还缺乏深入系统的研究，设计分析方法也比较粗糙。目前由于国内对土钉支护技术的应用还没有比较完善的设计和施工规范，对于土钉支护结构的设计计算，主要依靠经验和工程类比，并结合一定的计算分析和现场监测。

根据对破裂面形状、截面特性、钉土相互作用模型做不同的假设，有各种不同的分析方法。然而大多数方法不能有效的计算基坑开挖时土钉挡墙及土钉轴力的变化过程，或者采用这些方法得到的结果，其内力和实际情况相比误差较大，于是不能很好的预测极限荷载对应的变形，也不能全面了解极限状态之前的情况。本文对于土钉支护的结构计算设计方法中存在的一些问题进行分析，为进一步改进土钉结构设计方法提供一些看法和建议。

2 结构设计方法问题分析

2.1 土钉抗拔力计算

土钉抗拔力计算普遍采用筋土摩擦理论，其计算模式为：

其中，D为钻孔直径;Le为土钉在滑裂面外非扰动区的长度; Tf为钉土间的抗剪强度。

在无抗拔试验的情况下，Tf一般通过钉和土接触面处的力学参数用下式确定：

其中，σy为垂直方向应力;φ为钉土接触面处土体内摩擦角; c为土体的粘聚力。

在计算土钉墙抗滑稳定时，大部分文献都以上式计算的T作为土钉的抗拔力，而以这两个公式计算得到的T实际上代表了土钉所能承受的最大抗拔力(极限抗拔承载力)，而这不一定是土钉实际提供的抗拔力，因此以上式计算的抗拔极限承载力作为土钉提供的抗拔力是不合理的。

实际上土钉抗拔力不只是由稳定区的土钉体受力状态决定的，还与滑动区土钉受力状态以及土钉材料的抗拉能力(由材料的容许抗拉强度和截面积决定)有关，因此确定土钉抗拔力必须综合考虑这三个方面的因素。

按土钉受拉屈服条件，土钉本身的容许拉力可用下式计算：

其中，d为土钉钢筋直径;fy为钢筋抗拉强度。

2.2 土钉墙主动土压力计算

土压力的研究一直是岩土工程界的热点和难点。目前还没有一个较为理想的土压力理论能比较真实的反映实际土压力的大小和分布模式。对于刚性挡土墙，工程界采用土压力为三角形分布的朗肯土压力理论或库伦土压力理论。对于柔性支护的土钉墙，工程界也采用了同样的土压力理论。然而大量实测资料表明，对于土钉墙，土压力分布并不是三角形而是接近抛物线形，实测值也较理论值小的多。因此按朗肯土压力理论或库伦土压力理论计算是偏保守的。

实测土压力较理论值小的原因有两个：

1)土钉面层设置前，开挖的坑壁已经产生了位移变形;

2)忽略了土和土钉的互相作用。前者是显而易见的，后者也是一个重要因素。土钉插入后，由于钉土之间产生相对位移，从而在钉土之间产生摩擦力，土钉依靠摩擦力分担了部分土压力，并约束了土体侧向变形，使土钉墙主动土压力减少。当插入土钉后，上下土钉之间的土体形成承压拱，承压拱具有一定的自承能力，因此削弱了主动土压力的值。由此可见，土钉墙的土压力形成机制与一般重力式挡墙土压力形成机制具有很大差异，这种差异的根源就在于钉土的相互作用。

国内山西煤炭部太原设计研究院通过对土钉支护结构的现场原位观测以及关于观测结果的分析表明：

1)土钉密度明显的控制着土压力曲线的形状;

2)当土钉密度达到一定程度时，土压力曲线相应的变为“波浪”形状;在上下土钉中间，土体受到约束最小，曲线出现“波峰”;在土钉插入处，土体受到约束最大，土压力出现“波谷”。国外进行的一些模型试验以及实测结果也同样表现出了钉土的相互作用。

目前普遍认为土钉支护结构的面层不受力，设计中可以按构造配筋。但有些文献中，土钉支护结构设计中还是按刚性挡土墙的方法进行计算的，即按朗肯或库伦土压力理论计算面层压力。这种计算方法依然没有摆脱传统的刚性挡土墙的设计模式，将传统土压力理论用于土钉墙设计是不恰当的，因为传统土压力理论是针对天然土体计算的，而土钉墙必须考虑到钉土相互作用对土压力的影响。实际上土钉支护可以归为一种土体改良技术，通过在土体中插入士钉改良土体的性质。从这种观点来看，土钉植入土体后，土体性质得到改良后土体的主动土压力必然减小。面层土压力相应可用下式进行计算：

其中，当h≤H/2时，h取实际值;当h＞H/2时，h取0.5H，H为土坡的垂直高度，m，h为土压力作用点至坡顶的距离，m;γ为土的天然重度，kN/m3;me为工作条件系数，对临时性土钉支护，me取1.10，对永久性土钉工程，me取1.20;K为土压力系数，K= 1/2(Ka+K0)，K0，Ka分别为静止、主动土压力系数;q为作用于土钉面层上的土压力，kPa。

2.3 土钉长度的确定

在土钉设计的诸参数(长度、直径、倾角、水平间距、竖直间距、直径等)中土钉长度是关键参数，它直接关系土钉的安全和经济性。

国内外相关实测资料均表明，沿支护结构高度方向上下分布的土钉，其在使用状态的最大内力值相差较大，一般顶部和底部都偏小，中部较大，可知中部的土钉对于整个支护结构所起作用较大。顶部土钉主要作用在于限制支护最大水平位移，而底部的土钉长度对于整个支护结构的稳定性起到关键的作用。所以在一般的均质土中，上下所有土钉取成等长是相对合理的。如果土层条件差异较大或有其他作用时，应综合考虑各种因素的影响效应，合理设置各部分土钉的长度以及水平间距和竖直间距。

目前国内相关设计仅仅为简化起见，一般是将包括土钉长度在内的土钉的道数、间距、倾角、直径及土钉与土层的粘结力等几乎全部参数确定好后，然后再验算土钉墙围护的局部稳定性以及整体稳定性。这样设计的结果与设计者的经验有很大的关系，做到经济合理是比较困难的。可先给出除土钉长度的其他相关设计参数，然后在不同工况下分别由局部验算条件和整体验算条件确定土钉长度的计算范围，选择合理经济的土钉长度，以充分发挥材料性能，而且满足计算设计要求的水平。这样做是相对比较合理的，应该在土钉墙结构的设计计算中进行推广，以达到工程设计经济合理与安全的目标。

3 结语

土钉墙支护是一项具有广阔发展前景的技术，随着国民经济的发展和国家建设事业的兴旺发达，土钉墙技术由于施工机具简便灵活、工艺简单、工期短、投资少、见效快等优点，在建设工程中的应用将越来越广泛。然而目前在国内尚无完善和统一的设计原理和计算方法，各施工单位主要依靠经验与工程类比进行设计和施工，导致事故时有发生。因此，我们必须对土钉墙支护进行更深入的理论研究，结合实践对现行土钉支护技术的设计和施工进行改进完善，避免或减少悲剧的发生。

［1］ 陈肇元，崔京浩.深基坑开挖的土钉支护技术［J］.地下空间，1995(4)：32-34.

［2］ 陈肇元，崔京浩.土钉支护在基坑工程中的应用［M］.北京：中国建筑工业出版社，1997.

［3］ 程良奎.地基加固技术［M］.北京：地震出版社，1991.

［4］ 马忠政，侯学渊，李 红.土钉墙设计中计算方法的探讨［J］.地基基础，1999(4)：65-68.

［5］ 王步云.土钉墙设计［J］.岩土工程技术，1997(4)：94-96.