土钉支护技术在边坡支护工程中的应用研究

赵亮

摘要：为了对土钉支护技术在边坡支护工程中的应用情况和应用优势进行研究，本文介绍了土钉支护的工作原理，以某边坡工程为研究对象，对土钉支护施工技术的要点和优势进行详细探究，并进行实时数据监测。取得了较好的支护效果。研究结果表明：对土体开挖以及边坡支护施工中，土钉支护效果较好，具有施工方式便捷，工期短，施工成本比较低、支护效果好、对周边环境影响较小等优势。

关键词：边坡；土钉支护；支护原理；支护施工

1.引言

为保证边坡、地下结构施工及基坑周边环境的安全，需对边坡、基坑侧壁及周边环境采取支挡、加固与防护措施。常见的支护形式有：挡墙、排桩式锚杆挡墙、桩撑、桩锚、地下连续墙支护、水泥挡土墙、逆作拱墙、钢筋混凝土排桩等[1]；不同的支护形式适应于不同的水文地质条件和边坡、基坑情况，因此，要根据具体问题，具体分析，从而选择经济适用的支护形式。

土钉支护是一种用于边坡加固的挡土技术或者用于深基坑开挖支护的技术[2]，是一种十分重要的支护结构形式，能够有效利用土体自身强度，在原位土体外力以及自重的影响下，改善土体受力[3]。对边坡支护中土钉支护要点进行深入研究意义重大。

国内外有较多学者对土钉支护结构进行研究并取得许多的成果。在国外，土钉支护结构是基于加筋土墙、新奥法和锚杆挡土墙而发展起来的。在我国，土钉支护结构是基于新奥法的原理发展起来的。目前对土钉支护结构的研究包括理论研究和试验研究，理论分析主要采用了有限元法和解析法，以及根据工程经验总结的方法，试验研究方法主要包括室内模型墙试验、离心模型试验和现场试验等。在工程实践中，则有对土钉墙进行信息化施工监测，测定土钉墙施工过程中的土体水平位移、土压力及土钉应力的变化情况[4]。

相较与其他边坡支护方式，土钉支护具有施工操作便捷、材料用量和工程量少，施工设备轻便，操作方法简单、对场地土层的适应性强、成本较低。本文以某边坡工程为研究对象，对土钉支护方案、施工技术的要点进行详细探究，对土钉支护进行实时数据监测，研究土钉支护方法和优势。

2.土钉支护的工作原理

土钉支护是在基坑开挖坡面，用机械钻孔或洛阳铲成孔，孔内放钢筋，并注浆，在坡面安装钢筋网，喷射一定厚度的混凝土，使土体、钢筋与喷射混凝土面板结合形成的一种挡土支护结构[2]。土钉支护通常由三个部分组成，即土钉、面层和防水系统。

由于土体抗剪强度比较低，因此可直接忽略抗拉强度，在自然环境中，存在使土保持直立的临界高度，如果超过这个深度或者在超载及其他荷载的影响下将发生突发性的整体破坏。对此，在边坡土体加固施工中，应采用适宜的支挡结构形式，有效承受侧压力作用，同时避免其进一步变形。一般的支护措施是基于支护边坡被动支护体系，以挡土结构承受后土的侧压力，防止土体发生整体稳定性破坏。土钉支护结构则是在土体内放置一定长度和分布密度的土钉，与土体共同作用，弥补土体自身强度不足。因此，通过增强边坡土体自身稳定性的主动制约机制，不仅有效地提高了土体整体刚度，而且改善了边坡变形和破坏性状，显著提高了整体的稳定性[4]。

传统的支挡结构均基于被动制约机制，即以支挡结构自身的强度和刚度，承受其后的侧向土压力，防止土体整体稳定性破坏。土钉支护有别于这类支护形式的作用机理，它是以一定程度的土体变形为代价，在土钉产生拉力从而约束土体的进一步变形的主动支护形式。土钉支护结构中土钉、土体与喷射混凝土面层作为一个共同体，弥补了土体自身抗拉、抗剪强度之不足，提高了复合土体的整体刚度，使土体的自身结构强度潜力得到充分发挥，并有效地改变了边坡变形和破坏形态。

3.土钉支护技术应用优势

在土钉支护施工中，要求充分利用土体结构自稳定性，一边开挖施工，一边设置土钉，施工流程如图1所示：第一，通过利用土体自稳能力，进行第一级开挖施工，如图1（a）所示；第二，设置第一道土钉，如图1（b）所示；第三，对土钉设置位置进行灌浆施工，当灌浆达到一定强度要求后，即可进行第二级开挖施工，如图1（c）所示；第四，设置第二道土钉，如图1（d）所示。在实际施工中，根据不同边坡支护施工项目及工程地质条件，逐级进行边坡开挖，并及时设置土钉。

在边坡支护施工中，土钉支护的应用优势包括以下几点：（1）在土钉支护技术的应用中，通常土钉杆体为低强度钢筋（钢管），在和土体的共同作用下，通过钢筋混凝土面层进行整体连接，大大地提高了边坡的整体稳定性。（2）通常情况下，土钉被动受力，随着开挖深度的增加，边坡结构会发生一定变形，在土体变形中，土钉可产生拉力，因此，土钉支护结构位移大于超前挡土结构支护。（3）在土钉支护技术的实际应用中，要求分层开挖，分层支护，这样一定程度上保障了施工的安全性。（4）边坡支护技术类型比较多，其中，土钉支护技术的应用成本比较低，因此应用范围广泛。（5）与地下连续墙、排桩等支护施工技术相比，土钉支护施工操作便捷，并且对于施工设备的要求比较低。

4.土钉支护设计工程实例

4.1工程地质概况

在某基坑工程施工中，边坡施工区域地形起伏比较大，地面横坡在32°～60°之间，在边坡施工中，根据1∶0.35坡比进行开挖施工，形成高度为9m～15m的边坡。该边坡施工场地地质构造单一，主要为褶皱地质，通过现场勘查，施工场地地层主要为板岩，发育两组垂直节理，节理间距为50cm，延展性比较差。另外，边坡岩土构成是由风化板岩以及薄层粉砂岩组成的。

4.2边坡变形破坏形式

通過对该施工区域边坡地质构造进行现场勘查，边坡结构的变形破坏形式主要有两种，即崩塌以及滑坡：（1）崩塌。该边坡岩体的风化深度比较大，并且垂直节理发育，因此边坡表层容易发生崩塌地质灾害。（2）滑坡。该边坡受到风化以及节理切割的影响，岩体结构强度比较低，通过对边坡滑移的破坏形式进行分析，滑坡上不拉裂形式为直线形，经碎裂岩体切层后呈弧线状，如图2所示。

4.3边坡支护方案

（1）在边坡支护设计中，要求对边坡变形进行有效控制，不仅需综合考虑边坡整体结构稳定性，同时还应采取有效措施保证边坡开挖施工中的稳定性。综合考虑本工程实际情况以及施工技术条件，选用土钉支护施工技术，通过设置土钉，使其潜在破裂面，能够避免发生滑坡事故，另外，还可在坡面挂网进行混凝土喷射加固施工，能够避免发生坍塌事故。在本工程施工现场进行拉拔试验，对土钉结构粘结强度进行分析，能够为支护设计和施工提供参考。

（2）在边坡开挖施工中，为了减少土方开挖施工量，对于边坡，可以1∶0.35放坡，土钉采用？25mm和？28mm螺纹钢筋，土钉长度在6.0m～12.0m之间，设置9排土钉，采用梅花形布置形式，间距为1.3m。在该边坡支护施工中，断面布置形式如图3所示。

（3）在边坡土钉支护施工中，为了能够及时根据施工现场对施工参数进行优化调整，在本工程施工中，选择3个断面对施工参数和效果进行监测，在3个断面中需安装土钉轴力测力计，选择4排土钉，对土钉轴力进行监测分析，土钉轴力为Li-j；坡面位移测点为B1。

（4）为了确保测点长期稳定，同时保证测试结果的准确性，对于土钉轴力以及喷层后土压力，可分别应用钢铉式钢筋应力计以及钢式土压力盒进行监测，另外，对于坡体位移，可采用DM-SZ型光电测距仪以及J2经纬仪组成速测仪进行监测。施工现场各类监测设备的布局形式如图4所示。

4.4边坡土钉支护监测结果

边坡结构稳定性的影响因素比较多，包括支护参数、不同土层稳定性参数、开挖深度、支护时间等，同时，在边坡开挖施工中，不同开挖深度的水平位移也会对边坡稳定性产生较大影响。在该边坡支护施工中，第2排土钉轴力变化监测结果如图5所示，边坡坡面各测点位移监测结果如图6所示。

在边坡开挖以及支护施工中，通过对施工现场进行监测，从图6可知，在开挖施工中，水平位移不断增加，在上一步支护施工完成后，在下一步开挖面暴露时，水平位移比较大，位移量在2.2mm～4.2mm之间。在对边坡坡体中部进行开挖施工时，水平位移增加量明显，其中，边坡上部位移量在6.3mm～16.8mm之间。为了保证边坡开挖施工安全性，要求及时对设计方案以及施工方案进行优化调整，避免对边坡结构稳定性造成不良影响。在本工程施工中，边坡上部土钉长度为12.0m，根据施工现场监测结果，将土钉长度增加为13.0m，同时在每次开挖施工中，原开挖深度为3.0m，后减小至1.5m，能够有效减少边坡开挖支护施工中的水平位移量，进而提升坡体结构稳定性。

5.结语

本文结合实例，对土钉支护技术在边坡支护施工中的应用方式和优势进行了详细探究，并对土钉支护进行实时数据监测，主要得出以下结论：

（1）在边坡治理方案设计中，应注意保住中部，同时提升坡脚稳定性，在边坡开挖中，应及时进行支护施工，对每层开挖深度进行有效控制。（2）本工程边坡地質条件为软弱岩质，地层破坏形式比较复杂，主要受边坡开挖施工顺序、开挖深度等因素的影响，因此，要求采取有效的支护施工方式。因此，采用破裂面形式，在土钉支护施工中，对施工现场进行监测管理，及时对施工参数进行优化调整，适当增加边坡中部土钉长度，能够有效保证边坡结构稳定性。（3）土钉支护作为边坡支护中最常见的支护方法，具有材料用量和工程量少，施工速度快、施工设备轻便，操作方法简单、对场地土层的适应性强、结构轻巧，柔性大，有很好的延性、施工所需的场地较小、成本较低等优势。

参考文献：

[1]吴华伟，尉立基，章海明.土钉支护结构设计参数对路堑边坡稳定性的影响[J].北方交通， 2020（03）：68-72.

[2]杨育文.土钉支护理论与设计[J].岩土力学， 2019， 40（S1）：118.

[3]郭玮.土钉支护结构的工作原理和工程应用研究[D] .浙江大学， 2006.

[4]黄梅.复合土钉墙在深基坑工程中的应用.现代商贸工业[J]， 2020.（17）：192-193.