土钉墙的应用及结构数力分析

邢文阁

土钉墙是近年来发展起来用于土体开挖和边坡稳定的一种新型挡土结构。它由被加固土放置于原位土体中的细长金属杆件（土钉）及附着于坡面的混凝土面板组成，形成一个类似重力式墙的挡土墙，以此来抵抗墙后传来的土压力和其他作用力，从而使开挖坡面稳定。

土钉墙分为两大类，一是钻孔注浆土钉，二是打入式土钉。土钉墙适用于地下水位以上或人工降水后的人工填土、粘性土和弱胶结砂土以及深度≤12m的基坑支护或边坡加固。当土钉墙与有限放坡、预应力锚杆联合使用时，深度可适当增加。

（一）土钉墙的特点

（1）能合理利用土体的自承能力，使土体成为支护结构不可分割的一部分；其结构轻型，柔性大，有良好的抗震性和延性。

（2）施工设备简单。土钉的制作与成孔不需复杂的技术和大型机具，能与土方施工相配合，施工简便、无污染、无噪声，对周围环境干扰小。

（3）施工不需单独占用场地。对于施工场地狭小，放坡困难；当槽壁线下附近的土层里具有建（构）筑物以及大型护坡施工设备不能进场，采用传统的围护方法不能实现支护目的时，土钉支护具有其独特灵活的适用性和其他传统办法不可比拟的优越性。

（4）有利于根据现场监测的变形数据，及时调整土钉长度和间距，一旦发现异常不良情况，能够及时、快速、可靠地抢险加固，较大地提高了工程的安全可靠性。

（5）工程造价低。土钉墙与常规桩锚支护相比具有投资少、见效快等特点，工程造价比其他类型的工程造价低1/3～1/2。

（6）防腐性能好。土钉由低强度钢材制作，与永久性锚杆相比大大减少了防腐的麻烦。

（二）土钉墙的作用机理

土体的抗剪强度较低，抗拉强度几乎可以忽略，但土体具有一定的结构整体性，当开挖基坑时，土体存在使边坡保持直立的临界高度，当超过这一深度或者在地面超载及其他因素作用下，将发生突发性整体破坏，所采用的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，承受其后的侧面压力，防止土体整体稳定性破坏。土钉墙则是在土体内放置一定长度和密度的土钉体，土钉与土共同工作，形成能大大提高原状土强度和刚度的复合土体，土钉墙的作用机理正是基于这种主动加固的机制，同时，土钉与土的相互作用，还能改变土坡的变形与破坏形态，显著提高了土坡的整体稳定性。

（三）工艺流程

工艺流程见表1。

表1　工艺流程

（四）土钉参数设计

1.土钉长度

常采用坡面垂直度的60%～70%，对于钻孔注浆型土钉，用于粒状土陡坡加固时，其长度比（土坡钉长度与坡面垂直高度之比）一般为0.5～0.8。对于打入型土钉，用于加固粒状土陡坡时，其长度比一般为0.5～0.6。

2.土钉直径及间距

（1）土钉直径可根据成孔方法确定。人工成孔时，孔径一般为70～120mm，机械成孔时，孔径一般为100～150mm。

（2）土钉间距包括水平间距Sx和垂直间距Sy，对钻孔注浆型土钉，可按6～12倍土钉直径选定土钉行距和列距，且宜满足：SxSy=KDL。

K：注浆工艺系数，对一次压力注浆工艺取1.5～2.5；

D：土钉直径；

L：土钉长度。

对于钻孔注浆型土钉用于加固粒状土陡坡时，其黏结比DL/SxSy为0.3～0.6，对于打入型土钉，用于加固粒状土陡坡时，其黏结比为0.6～0.11。

3.土钉钢筋直径

为了增强土钉钢筋与砂浆（纯水泥浆）的握裹力和抗拉强度，土钉钢筋一般采用II级以上变形钢筋，钢筋直径一般为φ16～φ32，常用φ25。土钉钢筋直径也可按下式估算：

D=（20～25）10-3（SxSy）1/2

对于钻孔注浆土钉，用于粒状土陡坡加固时，其布筋率D2/SxSy为（0.4～0.8）×10-3。

对于打入型土钉，用于粒状陡坡时，其布筋率为（1.3～1.9）×10-3。

（五）工程实例

1.工程概况

邯郸市中心医院病房大楼工程地下2层地上21层，总高度89.6m，建筑面积42900m2。框架剪力墙结构，筏板基础，基坑深12.65m（从自然地坪计）。本工程采用管井进行降水，基坑支护采用土钉墙施工工艺。

（1）工程地质条件。根据该场地《岩土工程勘察报告》，地基土的构成情况见表2：

表2　地基土构成情况

续表(www.xing528.com)

（2）水文地质条件。根据勘察报告，初见水位埋深最小值9.00m，最大值11.00m，平均10.00m；稳定水位埋深最小值8.60m，最大值9.60m，平均8.98m。地下水类型为孔隙潜水，水量不大。

2.设计参数选取

剖面设计参数。按基坑规程相关条款计算，支护设计参数见表3：

表3　支护设计参数

土钉倾角：10°；

土钉水泥浆体强度：20MPa；

土钉水泥浆配比W/C：0.5；

喷射砼：设计强度：C20；

喷射厚度：60～100mm；

水泥∶砂∶碎石∶速凝剂=1∶2∶2∶0.03（重量比）；

钢筋网：φ8＠200×200mm；

保护层：30～50mm。

另外为保证坡顶稳定，在坡顶做1.5m的钢筋砼翻边。

3.施工工艺

（1）边坡采用反铲挖土机挖土，预留20～30cm人工修坡，开挖深度在土钉孔位下50cm，预留成孔工作面宽度保证10m以上，以确保土钉成孔的工作面。土方开挖严格按设计规定的分层分段开挖，按顺序施工，土钉施工3～4天一层，上层作业面的土钉及喷混凝土强度未达到设计强度以前，不得进行下一层土方的开挖。

（2）边坡采用人工清理，为确保喷混凝土面层的平整，此工序必须挂线定位，由测量人员放出精确位置。对于土层含水量较大的边坡，可在支护面层背部插入长度为400～600mm、直径不小于40mm，四周钻有梅花孔外包滤网的水平排水管，其外端伸出支护面层，间距为2m，以便将喷混凝土面层后的积水排出。

（3）定位放线：按设计图纸由测量人员用φ8长30cm的钢筋打入每一个土钉的位置。

（4）成孔：采用人工洛阳铲并结合螺旋钻机机械成孔。钻孔后进行清孔检查，对孔中出现的局部渗水塌孔或掉落松土立即进行压浆处理，并及时安设土钉钢筋并注浆。

（5）土钉主筋制作及安放：主筋按设计长度加20cm下料，外端弯钩与井字架焊牢，确保端部的主筋抗拉强度，主筋每隔2m焊对中支架，防止主筋偏离土钉中心；安放主筋时，将注浆管与主筋捆绑在一起，注浆管离孔底0.5m左右。遇土钉钢筋下放困难时，应查清原因处理后再下放，不可蛮干。

（6）造浆及注浆：采用搅拌机造浆，质检人员应严格控制水灰比（本工程水灰比W/C=0.5）；注浆采用注浆泵，注浆时，将导管缓慢均匀拔出，但出浆口始终处于孔中浆体表面之下，保证孔中气体能全部排出。遇有漏失严重的钻孔，应及时补浆。

（7）挂网及锚头安装：钢筋网片用插入土中的钢筋固定，与坡面间隙3～4cm，但不应小于3cm，搭接时上下左右一根对一根搭接绑扎，搭接长度应大于30cm，并不少于两处点焊。钢筋网片借助于井字架与土钉外端的弯勾焊接成一个整体。

（8）喷射混凝土：喷射混凝土顺序可根据地层情况“先锚后喷”或“先喷后锚”（土质松散时），喷射作业时，空压机风量不宜小于9m3/min，气压0.2～0.5MPa，喷头水压不应小于0.15MPa，喷射距离控制在0.6～1.0m，通过外加速凝剂控制砼初凝和终凝时间在5～10min，喷射厚度60～100mm。混凝土配比严格按照设计要求进行，水泥∶砂∶石子∶速凝剂=1∶2∶2∶0.03。

（9）养护：根据施工时的气温，坡面采取保温养护。

（10）若遇地下管网漏水，要准备PVC（φ25mm）及滤网以便及时插管排水；遇砂层局部塌方，要准备砂袋及时回填并立即挂网喷砼。

（11）在基坑四周5.0m范围内不得设置用水点；在场地内的所有用水点，均应设置排水沟，将水引入下水管道。

（12）在基坑四周边沿设置排水沟（或排水管道），并在1.5～3m范围的地面用水泥抹面，防止降雨和人工用水的入渗。

（13）基坑边坡坡面应用水泥砂浆抹面，以防雨季降雨流涮引起边坡坍塌。

（14）堵塞并排出基坑周边附近的人防通道、上下水管道和暖气沟等管道积水，防止涌入基坑。

4.施工中具体的问题处理

（1）局部坡面坍塌处理。在第三步土钉墙施工过程中，由于施工速度快，在第二步土钉墙强度未达到设计强度的70%时，西南角10m长的南坡边坡出现坍陷问题，决定将此处第三步开挖土方回填压坡，边坡稳定且土钉墙砼强度达到一定要求后再进行此部位的施工。

（2）在主体结构施工至第二层、地下室外防水未做时，南坡的西段20m边坡，由于排水管道漏水出现边坡失稳现象，最大沉降120mm，最大水平位移70mm。查明原因后经研究决定，切断此处管道水源，将边坡的水利用滤管将水排出，滤管布置为：每间隔5m设置一根φ25PVC水平排水管，管壁用手电钻打孔，呈梅花型布置，外缠60目工业滤料网将水引出，3天后得到较好的控制。

5.施工监测

为了对边坡施工进行动态掌握，我们设置了基坑水平位移、基坑沉降、裂缝以及墙体变形四个监测项目，采用精密水平仪、经纬仪进行观测，设定边坡位移值不超过3‰，沉降量不超过50mm。经过检测：除南侧西段外其余最大水平位移9mm，最大沉降量24mm，南侧西段因地下管线渗漏，造成土体局部饱和，出现异常现象后，最大水平位移70mm，最大沉降量120mm。

（六）结语

本工程2001年12月8日开工至2002年1月28日结束，共经历了52天，共完成支护面积约4000m2的支护任务，在随后结构施工中，除局部由于地下管线渗水出现异常外，其他均一直处于稳定状态，其间经历了冬春的冻融循环及施工期间坑边施工重载等的不利影响。实践证明本工程的土钉墙基坑支护工程质量达到设计及施工规范要求。