土钉墙加固：土钉及加固机理

因土体的抗剪强度较低，抗拉强度几乎可以忽略。当基坑开挖高度较大，或坡度过高，会导致基坑壁土体失稳破坏。土钉墙支护主要是通过在边坡表面向坡内设置细长的金属杆件（如杆状或管状的钢筋或钢管等），并通过全长注浆方式实现杆件与土体之间的紧密接触形成复合土体，对杆周土体实现约束与加固，改善土体抗拉、抗剪强度来提高边坡稳定性。坡表面一般采用先铺设钢筋网后喷射混凝土等方法予以保护。因此，土钉墙主要部分可以分为杆件和面板两大部分（图5-19）。

图5-19　典型土钉墙结构

1—土钉；2—喷射混凝土面层；3—面层钢筋网；4—排水沟

由于土钉存在，改变了复合土体的性质，提高了土体强度及土体抗变形破坏的能力，且降低了变形量。土钉在复合土体中的作用可以概括如下：在土体中以一定密度设置土钉后，土钉发挥“群体效应”和“箍束作用”对钉间土体予以加固和约束。当基坑开挖后，土体出现变形，由于土钉自身抗压强度、抗剪强度及刚度均远大于土体，轻微变形将调动土钉的作用，限制土体的变形。土钉进一步将剪切面集中应力向更大范围传递扩散，降低了危险面上土体的应力。除了土钉本身对土体应力分布的改变外，与土钉联系在一起的面层（板）同样发挥着重要的作用。表层土体开挖后因卸荷将导致基坑土体侧向变形、开裂破坏等，这种破坏必然降低土钉箍束效应。因此，面板在限制坡面鼓胀、加强边界约束作用、保持土钉的加固效应等方面作用明显。

因此土钉支护能合理利用土体自身承载力，属于一种原位补强方式，将土体视为支护结构的一个部分。土钉墙复合体属于柔性结构，土钉作用的发挥与土体的开挖变形相关。

土钉墙复合体作为支护结构时，在基坑边坡中受力非常特殊。土钉的轴力呈现中间大、两头小的规律，最大拉力出现在临近破裂面处，土钉表面摩阻力方向以该破裂面为界，临基坑面一侧（主动区）方向向外，内侧（被动区）向坡体内部。在变形过程中，破裂面处土钉可能出现因材料抗拉强度以及被动区土体摩阻力不足等导致土钉的破坏现象。到了面板处土钉的拉力并不大，一般较理论计算的土压力小30%～40%。土钉墙位置越往下，土钉最大受力点越靠近面板。但是，根据大尺寸支护面板及工程实践，土钉墙破坏前并未发现混凝土面板及钉头出现破坏现象，因此对于面板，设计中并不作特殊计算，仅满足构造要求即可。(www.xing528.com)

采用密集土钉进行加固的土钉墙，其性能类似于重力式挡土墙，失稳时会出现比较明显的整体平移和转动现象。因此土钉墙设计计算时除了进行内部稳定性计算外，宜进行墙体整体抗滑与抗倾覆整体稳定性计算。

根据土钉的使用目的与使用年限，土钉可以分为永久性土钉墙和临时性土钉墙。根据施工方法与材料，常用的土钉可以分为黏结型土钉和击入式土钉两类。黏结型土钉最为常用，先在土中钻孔后，置入孔内的钢筋还应按1.5～2.5m的间距设置对中定位钢筋，然后全长注浆。将坡表面土钉外露部位通过螺母、钢垫板与喷射钢筋混凝土面层相连。击入式土钉施工工序简单，直接将钢筋（或专用杆件）打入土体，不再注浆，打入可采用人力或振动冲击钻、液压锤等机具完成。该方法施工速度快，但是土钉与土体之间黏结力差，钉长受限，且不适用于难以击入的含砾石、砖块或者胶结土。同时杆件表面无保护层，因此也不适用于永久性支护工程。目前在工程上使用最多的还是黏结型土钉。

土钉墙施工设备简单，一般不需要大型机具及复杂的技术，施工过程对土体扰动极小。同时土钉施工可与基坑开挖同步进行，随挖随支，布置灵活，在一些狭窄地段优势明显。同时该工艺造价较其他支护类型低。

从土钉类型、施工及受力机理来看，土钉适用于有一定自稳能力的土体，因此对于含水丰富的粉细砂、淤泥质土，土钉墙一般不适宜。而对于成孔比较困难的砾石、卵石层、含碎块石、砖块等地层段同样不适用。由于土钉需要产生一定变形来实现钉-土之间的复合作用，因此对于变形控制严格的基坑使用土钉必须慎重。同时土钉一般用于开挖深度小于12m的基坑，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。土钉施工应分段分层施工，随挖随支。

锚杆与土钉有一定的相似性，但是差别非常明显。首先锚杆主要通过预先施加预应力实现对岩土体的加固作用，而土钉主要是借助土体轻微变形而让杆体受力。相应的锚杆对锚头要求特别牢固，它为整个体系最大受力部位，而传至土钉面板部位的力较小，杆头与面板黏结相对简单。锚杆一般分为锚固段和自由段，自由段只传递拉力，锚固段提供锚固力。土钉则全长与土体之间接触，全长均分布有摩阻力。从布置上看，为实现土钉与土体之间的复合作用，土钉的密度要求高，当个别土钉破坏或不起作用，对整个支护体系的影响较小。锚杆应力较高，每根锚杆均是重要的受力部件，锚杆间距大，需要尽量避免群锚效应。从长度上看，锚杆长度一般较大，而土钉较短（3～12m），施工更为方便。