土钉墙支护技术在贵州红粘土地区基坑维护中的应用
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摘要：土钉墙支护技术在我国被广泛应用于基坑维护中，本文根据其基本原理简要分析介绍了土钉墙支护技术的设计方法及理论，同时结合实际工程，提出了该技术应用于贵州红粘土地区需注意的事项。
关键词：土钉墙支护技术；作用机理；支护设计；红粘土；注意事项
中图分类号： S611 文献标识码： A 文章编号：
Abstract：Soil nail wall supporting technology is widely used in foundation pit maintenance in our country，In this paper，based on the brief analysis of the basic principle of soil nailing wall supporting technology is introduced design method and theory，and combined with practical engineering，Put forward the technology matters that should pay attention to Guizhou red clay area part.
Key words：Soil nail wall supporting technology；Mechanism；Foundation pit support；red clay；Matters needing attention
1引言[收稿日期：
基金项目：贵州省教学内容和课程体系改革重点项目（土木工程应用型人才实践教学体系研究,黔教高2011[281]号）
作者简介：戴自然，男，1985年12月，助教，硕士，岩土工程。]
近年来随着我国西部大开发战略的进一步深入以及国发2号文件的颁布，整个贵州地区的经济建设开始腾飞，城市建设进入快车道，小高层和高层建筑大量涌现，根据贵州地区的普遍的工程地质特征（基岩上覆盖层厚度大多数在5.0~7.0m，且覆盖层主要为红粘土），多数新建筑设有1~2层的地下室，开挖深度多在地坪以下5.0~7.0m之间，且绝大多数基坑周围均有复杂的地下设施或重要邻近建筑物，使得放坡开挖这一传统技术不能再满足现实的需要，在这种情况下，该类基坑开挖和支护技术引起了各方面的重视，成为了建筑工程界的热点问题之一。土钉墙支护技术因其可与基坑开挖同时进行，很少占用独立工期，同时钉墙能充分利用土体的自承能力，与锚喷支护相比，其造价低，施工方便，故而广泛应用于工程建设中。本文以贵阳市某商住楼基坑为例，对土钉墙支护技术的设计理论、施工工艺加以介绍，希望能对该技术在贵州地区红粘土层中的应用有所帮助。
2土钉墙的作用机理
土钉墙支护技术是一种原位土体加固技术，是由天然土体通过土钉锚杆的加固并与喷射混凝土面板相结合形成的类似挡土墙的一种支护形式。其通过土体的嵌固和加筋作用，土钉与土体形成共同工作体系，类似重力式的柔性挡土墙，以抵抗墙后的土压力和其它荷载，从而保证开挖边坡坡体的稳定。
采用土钉墙支护形式支护的边坡，相比素土体边坡，其破坏状态和模式明显不同。土钉墙在受荷过程中能大大推迟土质边坡的塑性变形发展，而且明显的呈现出渐进变形与开裂破坏并存且逐步扩展的现象，直至丧失承受更大荷载的能力，仍不会发生整体性塌滑，且土钉墙在受荷过程中不会发生素土边坡那样突发性的塌滑。土钉在复合土体中的作用机理机理及复合土体的整体作用机理如图1所示。根据土的力学性质，没有约束的边坡土体，当边坡角度大于边坡土体的自然休止角时，它会在外力及自重作用下发生如图示的圆弧滑动渐变破坏，滑裂面将将支护结构分成主动区和稳定区两个区域，主动区产生的水平推力通过与土钉的相互作用与面层一起在土钉中形成拉力，有将土钉从稳定区中拔出的趋势，稳定区土体与土钉的摩擦力阻止土钉拔出。当主动区的水平推力平衡于稳定区土钉之间的摩擦阻力，则达到土钉支护结构的内部稳定性。整个支护结构的外部稳定指的是通过土钉的箍束骨架作用将主动区和稳定区连成一个整体而形成的柔性重力式挡土墙的整体稳定。
图1 土钉墙支护体系的作用机理
3土钉墙的支护设计计算
土钉墙整合了锚杆挡墙和加筋土墙的长处形成了一个柔性重力式挡墙，以此来抵抗墙后产生来的土压力和其它外压力。所以，设计上可借鉴上述两种支护形式的成熟理论及计算方法。经分析总结，土钉墙的设计内容及其步骤可按图2进行。
图2 土钉墙支护设计内容及步骤
对于以上支护设计内容，单根土钉的设计计算和土钉墙整体稳定性验算略较复杂。这里作简单介绍。根据单根土钉受拉承载力计算模型（图3），单根土钉的受拉荷载标准值可按式（3-1）进行计算，同时单根土钉的受拉承载力需满足式（3-2）要求。土钉墙的整体稳定性验算则应根据施工期间不同开挖深度及基坑底面以下可能滑动面采用简化圆弧滑动条分法（图4）按照式（3-3）进行验算。
（3-1）
（3-2）
（3-3）
（3-4）
图3 土钉受拉承载力计算简图
图4 整体稳定性验算简图
式中：
—荷载折减系数，按式（3-4）进行计算；
eajk—第j根土钉位置处的基坑水平荷载标准值；
Sxj、Szj—第j根土钉与相邻土钉的平均水平、垂直间距；
j—第j根土钉与水平面的夹角。
—土钉墙坡面与水平面的夹角。
Tjk—第j根土钉受拉荷载标准值；
Tuj—第j根土钉受拉承载力设计值（对于基坑侧壁安全等级为二级的该值需按试验确定，当为三级时，则可按照式（3-5）进行计算）；
（3-5）
式中：
γs—土钉受拉抗力分项系数，取1.3；
dnj—第j根土钉锚固体直径；
qsik—土钉穿越第i层土体与锚固体极限摩阻力标准值，应由现场试验确定，如无，则可参照相关规程手册；
li—第j根土钉在直线破裂面外穿越第i稳定土体内的长度，破裂面与水平面的夹角为（+φk）/2；
4工程实例
4.1工程概况和地质条件
该工程位于贵阳市46号地化所内，拟建建筑物主楼高30层、设两层地下室，设计±0.00m标高为1073.00m，地下室基坑开挖标高为1064.5m。基坑的西侧坡顶为地化所内道路，拟采用支护方案为土钉墙支护技术，其余三侧采用排桩加锚索的支护技术。西侧基坑安全等级为二级，高6.5~8.5m，与支护相关的地层情况及设计采用参数自上至下描述如下：
杂填土（Qml）：厚约0.5m、γ=17.0kN/m3、C=10kPa、φ=10°；
硬塑红粘土：褐黄、土黄色，硬塑状态，厚约1.0~2.5m，γ=16.60kN/m3, C=32.7kPa、φk=7.3°；
可塑红粘土：褐黄、土黄色，可塑状态，厚约4.0~5.0m，γ=16.40kN/m3，Ck=29.6kPa，φ=5.8°；
软塑红粘土：褐黄、土黄色，含水量大，软塑状态，厚约0~0.5m；
中风化白云岩：基岩，三叠系安顺组，倾向南西240°，倾角为30°。
4.2支护设计方案
本次基坑西侧边坡采用土钉墙支护技术，坡顶考虑30kpa的消防车荷载，共设置7排土钉，土钉钻孔直径为φ80，孔内灌注M30水泥砂浆，入射角度为15°，土钉杆筋采用φ25螺纹钢筋，土钉长8.0~10.0m，土钉间距1.5m×1.5m。为防止底部软塑红粘土层的产生滑移，在距坑底0.5m处设置一排花管进行注浆加固，注浆管间距1.0m，同时在边坡中下部设置预应力锚索一排，水平间距2.5m。支护设计的典型坡面如图5所示。
图5 土钉墙支护设计典型剖面
4.3方案设计需注意事项
贵州地区红粘土层最底下一层一般均有一层软塑红粘土层，当进行土钉墙支护设计时，一定要反复验算由土钉和其加固的土层结合而成的重力式挡墙的抗滑移是否满足规范要求，如不满足要求，则需采取一定的工程措施，如花管注浆加固、增设预应力锚索以提供挡墙的抗滑力等。
5结语
土钉墙支护技术设计理论简单易懂，施工速度快，方便、经济，在未来的工程应用中具有广泛的应用前景。贵州地区的红粘土层一般最底层为软塑红粘土，该层土工程性质较差，如需在存在该土层的基坑中应用土钉墙支护技术，需注意土钉墙的整体抗滑移稳定性，一般情况下无法满足，需采取其它的工程补救措施。
参 考 文 献
[1] GJB5055-2006，土钉支护技术规范[S].北京：中国人民总参谋部，2007.
[2] 龚维明.地下结构工程[M].第一版，南京：东南大学出版社，2004.39~43.
Soil nail wall supporting technology Used in Perimeter Trench of Guizhou red clay area
Ziran Dai
（Guizhou Normal University，Guiyang，550014）
Abstract：Soil nail wall supporting technology is widely used in foundation pit maintenance in our country，In this paper，based on the brief analysis of the basic principle of soil nailing wall supporting technology is introduced design method and theory，and combined with practical engineering，Put forward the technology matters that should pay attention to Guizhou red clay area part.
Key words：Soil nail wall supporting technology；Mechanism；Foundation pit support；red clay；Matters needing attention