浅析土钉墙支护技术作用机理及工作性能
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摘要：本文结合笔者多年基坑支护设计施工实践的总结，对土钉支护设计施工技术在软土地区基坑工程中的应用进行比较与分析，谨供大家作参考之用。
Abstract: Combining author's years of summary of foundation ditch supporting design construction practice, the paper compares and analyzes the application of soil nailing wall supporting design construction technique at area foundation ditch project for people's reference.
Key words: foundation ditch；soil nailing wall；mechanism of action；work performance
中图分类号：TU74 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2010）36-0073-01
0引言
土钉支护结构轻型，柔性大，施工简单方便，施工速度快，经济效益显著，发展速度较快，但是由于其受制于场地水文地质条件、基坑周边建筑物和地下管线复杂等因素，因此，土钉支护在设计施工方法必须因地制宜。
1土钉支护的作用机理
土钉墙是由在土体内放置一定长度和密度的土钉体构成的。土钉与同工作，形成了能大大提高原状土强度和刚度的复合土体，土钉的作用是基于这种主动加固的机制。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。
土钉墙在受荷载过程中推迟了土质边坡塑性变形发展的阶段，而且明显地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，且土钉墙在受荷载过程中不会发生素土边坡那样突发性的塌滑。
潜在滑裂面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而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却阻止土钉拔出。当主动区土体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。
2土钉支护技术的工作性能
2.1 土钉支护的受力性能①土钉置入现场土体后，如果土体不变形，土钉就不会受力。土地强度的发挥是以土体变形为代价的，而变形的积累发展过程实质上就是强度削弱和破坏发生的过程。②土钉的拉力沿其长度变化，最大拉力部位随着向下开挖从开始时靠近面层的端部渐渐向里转移，一般发生在可能的失稳破坏面上。当土钉长度较短时，土体破坏面可能移出上部土钉之外，这些钉中的最大拉力一般发生在土钉中部。③同深度位置上的土钉，其受到的最大拉力有很大的差别。最大拉力在基坑的中部最大，上部、下部的最大拉力较小。土钉受力并不是与水平位移大小成正比，而是与基坑边坡潜在的滑动趋势有关。临近破坏时，底部土钉的拉力显著增长，所以，底部的土钉应该加密布置。④土钉拉力伴随施工与使用阶段而变化，安装施工阶段，土钉拉力缓慢增加，开挖施工阶段，土钉拉力产生突变，即土钉的受力产生突变，即土钉的受力具有开挖效应。使用阶段，土钉拉力既有损失现象，也有增加现象。⑤支护混凝土面层背后的侧土压力，沿其高度分布也为中间大，上、下小，接近梯形，而不是三角形，压力的合力值比挡土墙理论给出的计算值(朗肯土压力)要小得多。这表明土钉支护的面层完全不同于一般的挡土墙，支护面层所受的土压力合力远小于土钉所受到的最大拉力之和。
2.2 土钉支护的变形性能①在开挖过程中，土钉支护的水平位移随施工的日期的延续而增加，基坑开挖完成后区域问底，位移在支护顶面最大，随深度的增加减小，开挖面以下的土体也会受到影响而发生较小位移。②在匀质土中，支护面的位移沿高度大体呈线性变化，绕趾部向外转动。但在非匀质土中，或地表为斜坡，或受重载时，最大水平位移点的位置可能移向下部。③支护的最大水平位移一般不大于坑深或支护高度H的0.35%。土钉长度对水平位移有明显影响，适当地增加土钉长度可以减小基坑的变形。④大量研究表明，水平设置土钉能最有效地约束土体侧向变形，土钉向下倾斜会使水平位移增加。而且，刚性较大的土钉可明显减少土体的最大位移。⑤土钉的模拟试验表明，相比素土体边坡，土钉支护的边坡的破坏状态明显不同。前者有明显滑裂面，会突然滑坡，属脆性破坏，而后者从产生裂缝到最终破坏需要相当长的时间，且无明显破坏面，属于渐进性变形破坏。此外，土钉支护在施工结束一年后没有额外的移动变形，因此有着相当的长期稳定性。
3土钉支护的特点与局限性
3.1 土钉墙具有的特点或优点①工作性能可靠，能合理利用土体的自承能力，将土体作为支护结构不可分割的部分，现场测试表现，土钉墙的位移量小，一般不超过其它常规支护结构方法。②结构轻型，柔性大，有良好的抗震性和延性。土钉的数量众多并能起群体作用，个别土钉出现问题或失效对整体影响不大。③施工设备简单，操作方法简便，易于推广，土钉的制作与成孔不需复杂的技术和大型机具，注浆工艺也比较简单，灵活性大，因此土钉墙非常易于推广，土钉施工的所有作业对周围环境干扰小。④施工不需要单独占用场地，对于施工场地狭小，放坡困难，有相邻低层建筑或堆放材料，大型护坡施工设备不能进场，该技术显示出独特的优越性。⑤工程量少，施工速度快、噪声低，对邻近建筑物影响小。⑥有利于根据现场监测的变形资料，及时调整土钉长度和间距。一旦发现异常不良情况，能立即采取相应加固措施，避免出现大的事故，因此能提高工程的安全可靠性。⑦防腐性能好。土钉由低强度钢材制作，与永久性锚杆相比，大大地减少了防腐的麻烦。
3.2 软土地区普通土钉墙技术的局限性①施工现场要有设置土钉的地下空间。②在高水位，软弱土层中开挖基坑常遇到以下问题:a.基坑开挖引起地下水位的变化。在开挖过程中，有大量的地下水渗入基坑内，给围护结构的施工和使用，基坑的开挖，结构的施工带来困难。因此止水帷幕在支护结构中变得很有必要。b.软弱土层自立性很差，在基坑开挖过程中，易造成边坡塌方，因此有必要进行超前支护。c.当基坑开挖到一定深度时，在动水压力作用下，坑底会出现涌砂、隆起等现象，解决方法是将止水帷幕插入到一定深度，增长地下水的渗流路径或完全杜绝渗流。③由于土钉墙对地层的依赖性很大，通常仅适用于地下水位低、自立性好的土层。在高水位的软土土层中，因其自立性差，易产生流砂和管涌的可能。在普通的土钉墙不能满足基坑支护安全性时，提高和完善土钉墙支护技术，扩大其应用范围，以获取更大的经济和社会效益是工程实践提出的研究新型土钉支护的客观要求。
4结语
综合上述，鉴于土钉墙支护技术的作用机理、工作性能及特点分析，故土钉支护能作为土体开挖的临时支护，用于高层建筑、地下结构等深基坑开挖，土坡开挖等；能作为永久性挡土结构，一般与施工开挖时的临时支护相结合；能用于现有挡土墙的修理加固和各类临时支护发生失稳时的抢险加固等等。