土钉试验与检测
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中图分类号：V448.15+1 文献标识码：A 文章编号：
中图分类号：V448.15+1 文献标识码：A 文章编号：
1、引言
1、引言
土钉墙支护是较浅基坑支护最常用的方式，经济快捷。由于多种原因，很多人对土钉抗拔试验与检测概念模糊不清缺乏正确的认识，在工程设计、管理中做出错误的判断。如土钉抗拔力的检测，通常是按设计的承载力进行张拉，这是不合理的。因为检测张拉时的总抗拔力包含了滑动体部分范围内的抗拔力，而设计抗拔承载力实质是指滑动体以外土部分土钉的锚固力。因此造成一般抗拔力试验都远大于设计承载力的假象。
土钉墙支护是较浅基坑支护最常用的方式，经济快捷。由于多种原因，很多人对土钉抗拔试验与检测概念模糊不清缺乏正确的认识，在工程设计、管理中做出错误的判断。如土钉抗拔力的检测，通常是按设计的承载力进行张拉，这是不合理的。因为检测张拉时的总抗拔力包含了滑动体部分范围内的抗拔力，而设计抗拔承载力实质是指滑动体以外土部分土钉的锚固力。因此造成一般抗拔力试验都远大于设计承载力的假象。
土钉支护的特点是分层开挖分层支护，土钉支护稳定性包括每一步骤分层开挖过程中(各深度土层开挖后到本次开挖深度范围土钉施工达到设计强度前)的边坡稳定和达到设计要求开挖深度后最终工况稳定，整体上全过程的稳定才能讲土钉支护边坡处于稳定安全状态。单根土钉发挥作用与工况密切结合，错误的观点认为，土钉的试验与检测，放在基坑支护完工后的工况，按照设计软件计算出的单根土钉抗拔力设计值进行抗拉拔检测，这样的检测工作是没有任何意义的。
土钉支护的特点是分层开挖分层支护，土钉支护稳定性包括每一步骤分层开挖过程中(各深度土层开挖后到本次开挖深度范围土钉施工达到设计强度前)的边坡稳定和达到设计要求开挖深度后最终工况稳定，整体上全过程的稳定才能讲土钉支护边坡处于稳定安全状态。单根土钉发挥作用与工况密切结合，错误的观点认为，土钉的试验与检测，放在基坑支护完工后的工况，按照设计软件计算出的单根土钉抗拔力设计值进行抗拉拔检测，这样的检测工作是没有任何意义的。
2、土钉工作原理
2、土钉工作原理
土钉受力过程可分为三个阶段：⑴引孔植入土钉并注浆，浆液凝固之前，起不到约束土体变形的作用，因此内力为零。⑵土钉打入地层并注浆，且注浆体凝固，地层成为加筋复合体。如果进一步开挖下一层土体，下一层土体侧向位移并影响到上层的加筋复合体，该加筋复合体在下层土体的牵动下，产生继续侧向变形的趋势, 但拉力集中在土钉的端部，且沿土钉长度快速衰减。⑶随着基坑继续开挖，深
土钉受力过程可分为三个阶段：⑴引孔植入土钉并注浆，浆液凝固之前，起不到约束土体变形的作用，因此内力为零。⑵土钉打入地层并注浆，且注浆体凝固，地层成为加筋复合体。如果进一步开挖下一层土体，下一层土体侧向位移并影响到上层的加筋复合体，该加筋复合体在下层土体的牵动下，产生继续侧向变形的趋势, 但拉力集中在土钉的端部，且沿土钉长度快速衰减。⑶随着基坑继续开挖，深
图1 土钉受力模型
图1 土钉受力模型
度增加，产生土体侧向位移的范围(滑裂面变化范围)也在增加。加筋复合地层中的土钉拉力也逐步增加，且拉力的最大值也往后移动，拉力峰值出现的位置随土钉所处位置不同而不同。通常情况下，越靠上的土钉，其拉力峰值越靠后，越靠下的土钉其拉力峰值越靠前。将各排土钉拉力峰值联系起来，即是该边坡的潜在滑裂面。土钉受力模型如图1所示，最大受力点在实际产生的滑动面与土钉的交界点，而具有锚固作用的土层为滑动面以外部分，滑动面以内部分土体产生向坑外的拉拔力荷载。
度增加，产生土体侧向位移的范围(滑裂面变化范围)也在增加。加筋复合地层中的土钉拉力也逐步增加，且拉力的最大值也往后移动，拉力峰值出现的位置随土钉所处位置不同而不同。通常情况下，越靠上的土钉，其拉力峰值越靠后，越靠下的土钉其拉力峰值越靠前。将各排土钉拉力峰值联系起来，即是该边坡的潜在滑裂面。土钉受力模型如图1所示，最大受力点在实际产生的滑动面与土钉的交界点，而具有锚固作用的土层为滑动面以外部分，滑动面以内部分土体产生向坑外的拉拔力荷载。
通常土钉墙内部整体稳定性分析计算选用的模型如图2。
通常土钉墙内部整体稳定性分析计算选用的模型如图2。
图2土钉墙内部整体稳定性分析计算模型
图2土钉墙内部整体稳定性分析计算模型
按图中计算模型，土钉墙稳定性计算抗滑力主要有三部分组成：⑴、沿滑动面土体内聚力产生的抗滑力见式1；⑵、土体内摩阻力产生的抗滑力见式2；⑶、土钉处于滑裂面以外部分的抗拔力产生的抗滑力见式3，其中前一项为土钉抗拔力的切线分力，后一项为土钉法向分力作用在滑裂面上，而使得滑裂面上产生的附加摩擦力。
按图中计算模型，土钉墙稳定性计算抗滑力主要有三部分组成：⑴、沿滑动面土体内聚力产生的抗滑力见式1；⑵、土体内摩阻力产生的抗滑力见式2；⑶、土钉处于滑裂面以外部分的抗拔力产生的抗滑力见式3，其中前一项为土钉抗拔力的切线分力，后一项为土钉法向分力作用在滑裂面上，而使得滑裂面上产生的附加摩擦力。
式1：
式1：
式2：
式2：
式3：
式3：
上式中各符号含义：
上式中各符号含义：
Ci、ψi、Li：
Ci、ψi、Li：
为第i土层粘聚力、内摩擦角、弧长；
为第i土层粘聚力、内摩擦角、弧长；
θj为第j土条与滑弧面中点处法线与垂直面夹角；
θj为第j土条与滑弧面中点处法线与垂直面夹角；
wi第i土条自重；
wi第i土条自重；
α土钉倾角；
α土钉倾角；
T nj滑动面以外部分土钉的土体约束力。
T nj滑动面以外部分土钉的土体约束力。
从上述模型分析来看，式1、式2主要受土体的自身力学性质影响，而人工处理加强的部分，设计土钉的抗拔力是滑动面以外部分土钉的土体约束力(式3)。
从上述模型分析来看，式1、式2主要受土体的自身力学性质影响，而人工处理加强的部分，设计土钉的抗拔力是滑动面以外部分土钉的土体约束力(式3)。
3、土钉抗拔承载力试验
3、土钉抗拔承载力试验
采用用密实注浆法锚固于地层中的单位长度土钉其抗拔能力决定因素取决于以下三者的最小者：
采用用密实注浆法锚固于地层中的单位长度土钉其抗拔能力决定因素取决于以下三者的最小者：
⑴土钉材料自身强度；
⑴土钉材料自身强度；
⑵土钉与水泥浆体的粘结力；
⑵土钉与水泥浆体的粘结力；
⑶水泥浆体与地层之间的粘结力；
⑶水泥浆体与地层之间的粘结力；
土钉杆体材料多采用钢筋，通过室内材料试验可以确定强度；土钉与水泥浆体的粘结力受水泥浆体强度与密实度影响较大，取决于其施工工艺，也可根据规范取值；水泥注浆体与地层之间的粘结强度的确定可以采用如下几种方法：
土钉杆体材料多采用钢筋，通过室内材料试验可以确定强度；土钉与水泥浆体的粘结力受水泥浆体强度与密实度影响较大，取决于其施工工艺，也可根据规范取值；水泥注浆体与地层之间的粘结强度的确定可以采用如下几种方法：
⑴考虑地质勘察报告提供的钻孔灌注桩的侧壁摩阻力值；
⑴考虑地质勘察报告提供的钻孔灌注桩的侧壁摩阻力值；
⑵采用经验公式取值；
⑵采用经验公式取值；
⑶查阅相关规范、规程提供的经验值。
⑶查阅相关规范、规程提供的经验值。
⑷通过现场拉拔试验确定土钉注浆体与地层之间的摩阻力强度
⑷通过现场拉拔试验确定土钉注浆体与地层之间的摩阻力强度
为了获得最佳设计参数，土钉应进行抗拔试验。试验土钉应与工程土钉相区别，在单一土层中施工，工艺与工程土钉相同，长度也不宜过长。试验的休止期应根据工程开挖进度需要和土钉的强度确定。拉拔试验应根据《基坑土钉支护技术规程CECS 96:97》要求进行。
为了获得最佳设计参数，土钉应进行抗拔试验。试验土钉应与工程土钉相区别，在单一土层中施工，工艺与工程土钉相同，长度也不宜过长。试验的休止期应根据工程开挖进度需要和土钉的强度确定。拉拔试验应根据《基坑土钉支护技术规程CECS 96:97》要求进行。
4、土钉工程质量检测
4、土钉工程质量检测
土钉工程质量检测，可参照桩基检测方式进行，包括承载力检测和土钉成型质量及杆体强度质量检测。由于土钉抗拔承载力的检测主要是检测滑动土体外锚固段的抗拔力，但由于土钉是全长注浆的，检测时应先破除(采用麻花钻、洛阳铲等小型钻机设备掏空)假定滑动面至护坡面部分土体(结合开挖工况确定)，按土钉实际受力土层每延米锚固力，计算锚固段的锚固力，用此锚固力来评价土锚的抗拔承载力。受力模型见图3。
土钉工程质量检测，可参照桩基检测方式进行，包括承载力检测和土钉成型质量及杆体强度质量检测。由于土钉抗拔承载力的检测主要是检测滑动土体外锚固段的抗拔力，但由于土钉是全长注浆的，检测时应先破除(采用麻花钻、洛阳铲等小型钻机设备掏空)假定滑动面至护坡面部分土体(结合开挖工况确定)，按土钉实际受力土层每延米锚固力，计算锚固段的锚固力，用此锚固力来评价土锚的抗拔承载力。受力模型见图3。
图3抗拔土钉检测要求模型
图3抗拔土钉检测要求模型
土钉成型质量及杆体强度质量检测可以参考《锚杆锚固质量无损检测技术规程 JGJ/T 182-2009》要求进行。该规程中提供了“声波反射法”检测土钉杆体完整性的方法，原理与基桩完整性低应变检测相似，声波透射法检测波形示意图见图4，由于当前施工工艺差异很大，注浆后不同土层中土钉周围土体浆液的渗入影响不同，检测的效果差异很大。考虑到当前土钉、锚杆用量巨大，检测数据对工程管理及施工技术提高作用不可忽视。因此，检测工程师不仅要对检测的精度有充分的认识，同时要对施工的工艺要认真调查了解，不断地积累经验，才能做出正确的判断。
土钉成型质量及杆体强度质量检测可以参考《锚杆锚固质量无损检测技术规程 JGJ/T 182-2009》要求进行。该规程中提供了“声波反射法”检测土钉杆体完整性的方法，原理与基桩完整性低应变检测相似，声波透射法检测波形示意图见图4，由于当前施工工艺差异很大，注浆后不同土层中土钉周围土体浆液的渗入影响不同，检测的效果差异很大。考虑到当前土钉、锚杆用量巨大，检测数据对工程管理及施工技术提高作用不可忽视。因此，检测工程师不仅要对检测的精度有充分的认识，同时要对施工的工艺要认真调查了解，不断地积累经验，才能做出正确的判断。
图4 声波透射法检测波形示意图
图4 声波透射法检测波形示意图
5、结论
5、结论
因而，土钉检测的另一项不足的是土钉与喷锚网的连接强度，早期部分采用土钉钢筋弯钩与加强筋进行连接，这种连接一般比较可靠。但对于较大直径钢筋进行加工相对难度大一些，因此从方便施工的角度主要是采用加强筋与土钉焊接连接，这种连接的质量检测方法还欠缺。尤其对于土质较差，侧压力较大的情况连接不好会存在安全隐患，这方面尚要加强。
因而，土钉检测的另一项不足的是土钉与喷锚网的连接强度，早期部分采用土钉钢筋弯钩与加强筋进行连接，这种连接一般比较可靠。但对于较大直径钢筋进行加工相对难度大一些，因此从方便施工的角度主要是采用加强筋与土钉焊接连接，这种连接的质量检测方法还欠缺。尤其对于土质较差，侧压力较大的情况连接不好会存在安全隐患，这方面尚要加强。
土钉支护技术存在问题和发展展望土钉支护以其经济、施工方便的特点在我国得到了快速的发展和应用，经过10多年的广泛应用，针对各种地质和环境条件，我国创造性地发展了复合土钉支护、预应力锚杆柔性支护以及土钉与排桩结合等多种方式，为解决我国复杂多变地质条件下的又快又省的支护技术作出了贡献，同时在土钉力计算和位移分析方面做出了新的工作，对于完善土钉支护的设计理论取得了新的成就。然而由于以前土钉支护设计理论尚不够完善，以致一些土钉支护产生了事故，由此影响了土钉支护的进一步推广应用，要使土钉支护技术能更好的推广应用，尚应在设计理论和检测技术方面进一步发展完善：①在稳定分析方面，对于复杂的地质条件下尚应完善分析方法。简单的圆弧滑动法对于有软土夹层或倾斜岩面等坑壁可能是不适用的，可以考虑数值方法的强度折减法进行补充；②位移分析方面尚还缺可靠实用而又有较高精度的方法，由于对位移估计的不准确，在周边环境有严格位移限制时尚不能更好的应用；③对复合土钉支护的分析方面尚缺乏有效的方法，进一步深入研究和完善复合土钉支护的稳定和变形方法可以使土钉支护技术得到更大范围的推广应用。在此也提出土钉支护稳定分析的设想：现有土钉支护稳定分析有外部、内部、局部问题，相对复杂一些，目前规程中主要是采用圆弧滑动法进行内部稳定计算，其他计算还不规范，但仅进行圆弧滑动法验算不够全面和安全。其实更简单的方法可考虑验算水平和竖向的稳定性，水平验算可验算土钉力与土压力的平衡，竖向验算地基的承载力，因此只需两项简单的验算可能是更简单的方法。
土钉支护技术存在问题和发展展望土钉支护以其经济、施工方便的特点在我国得到了快速的发展和应用，经过10多年的广泛应用，针对各种地质和环境条件，我国创造性地发展了复合土钉支护、预应力锚杆柔性支护以及土钉与排桩结合等多种方式，为解决我国复杂多变地质条件下的又快又省的支护技术作出了贡献，同时在土钉力计算和位移分析方面做出了新的工作，对于完善土钉支护的设计理论取得了新的成就。然而由于以前土钉支护设计理论尚不够完善，以致一些土钉支护产生了事故，由此影响了土钉支护的进一步推广应用，要使土钉支护技术能更好的推广应用，尚应在设计理论和检测技术方面进一步发展完善：①在稳定分析方面，对于复杂的地质条件下尚应完善分析方法。简单的圆弧滑动法对于有软土夹层或倾斜岩面等坑壁可能是不适用的，可以考虑数值方法的强度折减法进行补充；②位移分析方面尚还缺可靠实用而又有较高精度的方法，由于对位移估计的不准确，在周边环境有严格位移限制时尚不能更好的应用；③对复合土钉支护的分析方面尚缺乏有效的方法，进一步深入研究和完善复合土钉支护的稳定和变形方法可以使土钉支护技术得到更大范围的推广应用。在此也提出土钉支护稳定分析的设想：现有土钉支护稳定分析有外部、内部、局部问题，相对复杂一些，目前规程中主要是采用圆弧滑动法进行内部稳定计算，其他计算还不规范，但仅进行圆弧滑动法验算不够全面和安全。其实更简单的方法可考虑验算水平和竖向的稳定性，水平验算可验算土钉力与土压力的平衡，竖向验算地基的承载力，因此只需两项简单的验算可能是更简单的方法。
总的情况，目前土钉支护设计理论在我国应用后虽然取得了新的进步，但与排桩、地下连续墙等刚性支护的设计理论相比，还不够成熟，尚待完善。同时，设计理论还要结合施工工法来完善，工法在发展，设计理论还是相应落后一些。
总的情况，目前土钉支护设计理论在我国应用后虽然取得了新的进步，但与排桩、地下连续墙等刚性支护的设计理论相比，还不够成熟，尚待完善。同时，设计理论还要结合施工工法来完善，工法在发展，设计理论还是相应落后一些。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
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