深基坑土钉支护存在的问题和研究方向

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1、深基坑土钉支护存在的问题和研究方向【摘要】土钉作为一种性能可靠、施工简便和造价低廉的支护结构已经在基坑开挖工程中得到了广泛的应用。为了保证土钉墙的工程质量，研究土钉的受力机理，指出土钉支护理论研究、工程设计与施工过程中需要注意的问题。　　【关键词】土钉；支护结构；深基坑　　　　引言　　随着我国经济建设的快速发展，工业民用建筑、市政、交通、水利等工程建设中基坑深度和宽度不断增大，且大多分布在沿海工程地质条件较差、建(构)筑物密集的大中城市，深基坑支护的重要性得到了前所未有的重视。基坑工程的施工工艺和设计计算方法除了传统的放坡开挖外，深

2、基坑有支护开挖形式已发展至数十种，总体上可以分为两大类：传统的支护设计理论是把基坑周围土体当作荷载，作为支护结构的作用目标，然后根据围护墙的位移情况，分别按静止土压力、主动土压力或被动土压力来进行支护设计，称此类支护为被动支护；事实上，基坑周围土体具有一定的自支撑能力，可以将它用作支护材料的一部分，充分利用其强度和稳定性，在保证深基坑安全的前提下，尽量减少支护结构的工程量并且加快工期，即设法充分发挥和提高基坑周围土体的自支撑能力并补强其不足部分，称此类支护为主动支护。土钉墙是在新奥法的基础上基于主动支护机制加固土体，于20世纪70年

3、代在德国、法国和美国发展起来的一种主动支护型式。我国于80年代初应用于矿山边坡支护，近十来年才在基坑支护中迅速推广应用[1]。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，形成一个类似于重力式的支护结构；同时土钉墙通过在土体内放置一定长度和密度的土钉，使土钉与土共同工作来大大提高原状土的强度和刚度。　　1土钉墙在深基坑支护中的优点[2]　　1.1受力合理，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，土钉和土体共同受力，能够充分发挥这两种材料的承载力。　　1.2结构轻型，柔性大，有良

4、好的抗震性和延性。1989年美国加州7.1级地震中，震区内有8个土钉墙结构估计遭到约0.4g水平地震加速度作用，均未出现任何损害迹象，其中3个位于震中33km范围内。　　1.3施工设备简单，土钉的制作与成孔不需要复杂的技术和大型机具，土钉施工的所有作业对周围环境干扰小。　　1.4适应性强，施工不需单独占用场地，对于施工场地狭小，放坡困难的，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。　　1.5信息化施工，可以根据现场检测的变形数据，及时调整土钉长度和间距。一旦发现异常不良清况，能立即采取相应加固措施

5、，避免出现大的事故，因此能提高工程的安全可靠性。　　1.6工程造价低，据国内外资料分析，土钉墙工程造价比其它类型的工程造价低1/2~1/3左右。　　2土钉墙的支护原理　　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，当超过这一高度或者在地面超载及其它作用下将发生突发性整体破坏。与以往采用的传统支挡结构不同，土钉墙则是在土体中放置一定长度和密度的土钉构成，土钉与土共同工作，基于主动加固的机制形成了能大大提高原状土强度和刚度的复合土体，还能改变土坡的变形与破坏形态，

6、显著提高了土坡的整体稳定性。　　3土与土钉间相互作用研究　　类似地加筋土挡墙内拉筋与土的相互作用，土钉与土间的摩阻力的发挥，主要是由于土钉与土间的相对位移而产生的。在土钉加筋的边坡内，同样存在着主动区和被动区。主动区和被动区内土体与土钉的摩阻力发挥方向正好相反，而被动区内土钉可起到锚固作用(图1)。　　　　土钉在复合土体中的作用可以概括为以下几点[3]:　　3.1约束骨架作用　　土钉及其加固范围内的土体形成复合受力体，土钉本身的刚度和强度以及它在土体内的空间分布具有制约土体变形的作用，土钉和土体共同受力并使复合土体构成一个整体。　　

7、3.2分担荷载作用　　在复合土体内，土钉与土体共同承担外部荷载和土体自重应力。由于土钉有较高的抗拉、抗剪强度以及土体无法比拟的抗弯刚度，所以当土体进入塑性状态后，应力逐渐向土钉转移。当土体开裂时，土钉分担作用更为突出，土钉内出现弯、拉、剪等复合应力，从而导致土钉内部浆体破裂，钢筋屈服。复合土体塑性变形延迟及渐进性开裂变形的出现与土钉分担作用密切相关。　　3.3应力传递与扩散作用　　在同等荷载作用下，由土钉加固的土体内的应变水平比素土边坡土体内的应变水平大大降低，从而推迟了开裂的形成与发展。　　3.4坡面变形的约束作用　　在坡面上设置

8、的与土钉连成一体的钢筋混泥土面板是发挥土钉有效作用的重要组成部分。坡面膨胀变形是开挖卸荷、土体侧向变位以及塑性变形和开裂发展的必然结果，限制坡面膨胀能起到削弱内部塑性变形，加强边界约束作用，对土体自身强度和稳定性的发挥具有重要作用。