土钉支护技术在边坡支护工程中的应用研究

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　　摘要：本文从实际工程应用出发，详细介绍土钉支护技术在边坡支护工程中的作用原理，并对土钉支护的失稳形式进行了详细分析，讨论了土钉支护技术的优点及局限性。
　　关键词：土钉 边坡支护 土钉墙
　　
　　1.概述
　　土建工程中经常遇到边坡稳定问题，特别是在场地有限，基础埋深较大，基坑边坡相邻建筑物或构筑物，而且开挖又无放坡条件等情况下，如果处理不当，边坡易失稳产生滑动、塌方，不仅影响工程进展，甚至危及人的生命安全和造成工程事故。因此有必要采用边坡支护措施来加强边坡稳定。
　　土钉支护是一种用于开挖支护和边坡支护工程的加筋土技术，通过较密的土钉（锚杆）沿通长方向与周围土体接触，在土体发生变形时，接触界面上产生粘结力、摩擦力，土钉（锚杆）被动受拉，通过受拉给土体以约束，增强土体的抗剪和抗拉强度。
　　土钉支护适用于地下水位以上或经人工降水后有一定胶结能力和密实程度的砂土、粉土和砾石土、素填土、较硬的粘性土以及风化岩层等。它具有安全可靠、工期短、机具简单、易于操作、经济效益较好、占地小、空间大等优点。但在松散砂土、软塑、流塑粘性土以及有丰富地下水源的情况下不能单独使用，更不能应用于没有自稳能力的淤泥、饱和软弱土层[1]。
　　在我国，土钉支护技术在应用实践上取得了很大成绩，近年来，许多高校也相继投入土钉支护的研究当中，从土钉支护有限元分析法、极限平衡分析法等的理论研究，到现场测试、室内模型试验研究等都取得了不少成果，土钉支护得到了很大发展。
　　2.土钉的作用机理
　　目前，一般认为土钉支护机理是以新奥法(New Australian Tunneling Method)理论为基础，在土钉体作用下，把潜在滑裂面之前主动区的复合土体视为具有自撑能力的稳定土体，以阻止土体侧向位移，支承未加筋域土体的侧压力，保证土坡的整体稳定性，即认为经过加筋的土体形成了类重力式挡土墙――土钉墙，土钉的作用机理类似于挡土墙的机理。
　　试验证明，土钉在其加固的土体中起着箍束骨架的作用，这种箍束骨架作用是由土钉本身的刚度、强度以及在土体中分布的空间形式所决定的。它具有制约变形的作用，使复合土体成为一个整体。
　　在复合土体中，外荷载与土体自重产生的土中应力由土和土钉共同承担。由于土钉具有土体所无法比拟的抗拉、抗剪强度和抗弯刚度，在土体进入塑性状态以后，应力逐渐向土钉转移。土钉支护在向下开挖的过程中，土体的抗剪能力早已充分发挥，然后靠土钉受力而保持稳定。等到土体开裂时，土钉中出现了弯剪、拉剪等复合应力；随着土中裂缝的开展与贯通，土体退出工作，土钉中的应力水平不断上升，直至土钉体中注浆体开裂、钢筋屈服。
　　土钉不仅分担了土中应力，它还起着应力传递和扩散的作用。土体部分的应变水平和荷载相同条件下的素土边坡相比大大降低了，从而推迟了开裂域的形成与发展。
　　与土钉连在一起的钢筋网喷砼面层也是土钉发挥有效作用的重要组成部分。面层的设置限制了由于开挖卸荷或外部超载使主体产生的坡面膨胀。限制坡面膨胀能够起到削弱内部塑变，加强边界约束的作用。
　　从整个复合土体看，塑性应变也大大延迟了。同时变形的特性也得到了改善。土钉墙在超载和自重应力下的变形特性表现为持续的渐进性破坏。即使土体中已出现局部剪切面和张拉裂缝，并随着应力水平的增加而开展，仍可持续很长时间而不发生整体塌滑。
　　所以，总的看来，土钉支护土坡的强度、刚度、整体稳定性都大大提高了，变形特性也获得了改善[3]。
　　3.土钉支护结构的失稳形式[2]
　　从整体稳定性分析角度出发，土钉支护结构的失稳形式分为体内破坏与体外破坏两种形式。体外破坏是将整个支护结构看作刚性体而发生的沿基坑底面的水平滑动，或支护结构连向基底一定深度范围内的土体产生整体滑动，或支护结构发生倾倒的破坏模式；体内破坏表现为破裂面全部或部分穿过了被支护土体的内部。
　　从土钉本身的破坏来讲，支护结构的失稳形式分为土钉的拔出破坏和拉断破坏两种。拔出破坏是由于主滑体在水平滑动力的作用下，土钉水平方向的“锚面力”小于水平滑动力的结果，常表现为上部土钉被拔出。在土钉发生拔出破坏前，土体沿滑裂面的抗剪作用已完全发挥。随开挖的进行，荷载通过滑动区内钉土相互作用的摩擦作用及面层的土压力传递给“锚固段”土钉，当上部土钉发生局部转动，在水平方向的作用力达到土钉的水平抗拔作用力时，上部土钉发生拔出破坏。土钉拉断破坏是由于土钉的强度不足而被拉断的破坏形式，其特点是，土钉在潜在滑动面后的长度足够长，这类失稳形式在实际工程中较为少见。
　　4.土钉支护的优点及局限性
　　与其他的挡土技术或支护类型相比，土钉技术具有许多独特的优点[4]：
　　(1)材料用量和工程量少，节约造价。
　　(2)施工期短，施工设备轻便，操作方法简单。施工时对环境的干扰小，减少环境污染，特别适合于城市地区施工。施工所需的场地较小，能紧贴已有建筑物进行基坑开挖，这是桩、墙等其他支护难以做到的。
　　(3)对场地土层的适应性强。土钉支护特别适合于有一定粘性的砂土、粉土、硬塑与干硬粘土，但即使有局部的软塑粘性土层，在采取一定措施后也有可能采用土钉支护。当场地同时存在土层和不同风化程度的岩体时，应用土钉支护特别有利。
　　(4)结构轻巧，柔性大，有很好的延性。土钉支护自重小，不需作专门的基础结构，并具有非常良好的抗地震及抗车辆振动的能力。土钉支护即使破坏，一般也不至于发生彻底倒塌，并在破坏前有一个变形发展过程。
　　 (5)安全可靠。土钉支护施工采用边挖边支护，安全程度较高；由于土钉数量众多并作为群体起作用，即使个别土钉出现质量问题或失效对整体影响不大。土钉技术还有一个非常重要的优点是随时可以根据现场开挖发现的土质情况和现场监测的土体变形数据，修改土钉的间距和长度，万一出现不利情况，也能及时采取措施加固，避免出现大的事故。土钉支护施工在与现场量测监控结合的前提下，比其他支护有更高的安全度。
　　土钉支护的缺点和局限性主要是：
　　(1)现场需有允许设置土钉的地下空间。如为永久性土钉，更需长期占用这些地下空间。当基坑附近有地下管线或建筑物基础时，则在施工时有相互干扰的可能。
　　(2)土钉支护如果作为永久性结构，需要专门考虑锈蚀等耐久性问题。
　　5.结束语
　　土钉支护是通过沿土钉通长与周围土体接触形成复合体。在土体发生变形的条件下，通过土钉与土体接触界面上的粘结力或摩擦力，使土钉被动受拉，并通过受拉工作面对土体进行约束加固，提高了整体稳定性和承载能力，增强土体变形的延性。采用土钉支护结构所需设备简单，操作方便，施工所需场地小，材料用量和工程量少，经济效益高。
　　(1)根据实际工程中地层的力学性质、基坑开挖应力分布、变形特点及基坑失稳特征，土钉支护设计中应遵循的原则是：上部土钉应长而密，下部应短而密，中部应按滑移线位置及抗拔稳定性进行设计。
　　(2)土钉支护结构的变形非常微小，就工程可靠性而言，在许多场合，用土钉作为基坑支护要优于许多其它传统支护方法。而且土钉支护结构抗地震荷载、交通动载等动力荷载的能力较强，是其它支护体系所无法比拟的。

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