第２９卷第２０期 企业技术开发 ２０１０年１０月 ＶｏＩ．２９ Ｎｏ．２０ ＴＥＣＨＮＯＬ０ＧＩＣＡＬ ＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴ ０Ｆ ＥＮＴＥＲＰＲＩＳＥ ０ｃｔ．２Ｏ１０ 土木工程领域土钉支护结构设计的解析 周飞字 （中国中铁隧道集团一处有限公司，重庆４０１１２１） 摘要：土钉支护结构是用于基坑开挖和边坡支护的一种新型挡土技术，自２０世纪７０年代初正式应用于土 木工程中以来，已经得到迅速的推广和应用。目前，在高层建筑深、大基坑的开挖和隧道、高速公路大型边坡的 支护工程中使用比较广泛。由于其经济可靠且施工快速简便，引起了工程界的普遍关注和重视，成为继续桩、 墙、锚等传统方法之后又一种日趋成熟的土体支护技术。 关键词：土钉；支护机构；解析 中图分类号：ＴＵ４７６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００６—８９３７（２０１０）０１３８—０１ １土钉支护技术的特点 经验。笔者仅对土钉内力的变化规律概括如下： ①内力与变形的关系：土钉置人现场土体后，如果土 土钉支护技术与传统的桩、板、墙、撑等支护方法相 体不变形，土钉就不受力。随着往下挖、地表加载或土体 比，具有经济、施工周期短、施工成本低、安全可靠、施工 徐变会发生土体的变形，于是土钉开始受力，即土钉开始 方便等优点。但土钉支护也有其缺点和局限性：一是支钉 参与工作并主要受力位。量测表明，只要土体发生微小变 支护的变成略大于预应力锚杆或预应力撑式支护，故在 形就可以使土钉受力。土钉在工作阶段很少受到弯、剪作 变形控制要求比较严格的工程中不适用；二是土钉支护 用，只有在土体变形较大，即将形成滑移破坏面时，在滑 一般都要“入侵”到建筑场地之外的邻近地带，或置于邻 移破坏面附近的钉体才可能同时受到拉、弯、剪的联合作 近建筑物的地基中，形成一定的环境负效应。三是土钉支 用。 护若作为永久性支护，需要专门考虑钉体的锈蚀等耐久 ②土钉拉力沿钉长的分布：土钉的拉力沿其长度呈 性问题。 不均匀分布，且最大拉力的部位随着向下开挖由钉端逐 ２土钉支护的构造 渐向里转移。最终发生在最可能的失稳破坏面上。当土钉 比较短时，土体的破坏面可能发生上部土钉之外，这些土 土钉支护的构造习惯上可认为由４部分组成，即土 钉的最大拉力一般发生在钉体的中部。 体、土钉、支护面层和防水系统。其中的土体指土钉加固 ③土钉拉力沿深度的变化规律：不同深度位置上的 范围内的土体，它即是被加固的主体，同时又是经加固后 土钉，其受到的最大拉力有很大的差别，顶部和底部的土 与土钉形成复合土体并对后续土体起挡土墙作用的支护 钉受力较小，靠近中部的土钉受力较大，但临近破坏时， 体。土钉、支护面层及防水系统的构造确定与土体的土力 底部土钉的拉力显著增加。 学性能有极为重要的关系。 ④支护面层背后的侧土压力：支护面层背后要受到 土钉支护的构造还与支护功能和环境条件有关。从 土体的侧向压力，沿高度呈梯形分布，中间大而小下小， 功能上可将支护分为永久性支护和临时性支护。路基、坝 土体侧压力的合力值要比挡土墙理论给出的计算值（郎 体等边坡的支护因考虑其长期工作对支护稳定性的要求 金主动土压力）小的多。这表明土钉支护的面层完全不同 属永久性支护，而一般的基坑支护在基础施工完毕，回填 于一般的挡土墙，加固区钉土复合的意义也体现于此。 土夯实后支护的作用即行消失，属临时性支护，常以使用 限超过１．５ａ～２ａ作为永久性支护的界限。永久性支护需 ４土钉支护结构的设计及存在的问题 考虑土钉防锈和耐久性问题。采取的措施：一是加大钢筋 ４．１土钉支护结构设计的一般步骤 的截面尺寸，以补偿在使用内钢筋可能出现的最大锈蚀 我们通常所遇的土钉支护结构无外乎两类，一类是 程度；二是在钢筋表面涂琢敷防蚀面层；三是用水泥砂浆 简单土钉支护，另一类为复杂（阶梯形）土钉支护，对于后 做保护层；四是采用封套防锈钉。 者可将其分解成多个简单土钉支护进行设计即可。 ３土钉支护的工作原理及特性 ①确定破坏面类型，并确定最危险破坏面位置，这一 步到关重要，它对方案设计，工法与工程的成败具有决定 土钉支护的工作原理极其复杂，它起源于新奥法理 性的意义。在确定破坏面类型之后，通常可通过计算稳定 论，类似挡土墙机理，目前对土钉支护的工作原理及设计 安全系数来确定最危险破坏面的位置。②初步确定土钉 方法均建立在极限平衡的理论基础上，对土钉支护中钉 排列的水平和竖向间距。③计算基础边壁（坡）所受的主 土的相互及其内部稳定缺乏明确的分析和精确的解释。 动土压力。④土钉拔出力计算，其具体步骤如下：一是土 通过对大量工程的现场监测和试验分析，从事土钉 钉选材；二是钉孔直径选取；三是土钉长度计算；四是土 技术研究的工程技术人员积累了大量的重要数据和宝贵 钉直径校核；五是整体稳定性验算。 ４．２土钉支护结构设计的分析与思考（下转第１４０页） 作者简介：周飞宇，中国中铁隧道集团一处有限公司。 １４０ 企业技术开发 ２０１０年ｌＯ月 虑，综合设计，如采用现浇楼板、提高砂浆强度等级等。 不宜超过４０．０ ｍ；当建筑高度超过４０．０ ｍ时，应采用振型 此外，设计中建筑的层数和高度不超限、圈梁和构造 分解法计算。 柱的合理设置也能提高结构的抗震性能。圈梁能够提高 结构的整体行和空间刚度，而构造柱可以加强纵横墙的 ５结语 链接，因此，在多层砌体房屋的适当部位合理设置钢筋混 “小震不坏，中震可修，大震不倒”是我国现行抗震设 凝土构造柱，并配合圈梁协同工作，能有效提高房屋的整 计规范的总目标。实践证明，概念设计是决定结构抗震性 体性和抗震性能。 能优劣的决定因素。合理的结构形式，恰当的构造措施是 ４设计经验 概念设计的基本要求要求。如果在结构设计时将概念设 计搞得恰当、到位，符合地震发生时的破坏机理，计算方 ①底部框剪多层砌体房屋底部结构抗侧移刚度较上 法得当，该类房屋就能够满足抗震设防要求，并且在大地 部结构小，传统设计方法是将底层框架结构的地震剪力 震中能够达到裂而不倒的目的。总之，文章从概念设计的 设计值增大，即乘一个大于１的系数。但是，从底部的框 角度对底部框剪多层砌体房屋抗震设计进行了总结，具 架结构的变形和耗能能力考虑，增大底部结构的承载能 有一定的参考价值。 力，虽然底部结构的抗震性能增强，但是整个建筑结构的 薄弱部位并不会消失，只是转移到了其它部位，甚至上部 参考文献： 的砌体结构可能成为薄弱部位，此时不但没有提高结构 的整体抗震性能，反而降低了。因此在进行此类房屋的抗 ［１］钱稼茹，罗文斌．建筑结构基于位移的抗震设计【ＪＪ．建筑结 震设计时，底部结构的地震力可以不考虑系数增大。 构，２００１，３ １（４）：３—６． ②底部框剪多层砌体房屋过度层的楼板应采尽量用 【２］李应斌，刘伯权，史庆轩．基于结构性能的抗震设计理论研 钢筋混凝土现浇楼板，其他层可采用装配式楼板，但必须 究与展望【ＪＪ．地震工程与工程振动，２００１，２１（４）：７２—７９． 在每层处设置圈梁增强结构的整体性。 ［３］程耿东，李刚．基于功能的结构抗震设计中的一些问题的 ③采用底部剪力法计算地震力作用时，建筑总高度 探讨『Ｊ１．建筑结构学报，２０００，２１（１）：５—１１． （上接第１３８页） 目前土钉支护结构的设计基本是 便。 属于权限平衡分析法，各种方法大多只考虑土钉的受拉 四是边坡底端的土钉长度问题。根据郎肯土压力公 作用，很难正确、充分地考虑加固体内钉土相互作用及钉 式计算，底端处土压力最大，相应底部的土钉长度也应最 体复杂受力的实际情况，这势必形成计算方法的不尽完 大。但工程实践告诉我们：在支护底端土钉受力很小，“上 善和计算结果的较大出入。各种方法的适用条件、假定条 短中长下短”的土钉布置要比“上短下长”布置的支护效 件、破坏模式也各不相同，都有其道理，亦都有其缺陷，使 果好，目前都是采用工程类比来确定底端土钉的长度，具 选用者很难适从。形成这种局面的根本原因是对土钉的 体理论支持还有待进一步的探讨。 工作机理、受力特性了解不够，掌握不全面，对钉土复合 五是深基坑开挖中的时空效应。时间效应和空间效 体的受力分析缺乏权威的理论支撑。 应是密切相关的，深基坑在开挖的过程中同时受到两种 笔者认为，欲尽快完善土钉支护结构受力分析理论 效应的共同作用。在方案设计中，即要确定分层、分块开 和设计方法，应先解决以下几个极为重要的问题： 挖的空间几何尺寸，又要确定每层每块的开挖时间和支 一是破坏模式的选取问题。破坏模式的选取是整个 撑时间。这种时空效应的协同作用对开挖影响的理论研 设计方法的关键，目前比较经典的模式是圆弧 究尚不完善，目前还没有较好的理论计算方法，为保证施 二是主动土压力的确定问题。采用经验土压力图形 工安全，大多采用极为保守的方法，加大了工程成本。 计算主动土压力，缺乏足够的理论支持，采用郎肯土压力 六是土钉支护的环境负效应。土钉支护的环境负效 理论进行计算，虽然对黏性土和非黏性土都可以直接计 应一直为人们所忽视，因为这种负效应的影响是发生在 算，但没有考虑墙背与填土之间的磨擦影响，使土压力计 地下，所以往往被我们视而不见。一般土钉都不能回收利 算值偏大，这对结构的设计虽然有利，但对工程造成较大 用，而是留在原地，这势必对被其“入侵地带”未来的基坑 的浪费。 开挖和地基处理带来很大的不便。由于土钉支护在我国 三是土钉受力问题。国内外学者普遍认为土钉受力 应用的时间还不是很长，工程数目亦不是很多，故影响后 状态非常复杂，通常情况下土钉中的力有拉力、剪力和弯 患尚未充分暴露。但这个问题的解决，特别是对寸土寸金 矩，这对整体稳定的分析有很大的影响。但在目前情况 的大型城市而言，已经是刻不容缓。 下，由于激发土钉抗拉能力所要求的土体变形较小，故一 般只考虑土钉的抗拉作用。这在倾角较小时，与实际情况 参考文献： 较相符，但倾角较大时，譬如倾角大于ｌ５。时，则出入较 大。目前是依靠将倾角控制在５。～１５。之间来解决这个 ［１］ＪＢ５０５５—２００６，土钉支护技术规范【ｓ】． 问题，这无疑了土钉支护的灵活性，给施工带来不
