土钉支护和锚杆支护区别之精析

孙维中 房德刚

摘要：结合多年从事基坑支护工程设计的经验，结合常用的土钉支护技术和锚杆支护技术，在理论、设计和施工方面对二者的区别进行了全面的对比分析。本文的见解可为基坑工程设计提供一定的参考和依据。

关键词：土钉；锚杆；基坑

Abstract: combined with years engaged in the engineering design of the foundation pit supporting experience, with common soil nailing support technology and bolt support technology, in theory, design and construction of the face between the two analyzed roundly. This paper views for foundation pit engineering design can offer some reference and basis.

Keywords: soil nail; Anchor; Foundation pit

中图分类号：TV551.4 文献标识码：A 文章编号：

目前，土钉支护[1]和锚杆支护[2]在基坑工程中的应用已经十分普遍，但是，许多施工人员甚至设计工程师对二者缺乏较深的理解，很容易将两者混为一谈。因此，很有必要对二者的区别进行较为全面的分析。

1.受力机理和受力形态不同

一般情况下，土钉为被动受力；而锚杆是主动受力。由于土钉长度穿过非稳定区（自由段），一部分进入土体稳定区（锚固段），在土钉施工完毕后，基坑的非稳定区产生变形，相对于土钉向基坑内侧位移，由于土钉一部分长度设置在稳定区，使得土钉和土体间的变形不能同步，则土钉和土体之间发生相对位移。非稳定区的土体相对土钉向基坑内侧位移，土钉给周边土体提供向基坑外侧方向的侧摩阻力，来维持基坑的稳定，相反，土钉受到的侧摩阻力方向指向基坑内侧。而在稳定区，土钉相对土体有被拔出的趋势，则土体施加给土钉的侧摩阻力指向基坑外侧，以此来提供土钉的抗拔力。也就是说，土体施加给土钉的侧摩阻力方向在非稳定区指向基坑临空面，在稳定区背向临空面，方向在非稳定区和稳定区发生改变。由于侧摩阻力是逐步发挥的，土钉内力也就是由表及里依次发挥，形成中间大（非稳定区和稳定区处拉力最大），两头小的内力分布形态。而锚杆（当杆体材料采用钢筋时一般称锚杆，采用钢绞线时一般称锚索，下文统称锚杆，且均按拉力集中型锚杆考虑）虽然也分自由段和锚固段，但是在自由段的锚杆是无粘结的，也就是锚杆杆体和注浆体分离，可以自由拉伸，而在锚固段则全长粘结。当非稳定区产生变形时，非稳定区土体的变形通过锚下承载结构传递给锚头，使得锚头产生拉伸变形，进而将拉力通过自由段直接全部传递到锚固段，由于锚固段设置在稳定区域，相对土体有被拔出的趋势，则土体给锚固体提供背向基坑临空面方向的侧摩阻力来实现抗拔。因此锚杆在自由段内力理论上是均匀分布的，进入锚固段后，则随锚固段长度而衰减。一般情况下，锚杆都施加预应力，预先通过张拉锚杆来约束非稳定区土体，实现主动支护。另外，土钉属于土体加筋技术，即通过密集的加筋体作为土体的补强手段，从而提高被加固提提的强度和自稳能力；而锚杆则是一种锚固技术，通过锚杆提供的锚固力来提高不稳定土体的稳定性。一般情况下，土钉支护基坑的位移比锚杆支护基坑位移要大。

2.支护方式不同

土钉是以小间距、低承载力的土钉群实现基坑支护，一般土钉竖向和横向间距在1.0m-2.0m之间，对于坚硬粘土或风化岩土，有时超过2.0m，而对于软土和松散砂土则可小于1.0m。一般来说，土钉的间距不宜超过2.0m。土钉杆体材料一般选用Ⅱ级或Ⅲ级螺纹，钢筋直径宜为16-32mm，一般以直径16mm-22mm居多，土钉一般在钉头拉力较小，一般不超过土钉最大拉力值的30%，因此，钉头的连接相对比较简单，一般将土钉钉头做出90°直角弯钩，与横向加强筋焊接连接，喷射混凝土时，直接被埋置于面层里面。而锚杆一般是采用大间距、高承载力对基坑实行锚固，间距一般在2.0m-4.0m之间，采用钢筋一般以25mm和28mm居多，当拉力更大时，一般采用锚索更为经济，锚索一般以1×7Φ5（公称之间15.2mm）钢绞线居多。锚杆承载力相对较大，拉力一般比土钉大的多，因此，锚头比土钉复杂，一般需要单独设置锚下承载结构，拉力较小时，一般采用单根槽钢通常连接；拉力较大时，一般采用双榀槽钢。

土钉钻孔直径一般为70-120mm，长度一般为基坑开挖深度的0.5-1.2倍，一般采用洛阳铲人工成孔，当人工成孔困难时也采用机械成孔，有时也采用植入式土钉（将土钉杆体材料，螺纹钢筋、角钢、开孔钢花管等材料，采用机械设备压入土体）。锚杆钻孔直径一般为100-120mm，锚杆长度一般由锚杆设计承载力和土体侧摩阻力确定，其长度相对土钉要长，人工洛阳铲成孔有一定的困难，一般以机械成孔为主。

土钉与水平面的夹角宜为5°-20°，这取决于注浆工艺以及土层特征等多种因素。一般增加土钉倾角会使支护的位移和地表角变位增大，倾角大于20°时增大的趋势更为加剧。有限元分析表明，当土钉倾角为零即处于水平位置时，支护变形最小；而按极限平衡方法进行整体稳定性优化分析，则给出倾角在5°～20°范围内，得到的稳定性安全系数最大。所以除非出于重力注浆的需要，或者更大的倾角有利于土钉插入下层较好的土层内，土钉的倾角不宜超过15°，一般取5°～10°为宜，多取10°。而锚杆则不同，其倾角宜采用10°-35°，有时采用大倾角能使锚杆深入较好的土层，相同的锚固段长度却能得到更大的水平分力。水平角度过小，会使得注浆时，在钻孔的自由段形成的浆液水平面较长，注浆不充盈，在锚杆拉力相同的情况下，使得基坑变形加剧，因此，锚杆倾角多取15°～20°。

3.稳定性分析方法不同

土钉支护需要同时进行内部稳定性和外部稳定性分析。在进行内部稳定性分析计算时，应包括不同开挖阶段、不同位置处沿着最危险破裂面的滑动破坏、土钉本身的强度破坏、拔出破坏以及喷射混凝土面板的破坏等。内部稳定涉及到土钉筋体强度、长度、土钉与土体的界面粘结力、土钉的水平和垂直间距、支护面板的强度以及面板与土钉的共同作用等因素。因此应考虑以下几方面验算：施工过程中不同开挖阶段的最危险滑动面验算；使用阶段不同位置的最危险滑动面验算；土钉筋体本身的强度与抗拔力验算；喷射混凝土面板强度和土钉与面板连接强度验算。在进行外部稳定性分析计算时，可以将土钉支护的边坡看成一个“挡土墙”，它必须能承受其后部土体的推力和上部传来的荷载。因此，外部稳定分析应考虑四个方面的验算：土钉支护结构抗滑稳定性验算；土钉支护结构抗倾覆稳定性验算；土钉支护结构底部地基承载能力验算；深部滑动定性计算。而锚杆支护基坑，由于采用锚杆自由段穿越非稳定区，将锚固段设置与稳定区，因此只需进行外部稳定性分析，包括不同工况下的穩定性分析和使用阶段的稳定性分析。

4.面层受力不同

一般认为土钉面层不受力，按构造配筋一般能满足工程要求。其实面层受到作用在其上面的非线性分布土压力，土钉可看成是点支持，则面层的受力类似于倒置的柱撑无梁楼板结构。而锚杆由于锚下结构的不同，面层结构的受力更趋向于单向受弯的混凝土板，而且由于锚杆受力较大，锚下喷射混凝土面层还存在受剪，其下的土体在预应力作用下还存在锚下土体承载力能否满足要求的问题。

参考文献

[1]中华人民共和国建设部.JGJ120-99.建筑基坑支护技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,1999.

[2]中华人民共和国建设部.GB50330-2002.建筑边坡工程技术规范[S].北京: 中国建筑工业出版社,2002.