土钉墙在工程应用中的问题及改进方法的探讨

易丽丽，聂 俊，潘 泓

(1.华南理工大学 亚热带建筑科学国家重点实验室，广州 510640;2.广州市建筑科学研究院，广州 510440)

新奥法产生于20世纪60年代，新奥法施工是将喷射混凝土技术和全长黏结注浆锚杆技术结合起来，应用于隧道岩土开挖的一种方法，之后试用于土体。土钉墙是以新奥法理论为基础发展起来的，在许多方面与新奥法类似，可以看作是新奥法概念的延续。

20世纪70年代，欧美一些国家开始了土钉墙的研究和应用，进行现场和室内试验，研究土钉墙的作用机理、设计与施工工艺。20世纪90年代之后，许多国家陆续制定了技术标准和规范。如［1］美国联邦公路总局1996年完成的Design＆Construction Monitoring of Soil Nail Walls(FHWA－SA－96－069R)，欧洲标准技术委员会发布的欧盟标准Execution of Special Geotechnical Works:Soil Nailing(PREN14490－2002)等。历经40年的发展，土钉墙已经发展成为一门成熟、常规、通用的岩土工程技术。

1 土钉墙的作用机理与破坏形式

1.1 作用机理

单一的(或称“基本型”)土钉墙应具备“土”、“钉”、“墙”3个基本特征［2］。土钉墙属于土体加筋技术的一种，充分利用土体的自承能力，在边坡中按照一定的水平与竖向间距和长短布置土钉，如图1所示。土钉墙按施工工艺分为“钻孔注浆型土钉”、“击入型土钉”和“注浆的钢管击入型土钉”。“钻孔注浆型土钉”施工时先在土中钻孔，植入变形钢筋，并沿着全长压力注浆的方法形成;“击入型土钉”是将钢筋或型钢直接打入土体中，不注浆，适合于较浅和土质较好的基坑支护;“击入锚管型土钉”主要用于成孔困难的地层。土钉依靠土与土钉界面之间的摩擦力或黏结力，在土体发生变形的条件下，被动受力。土钉置入后起到了提前“缝合”滑移面的作用，使最危险滑移面转移，从而提高了土体的稳定性。土钉具有抗拔、抗剪、抗弯作用，主要是抗拔作用。并辅以钢筋网喷射混凝土面层，使土钉与土体协同作用，形成有机的整体。所以一个完整体系的土钉墙由密集的土钉群，被加固的土体和喷射混凝土面层以及必要的防水系统共4部分组成。

图1 土钉墙详图Fig.1 Detailed sketch of soil nail wall

土钉的补强效应主要表现为骨架作用、分担作用、应力传递与扩散作用、坡面变形制约作用。最终起到补强土体抗拉、抗剪强度低的弱点，同时改变了基坑的变形与破坏形状，提高土体的整体刚度与稳定性，确保基坑(或边坡)的稳定。如图2所示。

1.2 破坏形式

土钉墙破坏时明显带有平移和转动性质，类似于重力式挡土墙。破坏形式分为内部稳定破坏(局部破坏)和外部整体稳定破坏(滑移和倾覆)［4］。因此，设计时需要考虑滑移、倾覆、整体失稳、沿薄弱土层破坏、施工阶段开挖时整体失稳等，并逐一进行验算。

土钉墙计算方法分为2大类，即极限平衡法和有限元法，极限平衡法主要计算结果为安全系数，而有限元法还可预测变形大小。

图2 土钉支护体系的作用机理［3］Fig.2 The action mechanism of soil nailing support system［3］

1.3 常用计算方法

极限计算方法主要有5种［5］。①Stocker方法:Stocker等在1979年根据试验结果提出的一种方法。②Davis方法:美国加州大学Davis分校的C.K.Shen等根据有限元计算得到土钉墙安全系数轮廓线位置及室内试验结果而提出的一种方法。③Bridle方法:Bridle在总结了他人一些研究成果的基础上，于1989年提出了分析土钉墙内部稳定极限平衡方法。④王步云方法:王步云根据土钉墙原位试验和理论分析，在1990年提出了内部稳定计算方法。⑤抛物线滑裂面法及能量法:根据分析土钉墙变形观测资料及受力情况，杨育文提出了土钉墙内部稳定计算方法。

极限平衡法中最大的优点是概念明确、方法简单、人们容易接受;最大的缺点是假设的前提条件过多，适用性上存在一定的局限性，且无法考虑施工过程的影响和有关变形的信息。

有限元法不仅能计算土钉墙中土钉内力，土体的应力应变关系，模拟开挖过程等，而且还可以考虑土体的非均匀性和各向异性，处理各种复杂的几何性质和各种类型的边界条件，解决难以用解析法求解的力学问题，解决土钉与土相互作用的难题。其最大的优点是能预测土钉墙变形的大小，这对柔性支护是非常重要的。

2 土钉墙的优越性和局限性

2.1 优越性

土钉墙于20世纪80年代引入我国，国内1992年在深圳文锦广场基坑抢险工程中首次将土钉墙用于基坑工程。以后的很长一段时期内，土钉墙的使用比例大幅攀升。例如在广州市建设高峰期时，土钉墙的使用率超过70%，武汉地区2004年所完成的200多个基坑工程中，采用土钉墙支护(或与其他支护方式结合的复合、组合支护的基坑)占80%以上，取得了良好的社会和经济效益。采用土钉墙支护技术建造的工程在全国遍地开花［6］。

与传统的支护形式相比，土钉墙具有以下特点:①经济，造价低廉。在我国土钉墙比灌注桩支护等节约造价1/3～2/3，因此性价比非常高，这也是土钉墙占领深基坑支护市场较大份额的最重要的原因之一。②施工便捷，施工设备轻便，操作方法简单，施工灵活，施工所需场地较小，施工时对环境振动小。③材料用量和工程量省、工期短。采用土钉墙进行深基坑支护既节省了建材又缩短了工期。④结构轻巧，柔性和延性较好。土钉复合墙体与素土相比，承载力提高了2～3倍，延迟了塑性变形发展阶段，且有明显的渐进性变形和开裂破坏并存且逐步发展，不会发生整体性坍塌，因而有一定的时间段可用于排除险情，此外，总的土钉起到群体作用，个别土钉失效对整体影响不大，因而更安全更可靠。⑤可以根据现场开挖发现的土质情况和现场检测的土体变形数据，修改土钉间距和长度等，进行动态设计。⑥无需设内支撑，有利于基坑内采用大型机械作业，提高施工的效率，缩短工期。相比于钢支撑、钢筋混凝土内支撑等，边开挖边支护，不仅缩短工期，而且节约工程造价。这些优点在用地紧张的城市建设中尤为突出，特别适合城市要求。因此，在城市建设、高速公路及水利工程建设中，都广泛采用了土钉墙技术，大大促进了它的发展。

2.2 局限性

据国内土钉墙应用于边坡的工程案例统计分析表明，1998—2004年是土钉墙应用的高峰期，这一时期土钉墙几乎无所不能，被广泛应用于各种条件下的基坑，但是这段时期土钉墙工程的事故或险情也比较多。归纳起来，主要有以下几个方面的问题:

(1)设计问题。进行土钉墙设计需要仔细阅读工程地质资料，了解土质条件。土体的性质对土钉墙的影响比较大，对于不符合适用条件的土体需要考虑采用复合土钉墙或其他支护方式。单纯使用土钉墙往往会产生过大的变形，或者由于土体与土钉之间的抗拔力不够而局部失稳破坏。

(2)超挖。超挖引起的基坑工程事故非常多，主要是施工时没有按照设计要求进行开挖，造成土钉抗拔力不够、边坡变形过大、整体倾覆等。土钉墙受土体影响比较大，土体如果没有一定的自立高度则不能进行施工。

(3)防水。喷射的混凝土面层能防止雨水对边坡的冲刷和侵蚀。坡顶则主要是通过开挖集水沟，汇集雨水，防止雨水或地面水流入土坡中的竖向裂缝使土的抗剪强度降低，侧压力增大，促使土坡滑动。若地下水对边坡产生动水力，则对土坡的稳定性危害更大。

(4)土钉灌浆技术问题。土钉灌浆要饱满，否则土钉与土体界面之间的摩擦力或黏结力就不能充分发挥，土钉就起不到补强作用。

(5)相比于钻孔灌注桩、人工挖孔桩、地下连续墙等围护结构，土钉墙没有插入深度，不能解决基坑底部的隆起、渗流、管涌等稳定性问题。

3 土钉墙的改进方法

3.1 复合土钉墙与其他组合支护结构

目前，采用超前支护及土钉等组成的复合型土钉墙突破了土钉墙适用的局限性，极大的扩展了土钉墙技术的应用范围，在一定程度上解决了土钉墙位移大、支护深度较小的难点。复合土钉墙可应用于砂性土、粉土、黏性土、淤泥及淤泥质土。复合土钉墙能解决软弱土体的自立性、隔水性，以及喷射混凝土面层与土体的粘结问题，解决基坑底部的隆起，防渗问题，减少基坑水平位移等。目前复合土钉墙主要形式有4种类型:①土钉墙+止水帷幕+预应力锚杆;②土钉墙+预应力锚杆;③土钉墙+微型桩+预应力锚杆;④土钉墙+止水帷幕+微型桩+预应力锚杆。

止水帷幕常采用相互搭接的单排或双排深层搅拌桩，高压旋喷桩。主要作用是为了防止地下水位的降低引起建筑物和道路的沉降。此外还有一定的加固作用。这样不需要降低地下水位便能采用土钉墙，扩大了土钉的适用性。

预应力锚杆提前给土体施加初始应力，可以减少土钉墙的位移，适用于对变形要求严格的工程。

微型桩属于超前加固技术的一种，对于自稳能力差的土层，起到保证开挖坡面的自稳能力。超前加固技术还包括:超前加固注浆，打入角钢、槽钢、木桩、预制混凝土杆件等。

采用击入注浆式土钉，如钢花管，可以解决砂层和软土层难成孔的问题。

此外，处在发展与研究中的疏排桩锚－土钉墙支护技术，通过土钉来提高桩间土体的稳定性，设置排桩和锚杆以减小土钉墙的变形，形成以水平向支护和竖向支护相结合的方法。通过排桩的超前支护作用，有效控制开挖过程中土体的变形，而且，排桩具有较强的刚度和抗弯性能，削弱了土体内部塑性变形的发展。桩与锚杆共同作用，由于排桩属于刚性结构，变形小，而桩间土钉墙属于柔性结构，变形相对较大，由他们形成的组合结构将产生大小不同的变形，基坑支护的土体也将产生不同的剪切变形，形成土拱作用。土拱具有传递作用［6］，它将桩间土压力的一部分传递给拱脚处的排桩。因此，排桩不仅承担了桩后土压力，同时也分担了桩间土通过土拱所传递的土压力，土钉墙所受土压力减小。疏排桩锚－土钉墙结合了土拱效应，排桩抗弯性能较好和土钉墙经济便捷的优点，具有广阔的前景。

3.2 控制排水

除了受土体影响较大外，土钉墙另外一个突出的问题就是土钉施工时的水土流失和钉头渗水很难防治。水是基坑边坡失稳的重要隐患，在基坑开挖中，水主要来自于:上层滞水、裂隙水、承压水、管道漏水、地面排水等。在地下水位较高的场地，不可避免的会造成坑外水土流失，严重的会扰动周围环境，造成周边因地下水位下降而引发不均匀沉降、建筑物开裂、管线破坏等问题。

此外，地表水对边坡的自稳能力有较大影响。喷射混凝土面层起防水和承受部分土压力作用。若下水道漏水或坡顶未封闭好，导致基坑外侧土体含水量增加，根据K.Terzaghi的有效应力原理和摩尔－库仑强度理论，随着土体含水量的增加，有效应力降低，土体抗剪强度会明显下降，雨水渗入使土体软化，最终引发基坑的失稳。因此在坡顶距边坡约1m处修筑坡顶排水沟，在基坑开挖至设计深度后，可沿坡底修筑环向排水沟，相距10～20m修筑一个集水坑，以便把基坑积水抽至坡顶排水沟内一并排走。同时为防止地下潜水、地表水渗入坡体，降低土体强度，增加护坡面的侧压力，一般施工时将土钉墙的混凝土面板向地表延伸一定长度，另一方面在护坡面设置泻水孔，将土体内的水引出排走。

3.3 提高土钉施工质量方法

施工质量问题引起土钉墙基坑失稳的例子更是不胜枚举。首先由于土钉墙施工时土钉的数量巨大，检测手法单一，仅抗拔力检验一种，且是破坏性检测。因而有许多基坑失稳的工程事故是由施工质量问题造成的。例如:土钉杆长不够、孔底沉渣厚度过大、水泥浆强度不足、锚固体直径不足、取消预应力、无注浆锚固或注浆不密实等偷工减料行为使支护结构失去抗滑移性能、锚固力下降，导致挡土墙失稳。同样将钢筋网的直径变小、喷面减薄等行为也会严重地降低基坑的稳定性。因此，把无损检测技术广泛应用于土钉强度检测中至关重要。

其次土方开挖过程中，土钉按设计要求自上而下分段分层施工，严格控制每层开挖深度、开挖纵向长度(必要时在纵向应间隔开挖)。合理安排作业顺序，尽可能缩短开挖后土体的暴露时间，这对于限制土钉支护的变形至关重要。

3.4 对面层的改进

土钉墙用作城市建设，如用作道路两旁边坡支护或其他边坡支护时需要考虑它的美观问题，因此对面层的处理就显得十分必要了。国内一般只有喷射混凝土，外表粗糙、灰暗。而国外有采用钢筋混凝土格构梁［7］，土工材料网或中空砌块，其间种植花草绿化。还有的面层分为2层，喷射混凝土作为内层，现浇混凝土作为外层，或采用喷射彩色混凝土等。

4 土钉墙计算的前景展望

现在及以后土钉墙的研究重点主要包括:

(1)提高土钉墙变形预测的精度，土钉墙属于柔性支挡，变形不易预测，目前主要通过工程经验和弹性变形理论［8］、数值模拟等方法预测变形情况。理论值与实测值存在一定差距。

(2)采用与其他支护形式相结合的复合土钉墙，扩大土钉墙的适用范围，提高基坑的稳定性，减小变形。

(3)对面层的设计方法存在许多争议［9］。如把面层作为水平和竖向2个方向的弹性地基梁模型或简化为两边简支的矩形薄板弯曲模型等。对面层与土钉接触处应当进行抗冲切验算，不能仅仅满足构造要求。

(4)永久性土钉墙是今后发展的一个方向，目前国内对永久性土钉墙的应用相对较少。永久性土钉墙长期与地下水、氧、矿物质盐类等接触，影响土钉的耐久性，目前设计中很少考虑它的耐久性，如抗腐蚀性、抗老化、蠕变等性能。

(5)对土钉墙的抗震研究。复合土钉墙柔性强，有良好的延性和抗震性能，但对边坡动力研究相对较少。今后研究重点应该放在对地震过程中土钉轴力及土压力的变化、面层抗冲切性能，复合土体的响应加速度、动位移等方面的研究。

［1］杨育文，袁建新.深基坑开挖中土钉支护极限平衡分析［J］.工程勘察，1998，(6):9－10.(YANG Yu-wen，YUAN Jian-xin.Analysis on Ultimate Equilibrium of Earth Nail Bracing during Deep Foundation Pit Excavation［J］.Geotechnical Investigation and Surveying，1998，(6):9－10.(in Chinese))

［2］付文光，卓志飞.对“土钉墙”等术语命名的探讨［J］.岩土工程学报，2010，10(7):808－809.(FU Wen-guang，ZHUOZhi-fei.Discussion on Definition of Soil Nail Walls［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering ，2010，10(7):808－809.(in Chinese))

［3］刘喜旺.土钉墙支护技术机理及其优化设计［J］.湖南理工学院学报，2010，23(2):82－84.(LIU Xi-wang.Mechanisms and Optimal Design of Soil-nailing Wall Supporting Technology［J］.Journal of Hunan Institute of Science and Technology(Natural Sciences)，2010，23(2):82－84.(in Chinese))

［4］徐正来.土钉支护稳定性分析［J］.四川建筑，2001，2(1):46－48.(XU Zheng-lai.Stability Analysis on Soil Nailing［J］.Sichuan Architectural，2001，2(1):46－48.(in Chinese))

［5］杨育文.土钉墙计算方法的适用性［J］.岩土力学，2009，30(11):3357－3364.(YANG Yu-wen.Applicability of Computational Methods for Soil-nailing Walls［J］.Rock and Soil Mechanics，2009，30(11):3357－3364.(in Chinese))

［6］陈肇元，崔京浩.土钉支护在基坑工程中的应用(第二版)［M］.北京:中国建筑工业出版社，2000.(CHEN Zhao-yuan，CUI Jing-hao.Application of Soil Nailing Support to Foundation Pit(The Second Edition)［M］.Beijing:China Architecture ＆ Building Press，2000.(in Chinese))

［7］付文光，杨志银.土钉墙技术的新进展及前景展望［J］.岩土工程学报，2010，32(增):17－21.(FU Wen-guang，YANG Zhi-yin.New Progress and Development Prospect in Technology of Soil Nail Walls［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2010，32(Sup.):17－21.(in Chinese))

［8］姜晓光，杨志银，刘 斌.土钉墙水平位移计算的简便方法［J］.土木工程学报，2010，43(8):121－124.(JIANG Xiao-guang，YANG Zhi-yin，LIU Bin.A Simple Method for Horizontal Displacement of Soil Nailing Walls［J］.China Civil Engineering Journal，2010，43(8):121－124.(in Chinese))

［9］王立峰，朱向荣.土钉墙面层位移和内力的计算分析［J］.岩土力学，2008，29(2):437－441.(WANG Lifeng，ZHU Xiang-rong.Analysis of Displacement and Inner Force in Soil-nailing Walls［J］.Rock and Soil Mechanics，2008，29(2):437－441.(in Chinese))

［10］朱彦鹏，董建华.土钉支护边坡动力模型的建立及地震响应分析［J］.岩土力学，2010，31(4):1013－1022.(ZHU Yan-peng，DONG Jian-hua.Dynamic Calculation Model and Seismic Response for Slope Protected by Soil Nailing under Earthquake［J］.Rock and Soil Mechanics，2010，31(4):1013－1022.(in Chinese))