微型桩复合土钉墙支护作用机理及稳定性研究

余忠，唐晓雪，张进，胡倩

（湖南工学院建筑工程与艺术设计学院，湖南 衡阳 421002）

0 前 言

土钉支护（soil nailing）是一种新型的挡土支护技术，主要用于边坡加固和深基坑开挖施工时的坑壁支护，从20世纪70年代开始在工程中应用至今已有40余年历史。在基坑或边坡开挖时，在土壁上以一定倾角成孔，置入钢筋、角钢或钢管等细长杆件，然后将水泥浆通过高压注入孔内形成土钉，随后在土壁表面上绑扎钢筋网，并将其与土钉端部进行有效固定，最后喷射混凝土形成面层。土钉通过与周围土体接触界面上的摩擦力或粘结力，与土体形成一个组合体共同受力和变形，从而达到支护的目的。土钉支护如今已成为一种较成熟的支护技术，具有经济合理、施工简便、安全可靠等优点，在工程中应用广泛。

1 微型桩复合土钉支护

1.1 复合土钉支护

由于土钉墙不能严格控制基坑变形，本身也不具备止水等功能，单一的土钉墙无法在变形要求严格的永久性支护中应用，在地下水丰富的土层中也难以达到支护要求。复合土钉支护就是在解决上述实际工程问题的过程中产生并不断发展和完善的[1]。

在土钉支护的基础上，增加一些辅助措施，或将土钉支护与其他支护形式相结合，即形成复合土钉支护结构。复合土钉支护结构由于其作用机理和施工工法均与土钉支护有所不同，弥补了土钉支护单独使用的缺点，因而适用范围更广，应用空间更加广阔。

1.2 微型桩复合土钉支护

图1 微型桩复合土钉支护结构的组成

图2 钉间土体成拱作用

图3 土钉面层土压力分布简化示意图

微型桩与土钉复合支护是复合土钉墙技术中的一种常用的支护体系，多用于深基坑支护工程中。在深基坑开挖前，在开挖线的外侧按设计要求垂直打入一定数量的钢管，利用加压设备将水泥浆等浆液注入钢管内形成微型桩，沿基坑开挖线以一定间距分布。基坑开挖过程中，分层开挖土体，分步成孔设置土钉，布设钢筋网后喷射混凝土面层。土钉墙与开挖前完成的微型桩联成一个整体，形成复合土钉支护结构。当基坑或边坡土体土质松散、自立性较差时，采用微型桩复合土钉支护效果尤为明显[2]。

微型桩复合土钉支护结构通常由微型桩、面层、土钉和防水系统等几个部分组成，如图1所示。

2 微型桩复合土钉墙的支护机理

2.1 土钉与土的相互作用

土钉支护边坡和素土边坡相比，当二者在发生相同的水平位移时，前者承载能力要比后者提高很多，这说明前者的整体刚度和稳定性由于土钉的存在得到了提高。在坡顶超载作用下，土钉墙的破坏呈现为持续而渐进的特征。与之相对的是，在坡顶超载作用下，素土边坡产生远低于土钉墙加固边坡的水平位移时，就很快出现整体滑裂或塌落。

2.1.1 土钉对土体的补强作用

土钉支护中土钉的长度须穿过土体中的潜在滑裂面并深入到稳定土体内一定深度，当面层土体发生位移时，土体和土钉之间的界面摩擦阻力发挥作用，土钉对周围土体产生约束作用。该补强作用与土的性质，土钉本身的强度、刚度以及在土体内的分布情况有关。当土体由弹性变形逐步进入塑性状态后，其承受的应力通过二者之间的摩阻力逐渐转移到由土钉承担，使复合土体的变形发展得以延迟，破坏性状呈渐进性。

2.1.2 固化改性作用

在作为土钉的钢管上适当位置钻上小孔，打入土中后在钢管内高压注入水泥浆即形成注浆土钉。注浆土钉对其周围土体具有补强和固化改性作用[3]。

注浆土钉通过中空钢管注入的浆液在高压作用下由管壁上的孔眼进入到土体中，填充土颗粒之间孔隙挤密土体；浆液中水泥的发生水化反应，生成物中的Ca2+离子与粘土颗粒表面的Na+离子发生离子交换作用，形成以土钉及渗出浆体形成的“浆脉”为骨架的复合结构。当土体中有裂隙发育时，渗出的浆液会沿着裂隙渗透和扩展，形成网状结构，改变土体的物理力学性质，提高其强度。

2.2 钉间土体的成拱效应[4]

土钉之间土体在侧压力的作用下，形成类似“土拱”的受力形式，称为“成拱效应”，它是土钉与土体之间的相互作用的一种表现形式。当土钉之间间距较小，而土质条件又比较好的情况下，土钉之间的土体形成以土钉为支点的“承载拱”，土体因松动或位移产生的侧压力通过土拱传递给支座即土钉，如图2（a）所示；土钉间距过大或土质条件较差时，钉间土体则不能产生土拱效应，如图2（b）所示。

2.3 微型桩的作用

微型桩是复合土钉支护体系中重要的受力构件，在不同的情况下，微型桩可能承受拉应力、压应力、剪应力、扭矩或它们中几种的组合作用。

2.3.1 提高土体的强度的作用

微型桩的强度和刚度均远高于其周围的土体材料，对其周围一定范围内土体的变形产生约束作用，从而增强了其周围一定范围内土体的强度。土体开挖前的初始应力场，也因微型桩对其周围土体变形的约束而得到了改善，使得开挖后边坡的稳定性得以提高，尤其是土钉施工前裸坡的自立能力得以提高，有利于施工的顺利进行。

2.3.2 减少边坡的变形量

在微型桩复合土钉支护体系中，包裹在土体中微型桩的强度和刚度均比其周围土体要高，对其强度和刚度有一定的增强作用，从而对开挖过程中土体的变形产生约束作用。

2.4 面层的作用

面层的作用主要是承受边坡土体产生的侧压力及坡顶超载引起的侧压力并传递给土钉以及防止土体坍塌等。土钉墙面层的作用机理非常复杂，并且常和施工质量有关。在工程实践中，很少因为面层破坏而出现问题，因此在设计时只需按照相关《混凝土结构设计规范》设计面层即可。

3 微型桩复合土钉墙的稳定性分析[5]

3.1 内部稳定性分析

3.1.1 抗拉断裂极限状态[6]

土钉在面层土压力作用下将承受拉应力作用，要保证土钉支护结构的内部稳定性，须确保土钉抗拉强度满足要求而不致拉断，即直径db须满足：

式中：

Ei——面层上第i根土钉支承范围内的土压力，Ei=Pi·Sx·Sy

式中：

hi——坡顶至土压力作用点的距离，当hi≤H/2时，hi按实际取值；当hi＞H/2时，hi＝0.5H

H——边坡垂直高度

γ——土的重度

me——工作条件系数，临时性土钉（≤2年），me=1.10；永久性土钉（＞2年），me=1.20

k——土压力系数，取k=（k0+ka），ka、k0分别为主动及静止土压力系数

fk——土钉抗拉强度标准值

3.1.2 土钉锚固极限状态

在土压力作用下，复合土体内部存在潜在的滑裂面，滑裂面后那段的土钉称为有效锚固段，应具有足够的锚固力（界面摩擦阻力的合力），以使土钉不致被拔出，即满足：

防疫部门应加大对疫情的监测力度，并制定一套完善的疫情预警报告制度，时刻留意牧区羊群的生长状况。一旦发现存在疑似感染小反刍兽疫病的羊只，应在第一时间内进行隔离，待其恢复健康后，才能继续同群饲养。因此，积极做好对牧区疫情的监测工作是控制小反刍兽疫病毒肆意传播的重要举措。

式中：

Fi——第i 根土钉的有效锚固力，Fi=π·dh·Lei·τ

Lei——第i 根土钉有效锚固段长度

τ——土钉与土体间的极限界面摩阻力

dh——土钉的孔径（若为打入型土钉则指加筋杆换算直径）

Ks——安全系数，取1.3～2.0，临时性土钉取小值，永久性土钉取大值

3.2 外部稳定性分析

微型桩复合土钉支护结构中微型桩与土钉墙复合土体形成的结构可看作为一个整体，因此其外部稳定性分析可按重力式挡土墙考虑[7]。

3.2.1 抗滑移稳定性的验算

微型桩复合土钉墙抗滑稳定性以抗滑移稳定系数来表示，即：

式中：

Kh——抗滑移稳定系数

G——挡土墙的重力（kN/m）

Ex、Ey——挡土墙背面的主动土压力Ea的x方向和y方向的分力(kN/m)

μ——挡土墙基底与土体之间的摩擦系数

3.2.2 抗倾覆稳定性验算

抗倾覆稳定性用抗倾覆稳定系数Kq来表示，即：

式中：

Kq——抗倾覆稳定系数

h、b、a——分别为Ex、G、Ey对墙外下脚的力臂（m）

3.2.3 地基强度验算

要求同时满足：σmax≤1.2f，σmin≥0。

式中：

a——墙底部的宽度（m）

e——荷载作用于墙底面上的偏心距（m）

f——地基承载力设计值（kPa）

用（3）、（4）、（5）式进行验算，若不能满足外部稳定性要求，可采用增加土钉长度或适当调整边坡坡度的方法，使其满足要求。

3.2.4 微型桩强度复核

复合土钉墙中的微型桩一般采用钢管桩，其强度较高，可以不进行强度验算。但是当微型桩的强度较低或基坑开挖深度过大时，在墙后土压力的作用下，微型桩也有可能发生弯折破坏或冲剪破坏，这时需要进行抗剪、抗弯强度验算。

4 结束语

微型桩复合土钉支护技术将微型桩和土钉支护结合起来，弥补了纯土钉支护的局限性。由于微型桩的超前支护，使其周围土体的强度和刚度得到了提高，基坑壁的水平位移得到有效的控制，土体性能大为改善，与纯土钉支护相比，适用范围更加广泛。需要从土钉内部和外部稳定性两个方面进行稳定性验算，且对微型桩本身的强度和支护结构下地基的强度进行复核，以保证支护结构不因失稳而破坏。

[1]龚晓南.土钉和复合土钉支护若干问题[J].土木工程学报,2003（10）.

[2]刘学军,陈正大.复合土钉支护技术及其作用机理研究[J].中国科技信息,2006（21）.

[3]李志刚,任佰俪，等.高压注浆土钉特性及应用[J].岩石力学与工程学报,2004（9）.

[4]陶龙光,侯公羽.超前锚杆预支护机理的模拟试验与成拱力学模型研究[J].中国矿业大学学报,1995（3）.

[5]赵勇.微型桩复合土钉墙的面层受力分析与作用机理研究[D].北京：中国地质大学,2008.

[6]杨庆光.复合土钉的有限元数值模拟及其机理分析[D].长沙：中南大学,2004.

[7]GB50007-2002,建筑地基基础设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.