土钉支护工作机理和应力分析

石超

【摘 要】本文通过对土钉支护结构的破坏形式的分析，从两个方面对土钉支护结构的工作机理进行了阐述，对工程界在进行土钉支护抗拔稳定性和整体稳定性验算时具有一定的参考价值。

【关键词】土钉支护；破坏形式；工作机理

Soil nailing mechanism and stress analysis

Shi Chao

（Spring of Hebei Construction Engineering Co.， Ltd Handan Hebei 056000）

【Abstract】Based on the failure mode of soil nailing structure analysis， from two aspects of working mechanism of soil nailing structure are described， for engineering during soil nailing pullout when checking the stability and overall stabilityIt has a certain reference value.

【Key words】Working Mechanism；Failure mode；Soil nailing

1. 土钉支护技术的概述

（1）土钉支护技术是近几十年发展起来的，用于土体开挖和边坡稳定的一种新的挡土技术。由于其经济可靠，施工快速简便，已在大量工程中得到应用，成为继排桩支护，地下连续墙支护等传统的支护方式之后的又一项新的支护技术。据有关资料显示，土钉支护技术的应用在各种支护中已占据重要的地位。

（2）所谓“土钉”（Soil Nail）就是置入现场土体中以较密间距排列的细长杆件，如钢管或钢筋等，通常还外裹水泥沙浆或水泥净浆浆体（注浆钉）。土钉的特点是沿通长与周围土体接触，以群体起作用，与周围土体形成一个组合体，在土体发生变形的条件下，通过与土体接触面的粘结力，使土钉被动受拉，并主要通过受拉工作给土体以约束加固或使其稳定。土钉的设置方向与土体可能发生的主应变方向大体一致，通常接近水平并向下呈不大的倾角。国内亦有资料称土钉的“插筋”（Insertbar），锚钉等。

2. 破坏形式

土钉支护结构的可能破坏形式主要有两种：体外破坏和体内破坏。体外破坏是指破坏面完全在土钉加固区外。体内破坏是指破坏面完全或部分穿过土钉加固区。

2.1 体外破坏。

2.1.1 体外破坏是发生在土钉加固区域之外的破坏，此时密集的土钉与周围土体形成一个异性复合整体，犹如一个重力式挡堵，可能发生三种失稳：

（1）沿底面滑动；

（2）绕面层底端倾覆：

（3）深部滑移。

2.1.2 这三种可能的破坏形式中，前两种与重力挡土墙在主动土压力作用下失稳相同，作用在支护结构背部的是主动土压力，后一种形式与一般的边坡失稳相似，在普通挡土墙设计中也要考虑，所以均可按重力挡土墙加筋土挡墙设计中的方法进行验算。

2.2 体内破坏。

此时可能的破裂面发生在土钉结构内部，穿过土钉加固区域的全部或部分，边坡被破裂面分成稳定区和不稳定区两部分。体内破坏还包括土钉复合体的局部称定破坏，可能发生的三种类型的土钉破坏，一是土钉在稳定区内由于抗拔力不足而被拔出，二是土钉在最大拉力处被拉断，三是土钉端头与面板连接处破坏或面板破坏。

3. 土钉结构的工作机理

目前，一般认为土钉支护机理是以新奥法理论为基础，在土钉体作用下，把潜在滑裂面之前的主动区的复合土体视为具有自承能力的稳定土体，以阻止土体侧向位移，支承未加筋区域土体的侧压力，保证土坡的稳定性，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。这种观点对于解释土钉支护结构的外部整体稳定性（抗滑、抗倾覆、支护结构底部土体极限承载力）是合理的，然而却无法解释支护结构内部稳定性与钉土相互作用有关的许多问题。实际上土钉支护机理极其复杂，它与许多因素有关，例如土体的物理力学指标，土钉本身的强度、几何尺寸、布置方式等。因此，许多学者从摩擦加筋机理、增强机理等方面进行研究。

3.1 摩擦加筋机理。

图1 摩擦加筋机理

（1）图1为土钉支护结构示意图，其中AB为潜在的滑裂面，潜在滑裂面将支护结构分成主动区和稳定区两个区域，主动区ABC产生的水平推力通过与土钉间的相互作用与面层AC一起在土钉中形成拉力，有将土钉从稳定区拔出的趋势，稳定区的土与十钉间的摩阻力却阻止土钉被拔出。如果主动区土体的水平推力为稳定区钉土之间的摩阻力所平衡，则整个土钉支护结构的内部稳定性就可以得到保证。

（2）随着基坑开挖的进行，土体所受的周围应力逐渐减小，有可能发生剪切破坏，剪切破坏是通过土粒的剪切滑动来实现的，具体表现为跳过或剪断相邻的土颗粒，置入土钉体后，土颗粒与土钉之间产生摩擦阻力，使土钉阻碍土粒的剪切移动.可以通过取一个土钉的微元段来分析钉士之间的摩擦力，如图1（b）。垂直作用在宽度为b 的土钉体上的垂直力为Ν ，则作用在长度dl 土钉体上下两侧所受的垂直力为2Νb×dl ，由土的水平推力在该微分段所引起的拉力为dT =T1-T 2，土颗粒与土钉体之间的摩擦系数为f 如果2N fb dl>dT cosβ则钉土之间就不会产生相互滑动，如果每一层拉筋均能满足此要求，则整个土钉结构的内部抗拔稳定性就得到了保证，从而也就不会出现图1（ a ）中的滑裂面AB 。工程界在进行土钉支护抗拔稳定性和整体稳定性验算时一般均基于该理论。

3.2 增强机理。

3.2.1 边坡土体的应力是随着土体的开挖而变化的。土体未开挖时，土中侧向应力σ3 = k0σ1，0k为静止土压力系数，摩尔圆如图2中的a 圆，随着土体的开挖，3σ减小，摩尔圆左移，当3f01σ=kσ时，土体达到朗肯主动状态，aK为主动土压力系数，此时摩尔圆与强度包线相切，土体破坏（图2 中的b 圆）。因此，阻止侧向应力3σ的减小，或提高土体的抗剪强度指标，都可以使土体不发生破坏。

图2 土体的应力变化

（1）附加侧向压应力。

土钉的增强机理之一就是在钉间土中产生了附加侧向压应力3Δσ。土钉边坡支护后的土体可以看成是各向异性的复合材料，通常土钉的拉筋采用钢筋，其弹性模量远大于土体。在土体发生变形的条件下，土钉与土体的相互作用将在界面上产生摩阻力，土钉中产生拉力，因而相当于在土单元中产生附加侧向压应力3Δσ，限制土的侧向膨胀。附加的侧向压应力使摩尔圆右移而远离强度包线，从而使土体保持平衡（图3），由此可以看出，土体与土钉之间的摩擦性能是土钉加强土体的基本因素。

图3 附加侧向压应力

图4 附加粘聚力

（2）附加粘聚力（见图4）。

x

3.2.2 由此可见，土钉置入一方面使摩尔应力圆右移，减小土体承受的剪应力，另一方面土与土钉组成的复合体使土体强度提高，使弹性域增大，破坏区域上移，并随着土体位移的增大，土钉发挥的作用越大，土与土钉协调作用，利用复合土体自身的整体强度与刚度.通过改善并调整其应力分布，达到安全稳定的目的，这与传统的被动制约支挡体的作用原理不同。被动制约提供了侧向平衡力，使摩尔应力圆右移，减小了土体中的剪应力，但并未使土体强度提高，破坏区域并不能上移。

4. 结束语

土钉支护技术是近年来刚发展起来的一种新型支护技术，己得到广泛的应用。土钉支护结构的工作机理一般可以用摩擦加筋机理、增强机理等方面来解释。土钉和土体的界面摩阻力使钉土之间不会产生相互的滑动，从而提高了土钉结构的内部稳定性。以附加粘聚力的形式则一方面可以减少土体承受的剪应力，另一方面土与土钉组成的复合土体使土体强度提高，使弹性域增大，破坏域上移，并随着土体位移的增大，土钉发挥的作用越大，土与土钉协调作用，利用复合土体自身的整体强度与刚度，通过改善并调整其盈利分布，达到安全稳定的目

的。

参考文献

[1] 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，2002.12.

[2] 曾宪明，黄久松，王作民等. 土钉支护设计与施工手册[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2000.8.

[3] 尉希成，周美玲. 支挡结构设计手册[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2004.6.

[4] 秦四清等. 土钉支护机理与优化设计[M]. 北京：地震出版社，1999.5.

[5] 宋二祥，张明聚. 深基坑开挖的土钉支护设计计算方法[J]. 深基坑开挖土钉支护研讨会.1996.6.

[6] 宋二祥，陈肇元. 土钉支护技术及其有限元分析[J]. 工程勘察.1996 年第二期.

[7] 张明聚，宋二祥. 土丁支护的三维有限元分析[J]. 工程勘察.1996 年第二期.

[文章编号]1619-2737（2015）05-22-360