土钉支护的设计与应用

苑金秒，张芳芳

（山西大同大学煤炭工程学院，山西大同037003)

土钉支护的设计与应用

苑金秒，张芳芳

（山西大同大学煤炭工程学院，山西大同037003)

土钉墙是常用的基坑支护方法之一。文章对土钉墙的支护特点、适用范围、设计方法作了论述，并结合工程实例，对土钉墙的设计方法进行了探讨，以供同行参考，进一步揭示其优越性。

土钉墙；土压力；设计；稳定性

近些年，随着城市建设规模的快速拓展，基坑工程也众所瞩目，规模之大，深度之深，周边环境复杂，成为岩土工程发展中最为活跃的领域之一[1]。

1 土钉支护简介

土钉支护(Soil Nailing)是基于新奥法（NATM）原理发展起来的一种新型原位土体加固技术[2]，该技术目前被广泛应用于开挖支护和边坡加固工程中。土钉支护由土钉（即：土中置入较密间隔的细长杆体，如钢筋、钢管等，周围再辅以压力注浆）与加固了的土体作为挡土结构，类似于重力式挡土墙。当土体发生变形时，土钉全长与土体接触界面上产生粘结摩阻力，使土钉被动受拉，加上开挖面上喷射钢筋混凝土面板的约束，使复合土体的力学性能得以改善，自稳能力和整体刚度得到提高，起到制约边坡土体变形、提高边坡整体稳定性的效果。典型的土钉支护结构包括原土中的土钉、喷射混凝土面层以及被加固的土体，见图1。

图1 土钉支护结构构造示意图

2 土钉支护设计参数选择

土钉支护结构的设计内容，见图2，可参考工程类比和工程经验进行结构尺寸与材料参数的选择。重要工程设计时，宜结合相关有限元软件进行受力分析。

图2 土钉支护结构的设计

2.1土钉的间距

土钉的间距大小直接影响到其整体作用效果，选择的原则是以每个土钉注浆体对周围土体的影响区域应与相邻土钉注浆体的影响区域相重叠为准。土钉的水平和竖向间距宜为1～2 m，当基坑较深、土体强度较低时，应取小值[3]。土钉的竖向间距应与每步开挖深度相对应，沿面层布置的土钉密度不应低于6 m2/根。

2.2土钉的倾角

土钉与水平线之间的向下的夹角称为土钉的倾角，一般宜为5～20°，其值应由土层特性和施工条件综合确定。研究表明，倾角越小，支护的变形越小，但注浆质量较难控制；倾角越大，支护的变形越大，但有利于土钉插入下部较好土层，注浆质量也易于保证[4]。当采用压力注浆且有可靠排气措施时，倾角宜接近水平。软弱土层中，可适当加大倾角，以便土钉向下进入强度较高的土层中。若遇到障碍物时，必要时适当调整钻孔的位置和方向。

2.3土钉的材料

土钉可采用钢筋、角钢和钢管等。当采用钢筋时，钢筋直径应根据土钉抗拔承载力设计要求确定，宜取 16～32 mm，钢筋级别选择 HRB335或HRB400，成孔直径宜取70～120 mm，土钉钢筋保护层厚度不宜小于20 mm；采用角钢时，一般为L5×50×50角钢；采用钢管时，钢管的外径不宜小于48 mm，壁厚不宜小于3 mm。

2.4喷射混凝土面层

喷射混凝土面层的厚度一般取80～100 mm，混凝土强度等级不低于C20，三天强度不应低于10 MPa。该面层中应配置钢筋网和通长的加强钢筋：钢筋网宜采用直径6～10 mm的热扎光圆钢筋，间距宜取150～250 mm，钢筋网间的搭接长度应大于300 mm；加强筋的直径宜取14～20 mm，当充分利用土钉杆体的抗拉强度时，加强筋的截面面积应大于土钉杆体截面面积的一半。面层厚度大于120 mm时，宜设置双层钢筋网。土钉钢筋与面层喷射混凝土可以通过钢垫板、螺帽垫圈等方式连接，土钉与面层钢筋应与加强筋焊接，加强筋连接相邻的土钉。

3 土钉设计计算

3.1土钉的抗拔承载力计算

3.1.1单根土钉的极限抗拔承载力计算

应符合下式规定（满足抗拉拔强度）[5]：

式中：Kt为土钉抗拔安全系数，安全等级为2级和3级的土钉墙，不应小于1.6和1.4；Nk,j为第 j层土钉的轴向拉力标准值，kN；Rk,j为第 j层土钉的极限抗拔承载力标准值，kN。

3.1.2土钉极限抗拔承载力标准值

可按下式估算：

式中：Rk,j为第 j层土钉的极限抗拔承载力标准值，kN；dj为第 j层土钉的锚固体直径，成孔注浆时取成孔直径，打入钢管取管径，m；qsik为第 j层土钉在第i层土的极限粘结强度标准值，kPa；li为第 j层土钉在滑动面外第i土层中的长度，m。

计算单根土钉极限抗拔承载力时，取图3所示的直线滑动面，直线滑动面与水平面的夹角取(β+φm)/2。

图3 土钉抗拔承载力计算

3.2土钉的拉力计算

土钉的轴向拉力标准值：

式中：ζ为墙面倾斜时的主动土压力折减系数，墙面倾斜时ζ≤1，墙面垂直时ζ＝1；ηj为第j层土钉轴向拉力调整系数，最上层土钉ηj≥1，最下层土钉ηj≤1；pak,j为第j层土钉处的主动土压力强度标准值，kPa；sxj、szj为土钉的水平和垂直间距，m；β为墙体坡面与水平面的夹角，(°)；φm为基底面以上各土层的内摩擦角按土层厚度加权平均值，(°)；zj为第j层土钉至基坑顶面的垂直距离，m；h为基坑深度，m；ΔEaj为作用在以边长为sxj、szj的面积内的主动土压力标准值，kN；ηa为计算系数，每层土钉的计算系数相同；ηb为经验系数，可取0.6～1.0；n为土钉层数。

土钉杆体的受拉承载力（满足抗拉断强度）：

Nj≤fyAs

式中：Nj为第j层土钉的轴向拉力设计值，Nj＝γoγFNk，kN；fy为土钉杆体的抗拉强度设计值，kPa；As为土钉杆体的截面面积，m2。

4 工程算例

某基坑拟采用土钉支护，高度为4 m，地下水水位埋深大于20 m。坡面与水平面夹角70°，地面超载20 kPa，安全等级二级。土层参数：γ＝20 kN/m3，c＝10 kPa，φ＝20°，土钉与土层的极限粘结强度标准值qsik＝50 kPa，经验系数为0.6。场地内未见特殊类土层分布，属于建筑抗震一般地段，非液化场地，且不考虑震陷影响。

4.1设计计算

（1）初设沿坡面垂直方向均匀布置2排土钉，第一层土钉距坡顶1.0 m，第二层土钉距坡顶3.0 m，土钉水平间距2.0 m，土钉倾角15°。

土钉杆体采用钢筋，直径16 mm，强度等级HRB400，锚固体直径120 mm。土钉与土层的极限粘结强度标准值qsik＝50 kPa，经验系数0.6。

（2）计算轴向土压力标准值Nk,j。

Ka=tan2(45∘-20∘/2)=0.49

第一层土钉：

折减后的轴向土压力标准值：

（3）以第二层为例计算土钉有效锚固长度。

基坑安全等级二级：

有效锚固长度：

（4）以第二层为例验算土钉杆体受拉承载力。

N2=γoγFNk=1.0×1.25×56.4=70.5kN＜ fyAs，满足要求。

同理，验算第一层土钉的有效锚固长度和受拉承载力均满足要求。

4.2电算复核

采用理正深基坑支护结构设计软件7.0进行验算。计算时采用有限元法，考虑了土钉墙结构与墙后土体有空间整体协同作用。选用增量法，也就是按照各施工工况，施加相应的荷载，能比较真实的模拟出基坑开挖的整个过程，同时也可以考虑施工过程中开挖顺序对支护体系的影响。按各施工工况的最不利内力组合进行设计，也对基坑稳定性、墙身材料的承载力等进行验算，经计算均满足相当规范要求。

5 小结

（1）本文结合土钉支护的基坑工程实例，合理设计了土钉的长度、间距，对土钉的有效锚固长度和受拉承载力进行验算。并用软件进行校核，证明土钉墙支护技术是切实可行的。

（2）土钉支护的作用机理是通过土钉与土体接触界面上的黏结力或摩擦力，使土钉受拉，从而约束土体的变形。土钉一般也不施加预应力。

（3）土钉墙支护结构通常适用于地下水位较低、自立性较好的地层。因其造价低廉、施工便捷等优点，近些年在我国得到大力推广，随着现代化建设的步伐加快，以后在工程建设中将拥有更为广阔的前景。但在地下水丰富的软弱地质条件下，如我国沿海地区，地层通常为疏软的杂填土或淤泥质土下为深厚的淤泥质粘土，土体强度偏低，且若深基坑工程位于城市中心，周边建筑物密集，环境复杂，土钉支护技术在该地区的应用受到很大的挑战。

[1]张芳芳,李林.水泥土挡墙的设计与应用[J].山西大同大学学报(自然科学版),2014,30(3)：63-65,68.

[2]张艳美,卢玉华,程玉梅,等.基础工程[M].2版.北京：化学工业出版社,2011：231-235.

[3]中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑基坑支护技术规程：JGJ 120-2012[S].北京：中国建筑工业出版社,2012.

[4]袁聚云,李镜培,楼晓明.基础工程设计原理[M].1版.上海：同济大学出版社,2002：182-191.

[5]曾亮.专业案例一本通[M].北京：华南岩土出版社,2014.

Design and Application of Soil Nailing Wall

YUAN Jin-miao,ZHANG Fang-fang
(School of Coal Engineering,Shanxi Datong Unversity,Datong Shanxi,037003)

Soil nailing wall is one of supporting methods commonly used in the foundation pit engineering.In this paper,its characteristics,scope of application and design method are introduced.Combined with engineering example,the analysis of design process as follows for the colleague reference,and its superiority can be further revealed.

soil nailin wall；soil pressure；design；stability

TU471

A

〔责任编辑 王东〕

1674-0874(2017)01-0063-03

2016-06-20

苑金秒(1979-)，女，河北衡水人，助教，研究方向：土木工程。