复合土钉加固结构支护原理分析

韩 凯

（太原市炘凯海威公路工程技术咨询有限公司， 山西 太原 030000）

1 复合土钉加固结构构造及形式

软弱边坡结构在长期外部荷载和自重作用下很容易出现不同程度的垮塌和大变形病害，必须采取必要的支护和加固结构以控制此类病害的出现；在工程支护工程实践中，为了提升土钉结构的自身承载能力和抗变形刚度，复合土钉结构已经基本代替了传统土钉结构，目前省内常用的复合土钉结构主要有钻孔灌注土钉、锤击土钉及锚杆注浆土钉等几种。

钻孔灌注土钉应先在对应加固位置钻孔、成孔，将预制完成的钢筋骨架吊装到指定孔道内，采用高强度混凝土注浆夯实，经钻孔灌注制作的土钉结构外部全部被混凝土材料包裹，为了确保土钉结构的按照精度和可靠性，且土钉周围应保证混凝土保护层的厚度满足设计要求，在土钉周围以3m为标准布设支撑架，土钉内置入的钢筋骨架应使用直径介于20mm-30mm的带肋钢筋，钢筋型号为HRB400型，由于钻孔灌注成孔技术对施工单位的施工技术能力和施工机械设备配套的要求较高，在工程实践中应用相对较少。

锤击土钉施法的主要原材料为高强度角钢和型钢，使用高强度型钢和钢筋材料代替土钉结构，借助冲击锤击技术将土钉击入对应支护位置，锤击土钉施工技术不注浆，但由于土钉在锤击过程中与支护土体的接触面积相对较小，且土钉入土长度较小，锤击施工技术一般适用于土体质地松软，存在比例较大放坡的结构支护工程中。

锚杆注浆土钉技术主要应用在地质条件较差，岩体坚硬的区域，锚定管使用直径不小于36mm的专用钢管，锚定管的管壁厚度应低于3mm，为了保证顺利入土，锚点管端部应设置为倒锥形，管壁间距值应介于 200mm-400mm范围内，为了保证锚固注浆的顺利进出，应布置直径不小于7mm的出口管，如果短时间出浆数量大，应在端部布设倒刺型型钢，锚定土钉借助机械或人工锤击入土。使用锚定注浆施工技术时，为了保证注浆材料的质量和可靠性，应先使用清水冲刷管道内壁和外壁，内壁冲洗标准应以流出洁净的清水为宜，在锚定注浆过程中，为了保证注浆浆液可以充满管道内部，应保证注浆压强不低于0.8MPa，且注浆充满管道内部以后应保持高压状态不少于8min；如果出现长期的久注不满的问题，应及时清理和排除管道内部的水泥浆液，防止注浆材料外溢或者渗透到地表，必要情况下，可以采取间歇式注浆施工技术缓解渗透压力。

2 复合土钉支护结构原理分析

工程试验证明，采用垂直的复合土钉加固技术同比素边坡支护结构的土体承载能力至少高1.2倍，且土钉结构在外荷载作用下的借助土钉和土体结构的相互作用和摩擦力不至于出现瞬间的崩塌病害，极大地改善了土体的塑性变形能力和延性破坏能力。素边坡土体的抗剪强度较低，与抗剪强度相比，土体的抗拉强度基本可以忽略，一般认为土体不具有抗拉性能，由于素边坡土体的抗拉及抗剪性能均较差，在外部冲击荷载的扰动作用下，素边坡土体很容易出现严重的瞬间垮塌病害，而借助土钉结合与素边坡土体形成可靠的摩擦结构，能够始终保持边坡在外荷载作用下的临街高度满足设计要求。通常情况下，土钉支护结构本质上属于一种被动型支护结构体系，土钉类似于边坡挡土墙可以承受来自土体的侧向荷载，以提升边坡结构的整体性和荷载稳定性，防止边坡土体出现严重的荷载失稳病害；土钉支护结构体系主要是将土钉支护结构埋设在边坡土体内部，保证边坡土钉的长度和分布间距，实现土钉和边坡土体的协调变形，改善素边坡土体的自身稳定性和综合承载能力。

土钉结构用于边坡结构支护过程中的土钉结构、边坡土体与喷射混凝土衬砌结构共同形成一个受力体，借助土钉与素边坡结构的粘附、摩擦力，极大地改善了边坡土体的自身荷载稳定性和抗拉、抗剪强度不足的缺陷，提升了土钉-边坡复合结构的整体刚度指标，最大程度发挥了边坡土体的承载潜能。除了土钉与素边坡土体的粘附、摩擦作用下，土钉的另一个重要功能是挡土墙功能，土钉支护结构支护在素边坡结构最容易出现滑塔的位置，借助其支护作用提供滑移面上的土钉有效长度和素边坡之间的相互摩擦，以平衡土钉受到的拉应力，借助土钉自身的抗剪强度以平衡和维持土体因抗剪强度带来的剪切滑移。土钉结构在土体价格过程中由土钉和土钉打入的土体共同构成复合土体，充分发挥土钉的边坡骨架作用。除了土钉结构的骨架作用外，土钉有效长度深入到土体内部，能够有效约束边坡土体的塑性变形发展速率，土钉支护结构在长期大荷载作用下呈现的变形为持续性地、梯次化的荷载变形，这种变形约束作用是其他支护结构不具备的优势之一，土钉支护结构属于层次化的支护结构形式，在边坡开挖过程中，土体对外暴露时间较短，人为缩短了边坡土体应土钉打入过程中伴随的卸载作用时间和卸载变形值，对于控制边坡结构的长期稳定具有重要意义。

土钉支护结构在深入到边坡土体内部后，保持一定间距的土钉结构能够形成局部的拱架效应，但拱架效应的质量主要取决于土钉的施工质量，如果边坡土钉打入的间距值过大，且伴随边坡土体的抗剪强度较低，土体干密度值低等问题，打入边坡的土钉无法形成结构稳定的拱架，在外荷载的扰动作用下将出现严重的局部荷载失稳病害和侧向大位移，因此，边坡土体支护土钉无法建立可靠的拱架结构。为了防止出现这一问题，在布设土钉时应在端部增设面板，借助面板的表面积提高土体和土钉之间的相互作用力值，实现荷载的内部传递和良性引导。

3 总结

综上分析可知，复合土钉支护加固技术在工程实践中的应用日益广泛，尤其在软弱边坡结构的支护和加固中展现出绝佳的优势；本文在分析复合土钉支护及加固技术的基础上，明确了土钉加固的基本构造和形式，理清了复合土钉加固结构在控制变形、约束塑性变形发展方面的优势，阐明了复合土钉结构的支护和加固工作原理，为后续的工程项目推广应用提供了借鉴和参照。