新型外爪式钢管土钉受力性能研究★

黄 铖 张广兴 徐剡源 鲍远成 王能能

(1.同济大学浙江学院，浙江 嘉兴 314051； 2.宁波市镇海区建设交通工程安全质量管理中心，浙江 宁波 315000；3.杭州西南检测技术股份有限公司宁波分公司，浙江 宁波 315000)

0 引言

土钉支护是目前广泛应用于基坑及边坡支护工程中的一种方法，其常见的施工方式有两种：一种是在土中先钻孔，成孔后插入带肋钢筋并在孔中注入水泥浆液，浆液硬化后将土钉体与周围土体牢固粘结而构成一个整体。另一种是采用钢花管，可以直接打入基坑侧壁，打入后可以向管内注入水泥浆液，也可不注浆[1]。国内外研究人员针对水泥注浆体做了很多的试验、理论及有限元分析，如注浆体、注浆参数等对土钉受力性状影响的研究[2-4]。还有针对水泥浆液的改性研究，分析诸如纳米材料等外掺剂对固化水泥浆体受力特性的影响[5，6]。还有一部分研究针对土钉结构的改进，如自平衡高压注浆钢管土钉、新型装配式可回收土钉、螺旋式土钉等，并针对改进的土钉进行了受力性能等方面的试验与分析[7，8]。研究结果表明，好的结构改进对土钉受力性能的改善、施工的便捷及环保的改善等有着良好的效果。

因此，本文从土钉的受力机理及施工优化等方面考虑，研发了一种外爪式钢管土钉，该土钉结构可从钢管钉体内部通过侧壁孔伸出外爪，外爪伸入土体对钉体本身产生锚固效应，进而使土钉抗拔力有明显提升作用。并且具有施工快速，操作简便，施工完成即可受力，可回收利用等优点。通过对粘性土中外爪伸出长度为20 cm，25 cm，30 cm的外爪式土钉与普通钢管土钉进行的抗拉性能对比试验，分析了其受力性能的差异以及外爪长度对土钉受力性能的影响。对所研究的外爪式土钉与普通钢管土钉在基坑开挖后进行土钉墙整体圆弧滑动稳定性计算，得到各工况下土钉墙的圆弧滑动稳定安全系数的差异。

1 外爪式土钉结构

通过对钢管土钉结构的改进，研发了一种外爪式钢管土钉结构(专利号：201921343433.1)，如图1所示，该土钉包括自下而上延伸的外管，外管的上端具有开口端、下端具有封闭端(可以设螺旋头)，外管壁上设置侧孔，外管内设有自上而下插入的内杆体，内杆体的壁面上有与外管壁上侧孔数量及位置均相同的弹性爪片，弹性爪片与外管壁上侧孔的数量及位置均相同且一一对应，内杆体与外管装配好之后，外爪尚未伸出外管壁孔，此时可将土钉直接打入土中，进入到设计位置后，对内杆体施加压力荷载，弹性爪片开始伸出并插入到土中，爪片全部伸出后通过在外管和内杆头部附近的预留孔插入插销将两者固定，形成整体来抵抗拉力。工程完成后即可将插销取下，拔出内杆及外管重复使用。

外爪式土钉在受拉荷载作用下，由于外爪的存在，其受力机理要比普通钢管土钉更为复杂。普通打入式钢管土钉受拉时主要由钉土之间的侧壁摩阻力提供抗拉力，而外爪式土钉抗拉力主要由钉土侧壁摩阻力和外爪锚固力两部分组成，外爪锚固力主要来源于土钉外爪对上方土体的压缩导致土体产生的反力和外爪边缘剪切土体而使土体产生的抗剪切力，如图2所示。

2 外爪式土钉抗拉性能试验分析

为了研究长度和直径均相同的外爪式土钉与普通钢管土钉受力性能的差异，以及外爪长度对土钉受力性能的影响，设计了现场抗拉试验进行研究。试验区域为嘉兴某处黏性土地层，其土层的各项物理及力学指标如表1所示。

表1 土层的参数

本试验一共制作了4根土钉，钢管直径为89 mm，壁厚4.5 mm，土钉有效长度(即入土深度)为1.0 m，钢管总长度为1.25 m。其中1号、2号、3号为外爪式土钉，分别对应的外爪长度为20 cm，25 cm，30 cm，钢管壁上进行了开孔，孔径为50 mm，外爪可以从孔内伸出，4号为普通钢管土钉。土钉打入后对其进行抗拉试验，试验方案如表2所示。

表2 土钉抗拉性能试验方案

土钉打入15 d后，进行土钉抗拉试验，如图3所示，试验加载设备采用穿心千斤顶，用百分表记录土钉上拔量，每根土钉施加10级荷载，每级荷载施加间隔1 h，记录得到各级上拔荷载作用下土钉的上拔量，并将试验结果绘制于图4中。

对比上面的试验结果可以看到，在相同的位移下，3号土钉的抗拔力最大，2号土钉的抗拔力次之，1号土钉的抗拔力再次之，4号土钉的抗拔力最小，在位移量皆为10 mm时，以4号钢管土钉为对照，1号土钉抗拔力是4号钢管土钉的1.3倍，2号土钉抗拔力是4号钢管土钉的1.75倍，3号土钉 抗拔力是4号钢管土钉的1.875倍。由此可见，外爪长度对抗拔力有较大影响，在本次试验的20 cm～30 cm外爪长度的范围内，土钉抗拔力随外爪长度的增加而增大。

分析其原因，外爪土钉通过外爪伸入土体，可以对土钉侧壁产生一定锚固力，进而土钉体抗拔力会有较大提升，且外爪在受力时，随着力的增加，外爪由“放松”阶段转入“绷紧”受力阶段，在弹性阶段能提供不断增加的锚固力。同时土钉施工时，对土钉侧壁的土体有一定的挤土作用，能提升土体的抗剪强度。因此，外爪土钉与常规钢管土钉相比，具有更好的抗拉性能。不同外爪长度对土体的锚固力不同，外爪越长，伸入土体的长度随之也越长，外爪表面与土体接触面积也越大，受外爪影响的土体面积，能给外爪提供反力的土体影响范围也就越大。

从试验结果也可以看到，4种土钉在破坏时(取曲线陡升段的起点荷载值)，最终的极限抗拉承载力差异较大，4号土钉极限抗拉承载力为3.8 kN。1号土钉极限抗拉承载力在4.7 kN。2号土钉极限抗拉承载力在7.8 kN左右。3号土钉极限抗拉承载力在8.2 kN左右。极限抗拉承载力与外爪长度有较大相关性，外爪越长，土钉极限抗拉承载力越大，外爪土钉具有较好的抗拉性能。但当外爪长度从25 cm增加到30 cm时，极限抗拉承载力的增加幅度有所降低，以此推测外爪长度也并不是越长越好，外爪越长其悬臂受到的弯矩也越大，需考虑制作经济性和打入可行性而综合分析。

3 外爪式土钉墙稳定性分析

对上述4种土钉在基坑开挖后进行土钉墙整体圆弧滑动稳定性计算，通过理正深基坑支护设计软件计算最危险滑动面，得到各工况下土钉墙的圆弧滑动稳定安全系数，如图5所示。4种土钉的钉土间侧壁摩阻力根据前述现场试验中得到的极限拉力比值结果来取值。工况1～工况5的开挖深度分别为1.7 m(尚未打入第一层土钉)，2.9 m(尚未打入第二层土钉)，4.1 m(尚未打入第三层土钉)，5.3 m(尚未打入第四层土钉)，6 m(已打入第四层土钉)，从图5中可以看到，工况1由于尚未打入土钉，安全系数取决于土体自身稳定，故4种土钉均相同。在其他工况下，外爪式土钉支护的整体圆弧滑动稳定安全系数均大于普通钢管土钉，且相同工况下，不同外爪长度土钉的整体圆弧滑动稳定安全系数随外爪长度的增加而增加。

4 结语

本文研发了一种外爪式钢管土钉，通过现场抗拉试验研究了长度和直径均相同的外爪式土钉与普通钢管土钉受力性能的差异，分析了外爪长度对土钉受力性能的影响。对所研究的外爪式土钉与普通钢管土钉在基坑开挖后进行土钉墙整体圆弧滑动稳定性计算，得到各工况下土钉墙的圆弧滑动稳定安全系数的差异，最终得到了以下结论：

1)试验范围内外爪式土钉极限抗拔承载力均高于相同尺寸的普通钢管土钉。外爪长度对抗拔力有较大影响，在本次试验的20 cm～30 cm外爪长度的范围内，土钉抗拔力随外爪长度的增加而增大。但当外爪长度从25 cm增加到30 cm时，极限抗拉承载力的增加幅度有所降低，以此推测外爪长度也并不是越长越好，需考虑制作经济性和打入可行性而综合分析。

2)外爪式土钉支护的整体圆弧滑动稳定安全系数大于普通钢管土钉，且相同工况下，此安全系数随外爪长度的增加而增大。