土钉(墙)与土(层)锚(杆索)的比较及在温州地区的应用(无英文翻译)

0土钉（墙）与土（层）锚（杆、索）的比较及在温州地区的应用王瑞1，胡启平2，徐佩林1（1温州中城建设集团有限公司，浙江温州325000；2苏州工业园区华成房地产开发有限公司，江苏苏州215021）[摘要]土钉和土锚在结构形式和施工工艺上具有的相似性，以及我国建筑工程科研大大滞后于大规模工程建设实践的现实，使两者发生混淆。本文试从概念、机理、结构、承力体系、应力分布与形变等多角度对两者进行初浅的比较分析，以供参考。[关键词]土钉；土锚；比较分析；工程应用1绪言我国土钉（墙）支护（以下称土钉）的产生是工程界根据“新奥法”和“桩—锚”结构相结合而演变发展过来的，新奥法的基本思路是利用喷—锚—网形成的柔性支护取代传统的钢筋混凝土刚性衬砌，它的先进之处在于调动隧道围岩的强度承受围岩产生的形变压力[1]。该方法在上世纪九十年代由工程兵三所等大规模用于基坑开挖时的边坡支护，因而人们也就习惯地称作“喷—锚—网”支护。另一个起源是桩—锚结构以排桩（如钢板桩、钢筋混凝土板桩、钻孔灌注桩等）和地下连续墙作为超前支护在基坑开挖之前打入地层，开挖过程中约束地层变形并承受桩后水土压力，开挖一定深度施作土层锚杆，并通过张拉土层锚杆，以预应力形成平衡墙后水土压力，即土（层）锚（杆、索）支护（以下称土锚）。由于该方法具有经济可靠、施工灵活、投入作业机具少，特别适应城市环境采用，又因恰逢我国大规模城镇化和小康社会建设对多层建筑和高层建筑的地下室、地下地库及地铁车站等工程施工之所需，特别是复合土钉技术的开发与应用又将其应用1范围扩大到高水位及比较松软的软弱土层后，使土钉支护包括沿海地区在内的广大地区得到前所未有的广泛应用。上述演变就使工程界在设计土钉支护时明显带有“喷—锚—网”和“桩—锚”结构的痕迹，而且两者在结构形式和施工工艺上具有一定的相似性，还由于我国工程建设发展速度快、规模大，对工程建设研究远远落后于工程施工实践，工程科学研究滞后的状况非常突出，土钉与土层锚杆概念混淆就使其中之一，应予以厘清。2概念土钉。边挖土边从上而下设置土钉的过程中，土层边坡土体的稳定度会有部分丧失，设置土钉的目的在于保持边坡土层剩余稳定度不致继续丧失，或其剩余稳定度的消失过程尽可能缓慢一些，使基坑地下室结构施工期间能安全进行。土锚。是承受结构物的上托力、抗拔力、侧倾力或挡土墙的土压力、水压力的受力维护结构物的支护稳定体系。3受力机理土钉。被动受力。一般不施加或相对施加较小的预应力，边坡土体稳定未发生变形或位移时，土钉不承受任何应力，只有在土体产生变形和位移时才承受土体的摩阻力。土钉受力区位于土体滑移面两侧，土钉承受两组应力，一组是拉应力，其一是指向坑内引起土体变形与位移的拉应力，另是指向坑背阻滞土体变形与位移的拉应力，在基坑边坡土体还未发生滑移前这两个方向相反的拉应力相等，使土钉发挥约束土体变形的作用。由此可见，从提高土钉约束土体变形作用的角度看，基坑边坡潜在滑移面以内的土钉自2由段还是以不注浆更为有利。再一是平行于滑移面的一组剪切力，在土体尚未发生滑移时这组方向相反的剪切力处于平衡状态，在土体沿滑移面发生下滑的瞬间，这组应力的平衡被破坏[2]，土钉被拔出，同时还承受土体下滑的推力，使其发生弯曲。其受力机理视图1之A。土锚。主动受力。依靠锚杆提供的拉拔力平衡刚性桩体上承受的水土压力。一种主动式的受力杆件，在锚（杆、索）设置后通过施加较大的预应力，在土体或支护结构未产生位移之前，锚杆已处于受力状态，以防止支护结构发生变形或位移。为保证锚杆更好发挥承力作用，消除注浆凝固过程中的收缩现象而影响锚杆的嵌固程度，需要进行二次压力注浆，以填充第一次注浆与孔壁之间的缝隙。其受力机理[3]视图1之B。土层边坡滑移面砂浆拉力拉力τ土层砂浆拉力μτdDB土锚A土钉μτ—孔壁对砂浆的平均摩阻力；μ—砂浆对钢筋的平均握裹力；d—钢管筋直径；D—锚杆直径图1土钉、土锚受力机理示意图4支护结构土钉。柔性支护系统。由土钉+钢筋混凝土喷射砼面层组成。钢筋混凝土喷射砼面层后可以有水泥搅拌桩排桩、钢拔桩或旋喷桩排桩等柔性桩墙。但更多见的是作倾斜边坡面喷射砼面层+土钉的形式。见图2支护结构图之A。土锚。刚性结构。由土锚（杆、索）+排桩（刚性）组成。桩墙可以是树根桩、钻孔3灌注桩、型钢桩、SMW桩、地下连续墙等刚性桩墙。土锚由自由段和锚固段构成，锚固段通过压力注浆嵌固于稳定地层中，通过自由段与刚性桩墙接连成支护体系。qRqh2Nuj31hβ（β+φk）/254TujB土锚A土钉1喷射混凝土面层2土钉3柔性挡墙4刚性挡墙5土锚图2支护结构示意图5受力体系土钉。土钉体与土体的摩阻力。土钉以注浆体与土体的握裹力阻滞边坡岩土体的变形与位移。土钉端头垫板或焊接只起到使喷射混凝土砼面层受力均匀的作用。喷射混凝土砼面层还有防止土体局部坍塌、将土钉联成整体、防止并保护土钉端部减缓锈蚀的作用。土钉全长注浆，不分自由段与锚固段，分布密而长，6～12m多见，间距1～1.5m，打设角度5°～15°，单根土钉承拉力在100kN以下。边坡土体受弹性拉应力。土钉墙整体稳定性验算按下式计算[4]：siksdiuql式中：u——土钉轴向受拉承载力设计值；d——土钉锚固体直径；il——土钉在直线破裂面外穿越第i层稳定土体内的长度；4sikq——土钉穿越第i层土土体与锚固体的极限摩阻力标准值，应根据当地经验取值；s——土钉轴向受拉抗力分项系数，可取1.3。土锚。锚固段与土体的摩阻力+锚固体端部阻力。土锚分自由段和锚固段，只有锚固段承载拉力。土锚端部支座为传力结构，将岩土体对刚性墙体的压力传递到设于稳定地层中的锚固段。只有锚固段进行压力注浆。土锚分布稀、锚固段长一般6～8m，间距2m以上，自由段必须足够长，而且应永远自由，否则将减少其抗拔力。打设角度20°～45°。单根锚杆承拉力在400kN以上，因此须考虑锚杆截面尺寸的变化，端部扩孔处粘聚力的影响等。锚杆轴向受拉承载力设计值可按下式计算：22sik1sjk1d2ijksNuqlqlcdd式中：Nu——锚杆轴向受拉承载力设计值；d——非扩孔锚杆或扩孔锚杆直孔段锚固体直径；1d——扩孔锚固体直径；il——第i层土中直孔部分锚固体长度；jl——第j层土中扩孔部分锚固体长度；sikq、sjkq——土体与锚固体的极限摩阻力标准值，应根据当地经验取值；kc——扩孔部分土体粘聚力标准值；s——锚杆轴向受拉抗力分项系数，可取1.3.6边坡岩土体水土压力分布及其变形曲线土钉。边坡土体承受水土压力的分布从上而下由大变小，边坡土体变形位移最大处5位于边坡顶部。见图3土钉、锚杆土体水土压力分布及变形差异曲线图之A。土锚。边坡土体承受水土压力的分布自上而下除顶部由小到大增长较快外，到中下部基本保持不变。边坡土体的变形位移最大处位于边坡的中下部。见图3土钉、锚杆土体水土压力分布及变形差异曲线图之B。δA土钉B土锚变形曲线水土压力分布线变形曲线水土压力分布线δ图3土钉、土锚土体水土压力分布及变形曲线图7承力杆件拉拔力分布土钉。边坡土体受拉应力作用，沿土体潜在滑移面（带）分布，应力强度呈现自上而下由大变小的趋势。见图4承力杆件受力分布图之A。土锚。边坡土体受压应力作用，作用于土锚锚固段，力的大小呈现近自由段较大，向后逐渐变小的趋势。见图4承力杆件受力分布图之B。A土钉B土锚潜在滑移面图4承力杆件受力分布图8作用与功能6土钉。①使不平衡不稳定状态的边坡岩土体建立起新的受力条件下的平衡与稳定，即剩余平衡与稳定状态；②使潜在滑移面后移，降低岩土体发生变形滑移破碎的机率。用于边坡加固、控制变形。多用于临时性支护。影响加固的主要因素是土钉的长度和超前支护。土锚。依赖锚固段与地层中的粘结力将作用于刚性桩上的水土压力传递到稳定的地层中，以维系体系的安全。用于边坡支护，维护岩土体稳定。多用于永久性支护或对结构变形与位移要求较高的临时性支护。整个支护结构都对支护发生作用。9适用地层土钉。适用于除流砂、杂填土和黏结力很低和含水丰富土层以外的土层。土锚。适用于各类土层、岩石基岩等地层。10破坏方式土钉。被拔出或头部焊接处拉脱，整个边坡土体沿滑移面向基坑坑底滑移，基坑底部土体上隆，构不成重力坝倾覆破坏模式，对现场人员不会造成伤亡，但会使基坑内的基桩发生大面积桩头弯曲桩位超差甚至断桩。同时会引起基坑周边道路、建筑物的不均匀沉降甚至坍塌。见图5边坡破坏示意图之A。土锚。被拉断或拔出，整个边坡向基坑内坍塌，会造成现场人员伤亡。对坑旁基桩挤推位移影响较大。同时也会引起基坑周边道路、建筑物的偏斜甚至造成重力坝式倾倒坍塌。见图5之B。7滑移面地表滑移面裂隙A土钉B土锚图5边坡破坏形式示意图11土钉支护在温州地区的应用温州地区的新建建筑一般设一层地下室，基坑开挖深度多不超过7m。基坑施工涉及的地层自上而下分三层，地表杂填土，厚0.70～2.30m，其下为软塑状粘土，层厚1.30～2.80m，该层被俗称为当地的“硬壳层”，物理力学性能尚好，再往下就是流塑状淤泥。2006年以前，当地基坑支护几乎清一色的采用土钉支护，基坑质量事故频发。诱发基坑事故的主要原因有：1、上层土钉设置偏短。未充分调动上部土层覆盖深度为4m左右的“硬壳层”物理力学性能较好的特点，上皮土钉发挥承力最早，承力时间最长，承受的拉应力最大，使基坑边坡土体自身的稳定性在施工过程逐渐积累损失较大；2、边坡超前支护选材不当。一般多采用松木桩作为超前支护材料，实践证明松木桩作边坡垂直超前支护一是深度不够（4～6m），二是沉入作业对坑壁土体产生的挤土扰动更易促使主动土的蠕动和变形，反而起到事与愿违的结果；3、施工作业、现场监理人员素质较低，质检、旁站流于形式，质量监控不到位；4、因属地下隐蔽工程，低价竞争，施工中偷工减料盛行；5、违反“时空效应”，不是“分层、分块、对称、平衡”开挖外运土方，基本上都是一挖到底，以及基坑旁侧超载堆物或重车行驶等等，使基坑边坡滑塌事故频发，大面8积坑旁基桩倾斜或断裂，坑旁临设倒塌。为此，温州市建设局行文规定：凡开挖深度超过（含）4m的基坑必须采用钻孔桩排桩挡墙，坑内设内支撑，桩后设水泥搅拌桩止水帷幕。这样的技术行政条规颇有因噎废食之嫌。其实，只要上述不足之处能有效克服，土钉支护在浅基坑的应用中完全可以发挥它的长处，其关键之处在于设计合适的土钉长度和搞好超前支护并保证工程施工质量。[作者简介]王瑞，温州中城建设集团有限公司，助理工程师，从事建筑基础施工与技术管理。0577-88929185参考文献[1]程良奎、李象范。《岩土锚固·土钉·喷射混凝土—原理、设计与应用》[M]，中国建筑工业出版社，2010年11月.[2]徐佩林，等.《温州地区土钉墙围护基坑事故频发的原因与对策》[J]，探矿工程（岩土钻掘工程），20057.[3]朱兴隆，刘宇翼.《土锚和土钉对比分析研究》[J]，西部探矿工程，2008年第1期.[4]《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-99）[S]，中国建筑工业出版社，1999年5月.[5]龚晓南.《土钉和复合土钉支护若干问题》[J]，土木工程学报，2003年第10期.