关于土钉墙支护在深基坑工程中的应用研究

关于土钉墙支护在深基坑工程中的应用研究

朱胜和   胡丹妮

漳州理工职业学院    福建  漳州  363000

摘要：考虑地下空间施工中，深基坑支护参数计算存在较大误差，支护结构设计可能导致较大水平位移问题，本文针对士钉墙支护代替传统排桩支护形式进行探讨分析，根据建筑深基坑地质情况，对支护结构参数进行设计，通过土体定位、钻孔、按钉、注浆封孔以及铺设钢筋网等流程实现深基坑支护施工。工程实践表明：土钉墙深基坑支护水平位移量小于传统排桩支护的位移量。

关键词：深基坑；支护结构；土钉墙；排桩

引言

目前大部分深基坑工程具有地质条件复杂、深度较大、面积广等特点，因此建筑深基坑施工具有较大的难度和挑战。为保证施工安全，采用的支护技术主要有排桩结构支护和防护墙结构支护两种。这两种技术主要是利用排桩结构和防护墙结构对施工区域岩土起到支撑作用，通过对支护结构进行设计，确定支护方案，最终根据优选的支护方案进行深基坑支护施工，利用支护结构向深基坑岩士施加一个支撑力，以此保证施工安全。但是现有技术在实际应用中对支护结构设计不够合理，支护起到的支撑作用有限，无法抵挡深基坑岩土的变形应力，导致深基坑支护施工后支护结构水平方向发生严重变形，为此对建筑施工中深基坑支护技术进行研究。

1.土钉墙的发展历程

土钉墙顾名思义就是在土内加入一定长度和分布密度相等的土钉与土共同承受荷载。土钉墙最开始是由土层锚杆使挡土结构有了新发展，在基坑开挖前先施做桩、地下连续墙、板桩等再利用土层锚杆对其进行背拉从而形成锚杆式挡墙。过了十年后出现了锚杆构造墙，它是利用混凝土构件排列在开挖过程中的土层表面，用锚杆进行背拉，这是一种可以与挖方工程同时进行的方式。在应用一方面主要分为以下几个：（1） 托换基础；（2） 基坑支挡；（3） 斜坡面的挡土墙；（4） 斜坡面的稳定；（5）锚杆挡墙结合作斜面的防护。

2.土钉墙的原理

2.1 作用原理

土体的抗剪强度低时，抗拉强度可以不计，但是土体在具有一定结构整体性。在基坑开挖时，存在使边坡保持竖直的临界高度，如果超过这个深度或有地面超载时将会发生突发性的整体破坏。正常护坡措施都在基于支挡护坡的被动制约机制，用来挡土结构承受其后向的土体侧压力，防止土体整体稳定性破坏。土钉墙技术就是在土体内放置一定长度和分布密度的土钉体与土共同作用，补充土体自身强度的不足。因此通过以增强侧边土体自身稳定性的主动制约机制为基础的复合土体，不但有效地提高了土体的整体刚度，而且弥补了土体抗拉、抗剪强度较差的弱点。通过相互作用，土体本身结构强度潜力得到稳定的发挥，从而改变了边坡变形和破坏的状况，明显的提高了整体稳定性。当然更重要的是土钉墙受荷载的整体过程中不会发生素土边坡那种的突发性塌滑，土钉墙不仅延迟塑性变形发展过程，还具有显著的渐进性变形和裂开破坏，且不会发生整体性滑塌。

2.2土钉作用

（1）土钉对复合土体起箍束骨架作用限制住土体变形并使复合土体组成一个整体。

（2）土钉与土体一起承受外部荷载和土体自重应力，土钉起到承重作用。由于土钉具有较高的抗拉抗剪强度，所以土体进入塑性状态后，应力逐渐往土钉上转移，土钉分担作用这时候显得尤为突出。

（3）土钉起着应力传导以及扩散作用延迟开裂地段的形成和发展。

3.建筑施工中深基坑支护技术

3.1支护形式选择

支护结构设计合理性与计算淮确性直接关系到支护效果，因此首先对深基坑

支护形式进行选择。目前常用的深基坑支护结构主要为排桩支护，是由预应力排桩结合锚索形成的一种支护体系，以排桩为内支撑，以锚索抵抗建筑深基坑土压力，作用于排桩上的推力，从而起到支护作用，用排桩支护计算流程比较复杂，需要考虑多种因素，容易出现计算误差，最终导致支护结构起到的支护效果较差。针对该问题如若采用另外一种支护结构——土钉墙支护结构，在建筑深基坑周围岩士体内埋设钢筋,通过注浆的方式使钢筋与原位岩士体形成一个整体，以增加深基坑内岩士体支撑力。土钉墙支护结构相比于排桩支护结构成本更低并且可以有效地缩短工期，最重要的是士钉墙支护结构稳定性更高，在国外建筑深基坑施工中更为常见。

3.2土钉墙支护结构设计

确定支护结构高度、支护直径、支护结构水平间距、 垂直间距等参数,再根据建筑施工区域地质情况进行计算。

土钉墙主要是抵抗建筑深基坑岩土压力,岩土压力由静止土压力、主动土压力和被动土压力组成。即：

    P=P1+P2+P3                     （式3-1）

式中：P 为深基坑土钉墙支护承载压力，即深基坑周围岩层土体向支护结构施加的压力值；P1为土钉墙支护结构处于静止状态时岩士体对其的压力值；P2为深基坑岩士体处于弹性失稳状态时，土钉墙支护结构内外侧的主动士压力值；P3为深基坑岩士体处于弹性失稳状态时，土钉墙支护结构内外侧的被动士压力值。

P1=L·g(∑e·r+w·u）               （式3-2）

式中：L为深基坑内每层岩士的静止压力系数；g为深基坑内岩土重度；e为深基坑内土层的厚度；r为深基坑内每一层岩上的弹性模量；w为深基坑内每一层岩土的压缩模量；u为深基坑内每一层岩士的抗拔系数。

P2=y（σ1+σ2)-                 （式3-3）

P3=y（σ1+σ2）+               （式3-4）

式中：y为深基坑支护计算点水压强度；σ1为士钉墙支护结构内侧的水压力；σ2为士钉墙支护结构外侧的水压力；q为深基坑支护计算点地下水的重度；b为深基坑支护计算点岩士渗透系数。

根据上述公式，计算出深基坑支护承载压力。

J=                           （式3-5）

式中：J为深基坑土钉墙支护承载力；p为深基坑士钉墙结构中士钉直径；s为深基坑士钉墙高度；为深基坑士钉墙结构中士钉抗弯强度；c 为深基坑士钉墙结构中土钉水平间距；h 为深基坑士钉墙结构中士钉垂直间距。

在设计深基坑支护时，将式（3-1）~(3-4)作为深基坑士钉墙结构设计约束时，根据约束条件对设计方案进行筛选：

J= ≥P≥P1+P2+P3             （式3-5）

将符合（式3-5）条件的深基坑支护方案的稳定性进行验算

RN＝J=P≥K                         （式3-6）

式中：R为深基坑各土层中预埋上钉的轴向拉力标准值；N为基坑各土层中预埋土钉极限承载力标准值；K为深基坑上钉墙支护安全系数。

K=∑DScosα+∑TW∑AUsinβ           （式3-7）

式中：D 为深基坑岩层士体的黏聚力；S为深基坑岩层土体的内摩擦力；α为水平面和滑动面某处切线问的夹角；T为建筑施工过程中深基坑内某一处岩士体滑动面弧面长；W为建筑施工过程中深基坑内某一处滑动岩士体的重量；A为深基坑土钉墙支护结构的抗拔能力标准值；U为计算单元长度；β为深基坑士钉墙与水平面形成的夹角。

1.3土钉墙支护施工

土钉墙支护施工工艺比较简单，主要包括士钉定位、钻孔、按钉、注浆封孔以及铺设钢筋网五个工序。施工前对建筑深基坑支护施工区域进行清理,将地面多余的建筑垃圾清除干净，并对深基坑挖方边坡坡面进行修整,保持坡面平整,减少外界因素对深基坑支护质量的影响。根据预先设计的土钉水平间距、垂直间距以及深基坑的深度、宽度来确定士钉埋设位置，而后利用钻孔设备在定位位置上进行钻孔,孔径大小要根据土钉直径大小确定，钻孔深度为士钉墙支护结构高度。土钉墙一般适用于不超过12m的深基坑，不适合止水，必须做好降水措施。一般是将普通土钉墙与一种或几种单项支护技术或截水技术有机结合成复合支护体系或截水体系。

总结：

土钉支护施工工艺近年来在实际应用中得以飞速发展，并在逐步走向成熟，但仍然存在理论落后实践等诸多问题，导致了一些并非施工工艺原因而发生的灾害事故。因此当务之急应尽快在实践中加强现场观测，采集准确真实的数据资料，并完善其设计理论，让土钉施工技术真正成为一项完善的、成熟施工技术。

参考文献：

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[2]田佳成. 涉铁基坑安全性分析在工程实践中的应用[J].绿色环保建材,2021,(04):164-166.

[3]王龙.安置房项目建筑深基坑土钉墙支护施工技术[J].广东建材,2022,38(01):70-71+76.