随着我国经济建设的快速发展，工业民用建筑、市政、交通、水利等工程建设中基坑深度和宽度不断增大，且大多分布在沿海工程地质条件较差、建(构)筑物密集的大中城市，深基坑支护的重要性得到了前所未有的重视。基坑工程的施工工艺和设计计算方法除了传统的放坡开挖外，深基坑有支护开挖形式已发展至数十种，总体上可以分为两大类：传统的支护设计理论是把基坑周围土体当作荷载，作为支护结构的作用目标，然后根据围护墙的位移情况，分别按静止土压力、主动土压力或被动土压力来进行支护设计，称此类支护为被动支护；事实上，基坑周围土体具有一定的自支撑能力，可以将它用作支护材料的一部分，充分利用其强度和稳定性，在保证深基坑安全的前提下，尽量减少支护结构的工程量并且加快工期，即设法充分发挥和提高基坑周围土体的自支撑能力并补强其不足部分，称此类支护为主动支护。土钉墙是在新奥法的基础上基于主动支护机制加固土体，于20世纪70年代在德国、法国和美国发展起来的一种主动支护型式。我国于80年代初应用于矿山边坡支护，近十来年才在基坑支护中迅速推广应用。它由被加固土、放置于原位土体中的细长金属杆件(土钉)及附着于坡面的混凝土面板组成，形成一个类似于重力式的支护结构；同时土钉墙通过在土体内放置一定长度和密度的土钉，使土钉与土共同工作来大大提高原状土的强度和刚度。

1、土钉墙在深基坑支护中的优点

1）受力合理，能合理利用土体的自承能力，将土体作为支护结构不可分割的部分，土钉和土体共同受力，能够充分发挥这两种材料的承载力。

2）结构轻型，柔性大，有良好的抗震性和延性。1989年美国加州7.1级地震中，震区内有8个土钉墙结构估计遭到约0.4g水平地震加速度作用，均未出现任何损害迹象，其中3个位于震中33km范围内。

3）施工设备简单，土钉的制作与成孔不需要复杂的技术和大型机具，土钉施工的所有作业对周围环境干扰小。

4）适应性强，施工不需单独占用场地，对于施工场地狭小，放坡困难的，有相邻低层建筑或堆放材料，大型护坡施工设备不能进场，该技术显示出独特的优越性。

5）信息化施工，可以根据现场检测的变形数据，及时调整土钉长度和间距。一旦发现异常不良清况，能立即采取相应加固措施，避免出现大的事故，因此能提高工程的安全可靠性。

6）工程造价低，据国内外资料分析，土钉墙工程造价比其它类型的工程造价低1/2～1/3左右。

2、土钉墙的支护原理

土体的抗剪强度较低，抗拉强度几乎可以忽略，但土体具有一定的结构整体性，当开挖基坑时，土体存在使边坡保持直立的临界高度，当超过这一高度或者在地面超载及其它作用下将发生突发性整体破坏。与以往采用的传统支挡结构不同，土钉墙则是在土体中放置一定长度和密度的土钉构成，土钉与土共同工作，基于主动加固的机制形成了能大大提高原状土强度和刚度的复合土体，还能改变土坡的变形与破坏形态，显著提高了土坡的整体稳定性。

2.1 土与土钉间相互作用研究

类似地加筋土挡墙内拉筋与土的相互作用，土钉与土间的摩阻力的发挥，主要是由于土钉与土间的相对位移而产生的。在土钉加筋的边坡内，同样存在着主动区和被动区。主动区和被动区内土体与土钉的摩阻力发挥方向正好相反，而被动区内土钉可起到锚固作用www.tmgc8.com(图1)。

土钉在复合土体中的作用可以概括为以下几点:

1）约束骨架作用

土钉及其加固范围内的土体形成复合受力体，土钉本身的刚度和强度以及它在土体内的空间分布具有制约土体变形的作用，土钉和土体共同受力并使复合土体构成一个整体。

2）分担荷载作用

在复合土体内，土钉与土体共同承担外部荷载和土体自重应力。由于土钉有较高的抗拉、抗剪强度以及土体无法比拟的抗弯刚度，所以当土体进入塑性状态后，应力逐渐向土钉转移。当土体开裂时，土钉分担作用更为突出，土钉内出现弯、拉、剪等复合应力，从而导致土钉内部浆体破裂，钢筋屈服。复合土体塑性变形延迟及渐进性开裂变形的出现与土钉分担作用密切相关。

3）应力传递与扩散作用

在同等荷载作用下，由土钉加固的土体内的应变水平比素土边坡土体内的应变水平大大降低，从而推迟了开裂的形成与发展。

4）坡面变形的约束作用

在坡面上设置的与土钉连成一体的钢筋混泥土面板是发挥土钉有效作用的重要组成部分。坡面膨胀变形是开挖卸荷、土体侧向变位以及塑性变形和开裂发展的必然结果，限制坡面膨胀能起到削弱内部塑性变形，加强边界约束作用，对土体自身强度和稳定性的发挥具有重要作用。

3、土钉墙在深基坑支护中存在的问题和研究方向

3.1在理论研究方面，首先，土钉中的钢筋通过水泥浆与周围土体的握裹力和相互摩擦作用把荷载向土中扩散、传播，而整个墙体向坑内也发生一定的位移使土钉被动受力，而土钉墙位移计算还缺乏比较理想的计算方法。目前常用数值计算方法结合可靠的经验进行验算确定，有限元分析中如果采用二维有限元模型，把土钉支护边坡简化为平面应变问题，土钉按刚度相等的原则等效为单位宽度的薄层。这样夸大了土钉与土体之间的粘结面，加入界面单元时又削弱了整个上下两层土之间的联结。如果等效薄层的刚度较大，阻止剪应力在土中的传递，就更不能正确反映实际的受力状态。同时由于土钉的尺寸较小，需要在土钉和土体之间加入过渡单元，如果考虑土钉与土体的粘结，还要加入三维界面单元，计算模型又变得十分复杂。所以必须通过合理假设，探索符合土钉实际受力状况的有限元计算方法是研究土钉受力机制的重要途径。

其次，土钉墙后土压力一些基坑规程计算土压力仍采用传统上的三角形土压力分布模式来计算，有的则采用经验土压力，而实测的土压力并非如此。土钉墙后土压力是随着基坑开挖而不断变化着，每个阶段土压力的大小和分布形式决定了土钉墙的位移、稳定程度。而经验土压力的分布并不是真正的土压力分布形式，因此研究土钉墙后土压力的大小、分布形式，土钉力沿钉身和深度上的分布，弄清楚土钉力与土压力的关系具有非常重要的指导意义。

3.2 在工程设计方面，首先，由于土钉墙施工需结合开挖进行，是一种动态支护过程。目前在理论上还未能完全弄清楚土钉墙的工作机理，加上地下工程许多岩土参数的不确定性，因而在设计中表现为不恰当地盲目地提高土钉墙的安全系数，试图通过提高安全系数来保证基坑的稳定和安全，从而造成材料的巨大浪费；另一方面，由于未能充分而全面地考虑工程的特殊性和复杂性而导致工程事故时有发生。

其次，土钉的长度通常根据经验而定，《建筑基坑工程技术规范》(YB9258-97)“一般对非饱和土，土钉长度L与开挖深度Hwww.tmgc8.com之比为0.6-1.0范围，密实及干硬粘土取小值”。有的文献中[4]指出土钉长度L与开挖深度H之比为0.6-1.2范围，对土钉墙的设计还停留在经验上。

最后，实测数据表明面层土压力与面层的刚度有关，面层的设计极为悬殊。有些临时支护的面层往往不做计算，仅按构造规定挂网并喷射一定厚度的混凝土。虽然不做计算仅作为构造处理使工程偏于安全，但面层土压力的存在对基坑变形和其中的应力分布存在着很大的影响。因此考虑面层土压力的大小分布和对位移、基坑稳定影响是以后土钉墙研究中的另一个重要内容。

3.3 在土钉施工方面，首先，与其他支护方式不同，土钉墙的施工是从上到下分层开挖的，开挖一层支护一层。由于施工时是先开挖后支护，所以在前层开挖结束而土钉尚未设置时，很容易出现局部的塌方，甚至导致整个维护结构的破坏。因此，在每层土体开挖结束后要尽快设置土钉缩短边坡土体裸露时间，同时每层的开挖深度也不宜过大，以保证结构的安全。另外，当地下水位较高时，在基坑施工前应先采取人工降水措施，因为地下水的存在对土钉墙的施工及土钉的作用均有影响。为确保工程质量和施工安全，在施工前及施工过程中应将地下水位降至开挖面以下。

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