土钉式挡土墙在公路设计中的应用
2012-08-10 来源：筑龙网
公路挡土墙是用来支挡路基填土或路堑土体，并使其稳定、防止其滑移的一种构造物。随着我国高等级公路的飞速发展，其构成形式日新月异，比较常见的有重力式、衡重式、悬臂式，扶臂式、加筋土式、锚杆式、锚定板式等，此外，还有竖向预应力锚杆式，土钉式及桩板式等新的形式。土钉式挡土墙是一种新型挡墙结构，本文就土钉式挡土墙的由来，它与其它形式相比的优缺点，以及其设计原理、适用情况等做一初步探讨。
土钉式挡土墙由被加固土体，放置在土中的土钉体和护面板、排水系统组成，天然土体通过土钉就地实施加固并与喷射混凝土护面板相结合，形成一个重力式的挡土墙，以此抵抗墙后传来的土压力和其他作用力，从而使得挖方坡面稳定。土钉依靠与土体接触界面上的粘结力，摩阻力和周围土体形成复合体，土钉在土体发生变形的条件下被动受力，通过其受拉作用对土体进行加固。而土钉问土体的变形则由护面板予以约束。
土钉技术的发展始于70年代，1972年在法国凡尔赛附近为拓宽一条铁路路基的边坡开挖工程中，采用了喷混凝土护面板，并在土体中置人钢筋后注浆。后来，法、德、美、英等国家均投资对土钉做了大量的研究及足尺土钉墙试验，并在实际工程中进行了大量的应用，其中有高层建筑边的基坑开挖的临时支护，也用做边护稳定加固路暂挡土墙之用。其中在利昂附近Dombes隧道的洞门挡墙（坡度72。）中采用永久性土钉支护高度达到28m。
在我国，土钉支护技术大约于八十年代初起步，迄今为止，许多勘察设计部门、高校以及军内工程兵单位对土钉支护技术做了许多研究工作，并在工程实践中进行了实践。现在，除了不良地层如软土和降水困难地区外，只要存在允许设置土钉的地下空间，土钉支护往往成为基坑工程开挖中的首选方案，同时在一些公路和铁路边坡加固中，也有以土钉支护作为挡土墙的工程实例。但与国外相比，迄今国内对土钉技术还缺乏深入系统研究，施工技术和水平低下，在材料部件和施工机具上缺乏专用标准产品，尤其是在质量控制和管理跟不上设计方法。以上所述为土钉支护技术（Soil Nailing）的由来，及国内、外应用情况，它在公路工程中用做挡土墙时，应称为土钉式挡土墙（Soil Nailed wal1），简称土钉墙。通过以上叙述，可以看出土钉墙是由建筑基坑支护技术发展而来的，但它之所以可成为一种形式的挡土墙是由其特有的结构形式和施工方式决定的，这在后面将做进一步阐述。
1、土钉墙中土钉类型
钻孔注浆钉、击人钉、注浆击人钉、高压喷射击钉等几种，其中钻孔注浆钉为最常用的一种类型。
2、土钉墙的施工过程
（1）开挖路堑，深度应视不同性质土体控制在1～ 2m 之间，在饱和粘性土中可小到lm，在干硬粘性土中可达到2m。
（2）钻孔、设置一排土钉（即插入一排钢筋），设置排水管，给土钉注浆，布置护面板钢筋网，喷射护面板混凝土。
（3）待护面板达到一定强度后，继续开挖路堑，重复以上步骤至设计高程。
3、土钉墙的结构设计
3．1 适用土体范围
有一定毛细水粘聚力的中细砂土（含水量不小于5％ ～6％）有一定天然胶结能力的砂土和砾石土，具有天然粘聚力粉土及低塑粘土，以及风化岩层
等，这些土体能保持开挖时边坡切割面的短时间稳定。
3．2 结构设计
（1）钉的计算内容包括土钉设计内力N，土钉长度L、土钉孔径d、土钉钢筋直径等。
（2）护面板设计，护面板土钉为点支承的连续板进行强度验算，作用于面层的侧向压力在同一间距可按均布考虑，其反力作为土钉的端部拉力。验算的内容包括板在跨中支承截面的受弯，板在支承截面的冲切等。
3．3 土钉墙稳定性分析
（1）内部稳定性分析， 指边坡土体中可能出现的破坏面发生在土钉墙内部并穿过全部或部分土钉。
（2）外部稳定性分析
土钉墙内部稳定性得到保证的条件下，它的作用类似于重力式挡土墙，可将由土钉加固的整个土体（土钉墙）作为重力式挡土墙，分别验算其倾覆滑移。
以上为土钉墙的设计验算过程，国内外有多种方法，应在具体实践中比较其优劣。
4、土钉墙施工时应进行土钉抗拔试验和施工监测两项工作。
抗拔试验所得到的平均极限荷载值应大于设计计算所用标准值的1．25倍，否则应修改设计。施工监测应贯穿整个施工过程，施工监测主要内容是土钉墙顶部水平侧向位移，然后计算此侧向位移与开挖深度的比值，当比值大于3‰ （砂土中）或4‰ （粘土中）时，应加强观测，分析原因并采取加固措施。
5、土钉墙与锚杆挡土墙、加筋土挡土墙的异同
土钉是一种原位加筋技术，即在土中敷设拉筋而使土体的力学性能得以改善的土工加固方法，它与锚杆、加筋土在形式上有一定的类似，但也有着本质的差异。
5．1 土钉墙与锚杆挡土墙的异同
土钉可视为小尺寸的被动式锚杆，两者的差异主要在以下几个方面：
（1）锚杆在设置时，可施加或不施加预加拉应力，但都将库仑破裂面前的主动土压力作为荷载，给土以主动约束，通过锚杆传至破裂面后的稳定区内，尽量使土体不发生变位。而土钉墙一般不施加预应力，要求在土体发生微小变型后，使土钉被动受到磨阻力，并于原不稳定土体一道形成类似于重力式挡墙的具体自撑能力的稳定土体。
（2）土钉墙是由上而下边开挖边分段施工的，而锚杆挡土墙是自下而上整体施工的。
（3）锚杆沿全长分为自由段和锚固段，锚杆只是在锚固段内受力，而自由段只起传力作用；土钉则是全长范围内受力，而且受拉力的大小沿整个长度是变化的，一般是中间大，两头小。
（4）锚杆密度小，每个杆件都是重要有受力部件；而土钉密度大，靠土钉的相互作用形成复合整体，因而即使个别钉失效，对整个结构物影响也不大。
（5）锚杆可承受的荷载较大，为防止墙面冲切破坏，其端部的构造较复杂；土钉一般不需要很大的承载力，单根土钉受荷载较小，护面板结构简单，利用喷射混凝土及小尺寸垫板即可满足要求。
（6）锚杆长度一般较长，需用大型机械进行施工；土钉长度一般较短，直径较小，相对而言施工规模较小，所需机具也比较灵便。
由上述可以看出，如果仅加固挖方边坡，则土钉墙是合适的；如果墙后土体和深部土体稳定性有问题时，则用锚杆挡墙比较合适。
5．2 土钉墙与加筋土挡土墙的异同
土钉墙与加筋土墙均是土体的微小变形使拉筋受力而工作；通过土体与拉筋之间的粘粘、摩擦作用提供抗拨力，从而使加筋区的土体稳定，并承受其后的侧向土压力，起重力式挡土墙的作用。两者的主要差异是：加筋土墙一般应用于地形平坦且宽敞的填方路段上，在挖方路段不宜使用；土钉墙则应用于挖方路堑的边坡挡墙。与其他挡土墙相比，土钉墙的优点如下：
（1）施工设备轻便，操作方法简单；
（2）施工不单独占用场地；
（3）施工速度较快。
（4）一般来讲构造简单，造价较低。同时，土钉墙也有其缺点和局限性：
（1）变形稍微大于预应力锚杆的变形；
（2）在软土、松散砂土中施工难度较大，变型量大，造价较高。
6、结束语
土钉墙是由设置于天然边坡或开挖形成的边坡中的加筋杆件及护面板形成的挡土体系，用以改良原位土体并与原位土体共同工作形成一重力挡土墙式的轻型支挡结构，从而提高整个边坡的稳定性。与其他挡土墙相比，土钉墙具有独特的优势，在众多形式的挡土墙中应占有一席之地，但也需在日后不断的工程实践中积累经验、不断完善，达到施工方便、造价低廉的目标。
