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深基坑土钉支护的优点、缺点和局限

512 2021-03-30 17:59:39


在深基坑开挖过程中,土钉支护已成为继排桩支护、连续墙支护、锚杆支护之后又一项成熟的支护技术。它经济可靠,施工快速简便,而得到迅速推广和应用。土钉支护技术的思想渊源可追溯到20世纪60年代初奥地利学者Rabcewica等人提出的新奥地利隧道施工法(简称新奥法,NATM)。


这一施工方法是将喷射混凝土技术和全长粘结式注浆锚杆结合起来,在隧道开挖后立即支护,从而使隧道周围形成一柔性的被动支护圈,并依此来支护围岩。1972年,法国承包商Bouygues首次将新奥法成功地应用于法国凡尔赛附近铁路路基边坡开挖工程中,取得了圆满成功。


此后,土钉技术在法国很快得到推广应用,并同时开展了一些基础性的试验研究。1986年,法国在其国家建筑与公共工程试验中心(CEBTP)进行了三个大型的土钉墙试验,研究结果表明:

(1)土钉在使用过程中主要受拉,拉力沿长度变化,最大值在中间部位;

(2)土钉在面层处受拉力减小,且随开挖深度增加而降低;

(3)土钉抗剪性能只在临近破坏时才起作用,并且破坏时的抗剪强度对支护承载能力的提高贡献甚少,但对防止快速破坏有好处;

(4)施工过程中每步开挖深度对于支护结构的稳定性有着至关重要的影响;

(5)极限平衡分析方法能较好地估计土钉极限承载能力。


在德国,土钉墙是基于挡土墙而发展起来的。从20世纪50年代末期到60年代间,通过土层锚杆的使用发展了背拉式锚杆挡土墙,并在填方工程中,出现了具有良好经济效果的加筋土墙。

于是,在70年代初期便自然而然产生了与加筋土墙建造顺序相反的土钉支护技术。从1970年开始,德国对土钉支护技术进行了为期四年的系统研究,承包商Karl Bauer联合Karlsruhe大学的岩土力学研究所,在砂土中进行了7个大型足尺试验和许多模型试验,测得大量现场和室内实验数据,最终分析得到如下几点结论∶

(1)土钉支护结构工作性能类似于重力式挡土墙;

(2)在一般砂、黏土中,土钉长度可为墙高的0.5~0.8 倍;

(3)面层压力可假定均布,大小约为库仑主动土压力的0.4~0.7倍。


此外,美国、英国、加拿大、西班牙、巴西、匈牙利、日本等国也进行了土钉支护技术的研究和开发工作,从而使这项技术得到了发展和推广。


我国对土钉技术研究较早的是太原煤矿设计院王步云等人,他们在1980年将土钉用于山西柳湾煤矿边坡加固,并进行了试验研究。此后,随着我国高层建筑的发展,土钉支护广泛应用于深基坑开挖支护工程中。近年来,原冶金部建筑研究总院、北京工业大学、清华大学、广州军区建筑工程设计院和总参工程兵三所等单位,在土钉墙的研究和开发应用方面做了不少工作。北京、深圳、广州、长沙、武汉、石家庄、成都等地的基坑工程较广泛地应用了土钉支护技术。与国外相比,虽然我国起步较晚,但发展之快及应用之广令世界瞩目,并在实践中取得了一些独特的成就,主要表现在以下几个方面∶

(1)为了防止地下水降低,引起周围构造物沉降,开发了一种将土钉墙和止水帷幕相结合的止水型土钉墙;

(2)对于难于成孔的砂层和软土地层,开发了一种打入式注浆钉;

(3)为了限制土钉墙位移,开发了土钉墙与预应力锚杆联合使用的支护体系。


尽管各国在后来的试验研究和工程实践中,积累了较多的现场和室内试验数据,但所得结果都基本上与法国和德国的大型模型试验结果相符。这样,法国和德国的试验以及各国获得的现场测试结果,就构成了发展土钉墙各种设计理论和计算方法的实验基础。


土钉支护之所以被广泛用于深基坑支护,是因为其具有如下鲜明的特点

(1)土钉支护是一种原位加筋技术,它通过土钉在土中所起的骨架作用,传递、扩散并最终均衡因外载和自重产生的应力,让土钉和土体共同协调工作,充分调动和利用土体的自承能力,改变土坡的变形与破坏形态,从而提高土坡的整体稳定性;

(2)结构轻型,柔性大,有良好的抗震性和延性,如1989年美国加州7.1级地震中,震区内有8个土钉墙,估计遭到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)施工速度快,施工设备简单,操作方便,施工作业对周围环境干扰小;

(4)利于信息化施工,一旦发现险情,容易补救,可防止大事故发生;

(5)工程造价低,据国内外资料分析,土钉墙支护工程造价比其他支护类型的工程造价低1/3左右。


尽管土钉支护有许多优点,但也有其缺点和局限

(1)需要一定的地下空间,对紧邻地下管线的基坑不宜使用;

(2)由于钉-土间必须有一定位移土钉才能发挥作用,因此与桩墙式支护结构相比,变形相对较大,这在易产生蠕变的地层中尤其明显;

(3)对开挖和支护时间与流程要求较严,否则将导致基坑变形过大甚至失事;

(4)在软土地区使用不能体现其经济性,同时变形也难以满足要求。