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岩土研究院

土钉墙的工作机理与性能

389 2021-03-17 10:53:34


  • 土钉墙的工作机理

土体的抗剪强度较低,几乎没有抗拉强度,但土体具有一定的结构整体性,有一定的保持自稳的能力,当土坡高度超过临界高度或在地面超载作用下,土坡会产生整体失稳。在土体内植入一定长度和分布密集的土钉后,土钉与土共同作用,形成复合体,不仅有效地提高土体的整体刚度,又弥补了土体抗拉、抗剪的不足,通过相互作用,土体自身结构强度潜力得到充分发挥,改变了边坡变形和破坏状态,显著提高了整体稳定性。


试验证明,土钉墙体与素土边坡承载力相比提高 2~3倍,更为重要的是,素土坡面出现网状裂缝,沉降急剧增大,边坡突然崩塌。而土钉墙体延迟了塑性变形阶段,明显地为渐进性变形和开裂,逐步扩展,直至丧失承载能力,但不发生整体性崩塌。


土钉墙整体稳定性的提高以及将土体的刚性破坏变为塑性渐进性破坏,是通过土钉、面板与土体相互作用实现的



1、土钉的工作机理

(1)土钉对复合体起骨架约束作用

由于土钉本身的刚度和强度,以及它在土体内分布的空间组成复合体的骨架,土体构成一个整体,骨架有约束土体变形的作用。


(2)土钉对复合体起分担作用

在复合体内,锚钉与土体共同承担外荷载和自重应力,土钉起着分担作用。由于土钉有很高的抗拉、抗剪强度和土体无法相比的抗弯刚度,所以在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,这时土钉内出现了弯剪、拉剪等复合应力,从而导致锚体中浆体碎裂、钢筋屈服。复合体之所以塑性变形延迟,渐进性开裂,与锚钉的分担作用是密切相关的。分担的比例取决于土钉与土体相对刚度比、土钉所处的空间位置以及复合土体的应力水平。


(3)土钉起着应力传递与扩散作用

当荷载增到一定程度,边坡表面和内部裂缝已发展到一定宽度,此时坡脚应力最大。这时下层锚体伸入到滑裂域外稳定土体中的部分仍能提供较大的抗拉力。锚体通过其应力传递作用,将滑裂域内部分应力传递到后边稳定土体中,并分散在较大范围的土体内,降低应力集中程度。


(4)坡面变形的约束作用

在坡面上设置与土钉连在一起的钢筋网喷射混凝土面板,是发挥土钉有效作用的重要组成部分。喷射混凝土面板起到坡面变形的约束作用,面板对土体变形的约束取决于土钉对面板的约束力。


(5)注浆对土体的加固作用

在进行土钉注浆时,浆液将沿着土层中的裂隙渗透到土层中,形成网络状胶结,这不仅增加了土钉与周围土体的粘结力,同时也改善了土的性质,提高了土体强度。


2、面板的工作机理∶

面板的设置,主要是承受土压力,并将土压力传递给土钉,同时,通过与土钉的相互作用,对坡面变形起到约束作用,并阻止局部不稳定土体的坍塌;另外,由于面板对土体的约束,使得土体在出现临空面后,土体强度不至于下降过多;而且,混凝土面板能防止雨水以及地表水的刷坡和渗透,防止土体流失。面板与土钉的连接,增强了土钉的整体效应,同时在一定程度上调整了土钉的内力,使各土钉的受力趋于均匀。


  • 土钉墙的工作性能

数值分析表明,开挖形成土坡后,在坡顶产生拉应力,在坡脚产生剪应力集中;随着开挖深度的增加,坡顶拉应力增大,拉张区逐渐扩大,出现塑性区,塑性区沿水平和竖向扩散,同时,坡脚剪应力也增大,并出现塑性区向四周扩散,两种塑性区最终相互贯通,边坡即产生失稳。在土体中植入土钉后,坡顶和坡脚同样的出现拉张区和剪力集中区,但出现时间滞后,范围明显减少,发展延缓,两个区域贯通时,开挖深度比不加土钉更深。


通过对国内外大型足尺试验与模型试验以及实际工程长时间的土钉内力与变形实测资料的分析,土钉墙的工作性能主要有如下几个方面∶


1.土钉墙的最大水平位移发生于墙体顶部,越往下越小。墙体内的水平变形随离开墙面距离增加而减小。影响土钉墙水平位移的因素除有设计参数如土钉间距、长度、刚度以及浆液强度等,施工工艺和方法、进度等对其也有影响;此外,一些外界条件也对其产生影响,如地面超载、地下水位变化等;


2.土钉的内力分布一般不均匀,在破裂面临近处达到最大,往两端越来越小。土体产生微小变位才能使土钉受力,在喷射混凝土面板附近土钉所受力不大,这表明土钉已将其所受力大部分传到土体中去了。土钉位置越往下,其最大受力点越往面板处移;


3.根据大比例试验结果看,在土钉整体破坏之前,从未发现喷射混凝土面板和锚头产生破坏现象,在实际工程中也未见锚头有破坏现象,故设计中通常对面板做构造设计即可;


4. 复合墙体后的土压力分布接近三角形,在坡角处土压力减少,经过多次观察测量,土压力值至少降低到库仑土压力值的 30%~40%。