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摘要：土钉支护技术是深基坑支护中的一项新技术，其具有性能可靠、施工简便和造价低廉等优点, 广而被泛的应用在各项建筑工程中。本文尝试对土钉支护技术的工作机理及工程应用作出一些简单分析，用作与同行交流。
关键词：土钉支护；工作机理；工程应用
中图分类号： TD3 文献标识码： A 文章编号：
一、概念
土钉墙是现在比较流行的一种用于开挖土体及稳定边坡的一类比较新的挡土结构。它由被加固土、放置于原位中的细长金属杆件(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墙的挡土墙。以抵抗墙后传来的土压力及其它作用力，从而使开挖坡面稳定。
其与锚杆和加筋土的异同点如下表所示：
土钉能够被看作小尺寸的被动式锚杆
①预应力方面：设置锚杆后，能够产生相当的预应力，降低支挡结构移位的可能性；通常情况下，土钉并不能够产生预应力，或强度非常低，这是为了发生一定限度的位移，一以此来充分发挥其摩阻力。
②粘合长度：土钉整根与土体粘合在一起；锚杆只有作为受力段的末端作用范围才与土体粘合。
③放置密度：土钉放置的比较密集，平均放置密度是0.5-2.0㎡一根，所以即使少数土钉不能工作，对土体的稳定度也没影响，从受力角度来看，相比于土钉，锚杆要求更高的施工定位精度。
④工作机理：预应力注浆锚杆库伦劈裂面前的主动去做为负荷，利用锚杆传到破裂区后面的稳定土体内；土钉则是以新奥法理论做基础，将加筋杆之后具有滑裂可能的复合土体看作具有自撑性的稳定土体，承载没有筋杆区域土体的侧向力，降低侧向位移，保障土体稳定。
⑤承受荷载：锚杆能够承受超过400kN荷载，为了防止面层遭遇冲切破坏，其端头构造远比土钉复杂。通常情况下，土钉并不要求很高的承载力，单根土钉承载力通常不足100kN，面层结构简单，仅需要喷射混凝土或小垫板即可。
⑥施工规模：单根锚杆通常都很长，长度为：15到45m，因此施工中必须使用大型机械来进行，对比之下，土钉施工就精简很多。
土钉和加筋土 受力原理，两者都利用加筋杆件与附近土体的摩阻力来产生加筋力，加筋后的复合土体稳定性高，可以承载背后侧向力，发挥着重力式挡墙的作用。 ①施工程序：土钉一般采用由上而下短台阶式阶段开挖，加筋土侧相反，采取自下而上分层开挖，这严重影响加筋杆件的受力分布，特别是施工阶段。
②应用范围：土钉多应用在稳定素坡或挖方区，所以不能预先选择和控制土介质。而加筋土多应用在填方区，可以由填料控制及选取土介质，实现人工堆填陡坡。
③设置形式：土钉和滑裂面的垂直程度直接影响者其抗剪能力的发挥，所以要将土钉尽可能垂直的设置在滑裂面，然而加筋土则相反，通常采取水平方式设置。
二、工作机理
现在通常利用试验研究、理论研究计数值模拟研究这三种方法来进行对土钉支护结构的分析研究。考虑到现实中影响土钉支护结构因素的复杂度，所以在现今土钉支护技术的研究中占主导地位的就是试验研究。
试验研究显示：与素土边坡的承载力相比，直立的土钉墙边坡是它的1倍多，最重要的是，受荷过程里素土边坡会出现网状裂缝，沉降速度加快，边坡发生突发性崩塌。而土钉墙在同等条件下就不会发生那种情况，它将塑性变形发展阶段延迟的同时，还出现持续渐进的破坏特征，直到失去承载能力，但不会发生突发性崩塌。虽然土体抗剪强度较低，抗拉强度更低，然而，其却具有相当的结构稳定性，在基坑或自然边坡开挖时，应存在保持边坡直立的临界高度，当大于这个深度或坡面承受过大外载和环境因素发生变化时，均会引发土坡失稳。普通的支护结构是利用本身结构荷载侧压力来约束土体的变形；土钉支护则不同，它是通过在土体埋设一定长度及密度的土钉，形成复合体共同作用。所以，利用增强自身稳定性实现主动制约的复合土体，不单显著增强土体整体刚度，还弥补了土体抗剪、抗拉强度低的缺陷，
土体自身结构强度的潜力，也通过相互作用得以充分发挥，有效降低了土体的边坡变形及破坏性状，增强了稳定性，此类主动约束形式就是土钉的作用。通过上面分析所知，土钉支护作用机理就是主动约束机制，利用土体与土钉的相互作用，能够有效改善土体变形及破坏形态，有效提高整体稳定性。通常可以将土钉在复合土体里的作用分为下面几方面：分担、预应力的传递及扩散、箍束骨架、制约土体变形。
三、工程应用
l、开挖施工
科学设计作业顺序及确保每步的开挖深度，保证支护设置前较短时间内（至少数小时）挖面表层土体的稳定性，这关系到土钉结构变形的制约。土钉支护采取由上而下逐步开挖方式，
通常每次开挖深度对应着土钉的竖向间距，一般是1~2m。开挖深度还和挖面表层土体的直立能力及允许位移值有关，一般粒状土为0.5~2m，而固结性强的硬粘土允许超过2.0m。对挖面坡度的设计，需要考虑土体的性能及施工方式。具有良好稳定性的粘性砂土及硬粘土能够为90°，通常选取80°~90°，决定砂状土体垂直面高度的是自身密度及黏聚力，黏聚力主要是毛细水与天然两类；砾砂、中及高密度砂土直立高度仅考虑毛细水黏聚力时约是0.5、1.2、1.5m。粘性土含水量对其直立高度有较大影响，对于松散及含水量不足1%的干砂或具有渗流压力的含水土层，需要在开挖后马上喷2～3cm厚的砂浆。至于软土，应先沿挖面埋置钢筋、钢管、细小桩或利用注浆稳定土体。对付不良土体，能够应用跳槽间隔开挖，或先开挖成斜坡在设置土钉后再清坡的方法。
2、面层制作
结束每步的开挖工作后，应及时进行坡面支护，避免土层发生松弛或剥落。能够先对挖面击入短钢筋，挂置钢筋网（网直径选，网格规格为20~30cm），最后再喷厚度为5~10cm的面层。若面层较厚，可以进行多次喷射。厚度的设计要考虑工程的时效，临时性为5~15cm，永久性为15~20cm,，喷射混凝土骨料最大粒径应是1~1.5cm，为提高凝固速度，能够添加早强剂，确保其无侧限抗压强度8小时后超过5MPa，为了方面下步开挖的钢筋网挂设及45°倒角混凝土喷射的浇筑施工，接近底部30cm高距的挖面先不喷，面层结束养护后24小时内是最佳使用時期。
3、排水设置
在展开土钉支护施工前，根据施工现场地质条件，需要设置排水沟或不透水混凝土层来阻隔地下水或地表水对支护结构的影响。可以堆土体采用下列三类排水方式：
（1）浅部排水：在坡面插入直径10cm，长度30~40cm的短塑料，迅速排出混凝土面层背面的水，塑料管插入间隔，根据地下水情况及冻胀破坏的可能性确定。
(2)深部排水：在土体中买入长度大于土钉的开孔管子（直径约为5cm），设置密度为每3m²竖向面积一根，倾斜度为向上5~10°。
(3)坡面排水：在喷制坡面混凝土面层前，按照一定的间距（1~5m，参考地下水状况及冻胀破坏可能性选择）设置排水设备。通常用土工织物制作，还必须进行保护（可以用聚乙烯材料包扎）预防进行混凝土喷射时渗入混凝土。一般在每步的开挖面底部都设有该类排水设备的接口，连通整个开挖面，在最底层设置集水系统。
(4)井点排水：对存在地下水的粉土、砂土地层，可以通过井点排水系统来降低地下水位、减弱主动土压力。
4、土钉的设置
我国普遍使用的土钉类型有钻孔注浆钉、高压喷射击入钉、气动射击钉等三种，制作方法如下：
（1)钻孔注浆钉
一般选取直径取值范围为（屈服强度约400~500MPa，强度较低成本造价太高，太高则十分脆弱不可靠）的变形钢筋用作土钉原件。将土钉放入的孔里后，对整根土钉进行注浆填孔。钻孔的方法的选择及工序开展时间都需要参考土质状况来决定，可以在实行挖面表层实行混凝土喷射之前实施钻孔操作。
（2）高压喷射注浆击入钉
此类土钉中部多具有纵向小孔，在通过高频（70Hz）冲击振动锤击入土体里的同时，将水泥浆用20bar的压力从土钉顶部小孔里射出，或者利用土钉上焊接的一个薄壁钢管射出，水泥浆射流不仅在土钉入土过程里起到润滑作用，并在渗透到附近土体后，增强和土体的粘结力。
(3)气动射击钉
利用高压气体作为动力，发射过程订的扩大部分受到气压的影响，因此土钉射入到土体时受挫，钉直径选2.5~4.0cm，设计频率为15根每小时，然而它的长度只能是3m及6m。
参考文献：
[1]刘勃，土钉支护设计理论与工程实践的探讨, 同济大学土木工程学院桥梁工程系硕士论文
[2]黄希来，土钉支护技术的工作机理和工程应用研究，同济大学硕士论文
[3]陈绪坤，土钉支护的工作性能及其在基坑中的应用，山东建筑大学硕士论文
关键词：土钉支护；工作机理；工程应用
中图分类号： TD3 文献标识码： A 文章编号：
一、概念
土钉墙是现在比较流行的一种用于开挖土体及稳定边坡的一类比较新的挡土结构。它由被加固土、放置于原位中的细长金属杆件(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墙的挡土墙。以抵抗墙后传来的土压力及其它作用力，从而使开挖坡面稳定。
其与锚杆和加筋土的异同点如下表所示：
土钉能够被看作小尺寸的被动式锚杆
①预应力方面：设置锚杆后，能够产生相当的预应力，降低支挡结构移位的可能性；通常情况下，土钉并不能够产生预应力，或强度非常低，这是为了发生一定限度的位移，一以此来充分发挥其摩阻力。
②粘合长度：土钉整根与土体粘合在一起；锚杆只有作为受力段的末端作用范围才与土体粘合。
③放置密度：土钉放置的比较密集，平均放置密度是0.5-2.0㎡一根，所以即使少数土钉不能工作，对土体的稳定度也没影响，从受力角度来看，相比于土钉，锚杆要求更高的施工定位精度。
④工作机理：预应力注浆锚杆库伦劈裂面前的主动去做为负荷，利用锚杆传到破裂区后面的稳定土体内；土钉则是以新奥法理论做基础，将加筋杆之后具有滑裂可能的复合土体看作具有自撑性的稳定土体，承载没有筋杆区域土体的侧向力，降低侧向位移，保障土体稳定。
⑤承受荷载：锚杆能够承受超过400kN荷载，为了防止面层遭遇冲切破坏，其端头构造远比土钉复杂。通常情况下，土钉并不要求很高的承载力，单根土钉承载力通常不足100kN，面层结构简单，仅需要喷射混凝土或小垫板即可。
⑥施工规模：单根锚杆通常都很长，长度为：15到45m，因此施工中必须使用大型机械来进行，对比之下，土钉施工就精简很多。
土钉和加筋土 受力原理，两者都利用加筋杆件与附近土体的摩阻力来产生加筋力，加筋后的复合土体稳定性高，可以承载背后侧向力，发挥着重力式挡墙的作用。 ①施工程序：土钉一般采用由上而下短台阶式阶段开挖，加筋土侧相反，采取自下而上分层开挖，这严重影响加筋杆件的受力分布，特别是施工阶段。
②应用范围：土钉多应用在稳定素坡或挖方区，所以不能预先选择和控制土介质。而加筋土多应用在填方区，可以由填料控制及选取土介质，实现人工堆填陡坡。
③设置形式：土钉和滑裂面的垂直程度直接影响者其抗剪能力的发挥，所以要将土钉尽可能垂直的设置在滑裂面，然而加筋土则相反，通常采取水平方式设置。
二、工作机理
现在通常利用试验研究、理论研究计数值模拟研究这三种方法来进行对土钉支护结构的分析研究。考虑到现实中影响土钉支护结构因素的复杂度，所以在现今土钉支护技术的研究中占主导地位的就是试验研究。
试验研究显示：与素土边坡的承载力相比，直立的土钉墙边坡是它的1倍多，最重要的是，受荷过程里素土边坡会出现网状裂缝，沉降速度加快，边坡发生突发性崩塌。而土钉墙在同等条件下就不会发生那种情况，它将塑性变形发展阶段延迟的同时，还出现持续渐进的破坏特征，直到失去承载能力，但不会发生突发性崩塌。虽然土体抗剪强度较低，抗拉强度更低，然而，其却具有相当的结构稳定性，在基坑或自然边坡开挖时，应存在保持边坡直立的临界高度，当大于这个深度或坡面承受过大外载和环境因素发生变化时，均会引发土坡失稳。普通的支护结构是利用本身结构荷载侧压力来约束土体的变形；土钉支护则不同，它是通过在土体埋设一定长度及密度的土钉，形成复合体共同作用。所以，利用增强自身稳定性实现主动制约的复合土体，不单显著增强土体整体刚度，还弥补了土体抗剪、抗拉强度低的缺陷，
土体自身结构强度的潜力，也通过相互作用得以充分发挥，有效降低了土体的边坡变形及破坏性状，增强了稳定性，此类主动约束形式就是土钉的作用。通过上面分析所知，土钉支护作用机理就是主动约束机制，利用土体与土钉的相互作用，能够有效改善土体变形及破坏形态，有效提高整体稳定性。通常可以将土钉在复合土体里的作用分为下面几方面：分担、预应力的传递及扩散、箍束骨架、制约土体变形。
三、工程应用
l、开挖施工
科学设计作业顺序及确保每步的开挖深度，保证支护设置前较短时间内（至少数小时）挖面表层土体的稳定性，这关系到土钉结构变形的制约。土钉支护采取由上而下逐步开挖方式，
通常每次开挖深度对应着土钉的竖向间距，一般是1~2m。开挖深度还和挖面表层土体的直立能力及允许位移值有关，一般粒状土为0.5~2m，而固结性强的硬粘土允许超过2.0m。对挖面坡度的设计，需要考虑土体的性能及施工方式。具有良好稳定性的粘性砂土及硬粘土能够为90°，通常选取80°~90°，决定砂状土体垂直面高度的是自身密度及黏聚力，黏聚力主要是毛细水与天然两类；砾砂、中及高密度砂土直立高度仅考虑毛细水黏聚力时约是0.5、1.2、1.5m。粘性土含水量对其直立高度有较大影响，对于松散及含水量不足1%的干砂或具有渗流压力的含水土层，需要在开挖后马上喷2～3cm厚的砂浆。至于软土，应先沿挖面埋置钢筋、钢管、细小桩或利用注浆稳定土体。对付不良土体，能够应用跳槽间隔开挖，或先开挖成斜坡在设置土钉后再清坡的方法。
2、面层制作
结束每步的开挖工作后，应及时进行坡面支护，避免土层发生松弛或剥落。能够先对挖面击入短钢筋，挂置钢筋网（网直径选，网格规格为20~30cm），最后再喷厚度为5~10cm的面层。若面层较厚，可以进行多次喷射。厚度的设计要考虑工程的时效，临时性为5~15cm，永久性为15~20cm,，喷射混凝土骨料最大粒径应是1~1.5cm，为提高凝固速度，能够添加早强剂，确保其无侧限抗压强度8小时后超过5MPa，为了方面下步开挖的钢筋网挂设及45°倒角混凝土喷射的浇筑施工，接近底部30cm高距的挖面先不喷，面层结束养护后24小时内是最佳使用時期。
3、排水设置
在展开土钉支护施工前，根据施工现场地质条件，需要设置排水沟或不透水混凝土层来阻隔地下水或地表水对支护结构的影响。可以堆土体采用下列三类排水方式：
（1）浅部排水：在坡面插入直径10cm，长度30~40cm的短塑料，迅速排出混凝土面层背面的水，塑料管插入间隔，根据地下水情况及冻胀破坏的可能性确定。
(2)深部排水：在土体中买入长度大于土钉的开孔管子（直径约为5cm），设置密度为每3m²竖向面积一根，倾斜度为向上5~10°。
(3)坡面排水：在喷制坡面混凝土面层前，按照一定的间距（1~5m，参考地下水状况及冻胀破坏可能性选择）设置排水设备。通常用土工织物制作，还必须进行保护（可以用聚乙烯材料包扎）预防进行混凝土喷射时渗入混凝土。一般在每步的开挖面底部都设有该类排水设备的接口，连通整个开挖面，在最底层设置集水系统。
(4)井点排水：对存在地下水的粉土、砂土地层，可以通过井点排水系统来降低地下水位、减弱主动土压力。
4、土钉的设置
我国普遍使用的土钉类型有钻孔注浆钉、高压喷射击入钉、气动射击钉等三种，制作方法如下：
（1)钻孔注浆钉
一般选取直径取值范围为（屈服强度约400~500MPa，强度较低成本造价太高，太高则十分脆弱不可靠）的变形钢筋用作土钉原件。将土钉放入的孔里后，对整根土钉进行注浆填孔。钻孔的方法的选择及工序开展时间都需要参考土质状况来决定，可以在实行挖面表层实行混凝土喷射之前实施钻孔操作。
（2）高压喷射注浆击入钉
此类土钉中部多具有纵向小孔，在通过高频（70Hz）冲击振动锤击入土体里的同时，将水泥浆用20bar的压力从土钉顶部小孔里射出，或者利用土钉上焊接的一个薄壁钢管射出，水泥浆射流不仅在土钉入土过程里起到润滑作用，并在渗透到附近土体后，增强和土体的粘结力。
(3)气动射击钉
利用高压气体作为动力，发射过程订的扩大部分受到气压的影响，因此土钉射入到土体时受挫，钉直径选2.5~4.0cm，设计频率为15根每小时，然而它的长度只能是3m及6m。
参考文献：
[1]刘勃，土钉支护设计理论与工程实践的探讨, 同济大学土木工程学院桥梁工程系硕士论文
[2]黄希来，土钉支护技术的工作机理和工程应用研究，同济大学硕士论文
[3]陈绪坤，土钉支护的工作性能及其在基坑中的应用，山东建筑大学硕士论文