土钉墙在城市道路路基支挡中的应用与探讨

土钉墙在城市道路路基支挡中的应用与探讨

李洪博

浙江新中环建筑设计有限公司浙江310000

摘要：基坑支护的重要形式之一就是土钉墙，这种支护方法施工速度快、工艺流程简单、经济效益显著。该技术于上世纪80年代引入我国，最初应用于边坡工程，到90年代开始应用于建筑基坑工程。此后，土钉支护技术便在基坑工程中广泛应用，到本世纪初，土钉支护在我国已占到基坑工程总量的50%以上。

关键词：土钉墙；道路路基支挡；应用

引言

十二五规划期间，随着国家对基础建设力度的投资逐渐加大，公路建设出现方兴未艾的局面，路基支挡工作面临前所未有的挑战。将深基坑中常用的土钉支护技术运用到路基支挡工程中，是路基支挡工程的一个重要突破。

1土钉墙的概念

所谓“土钉墙”（Soilnailingwall）就是由土、土钉和面层组成的支挡结构，通过钉体的加筋作用对土体进行约束加固，改变了素土墙的受力性状，整个支护结构形成一个类似于重力式挡墙的挡土结构，维持了基坑和边坡的稳定，见图1。

图1土钉墙示意图

所谓“土钉”是指放入土中对原位土体进行约束的细长杆件，通过注浆加大钉土界面的摩擦力，能更好的发挥土钉的抗拉强度。土钉也可用钢管、角钢等直接打入土中而无需注浆。其主要承受拉力，注浆体和土体间的摩阻力提供了土钉的抗拔力，约束了土体变形的发展。土体是各向异性材料，无抗拉能力抗剪强度很低，而钢材是各向同性材料抗拉强度很高。钢材和土体的组合使用形成整体结构，相对素土而言土钉墙支护结构具有一定的抗拉能力。钉土相互作用依靠稳定区的抗拉能力约束了活动区的土体，阻止了滑动破坏的发生，改善了素土墙突发性的坍塌破坏。

2土钉作用机理

土钉墙的破坏和受力性状与素土相比变化较大，那是因为孔内注浆对周围土体具有一定的加固作用，注浆体和土体之间接触面比较大，能提供较大的抗拔力。此外，墙体发生变形时土体就有向坑内滑动的趋势，土钉阻碍着土体的移动保证了坑壁的稳定，改变了墙体的受力性状和破坏形态，墙体的整体性能得到改善。由上所述，土钉墙的作用机理有以下几个方面：

2.1置筋形成复合土体补强效应

①分担作用：土钉墙中土钉起着分担外荷载和自重应力的作用。与土体相比土钉的抗拉、抗剪和抗弯强度都很高，土体因变形的发展不能承受拉力而退出工作，土钉则成为主要的受力构件分担作用愈加明显。

②骨架约束作用：土钉自身的强度、刚度很大，约束土体变形。

③对坡面变形的约束作用：面层能起到挡土作用，也能保证所有土钉整体作用的发挥，保证了墙体的整体性。

④应力传递与扩散作用：当荷载较大，上部土钉因变形较大承载能力下降，然而位于下部的土钉仍然能够承受相当大的抗力。土钉通过应力传递把活动区内的应力传到稳定区的土体，降低了应力集中程度，保证了基坑的稳定。土体的三轴强度随着土钉布置密度的增加（如由1排增加到3排）而增加。根据土体性质的不同，其强度可以增加到原状土的1.5~2倍，甚至更高。

2.2类重力挡土墙作用

依靠自身重力抵抗墙后传来的侧向土压力的一类支护结构都为重力式挡土墙。土钉墙是由细长、密集土钉构成的一类加筋支挡结构。在土钉和土体的相互作用下形成一道类似重力式挡墙的支护结构，以保证墙后土体的稳定。

2.3土拱效应

土拱（soilarching）是描述土体中剪应力转移现象的。当土体密实度较大，土钉竖向间距较小，同排上下钉间将形成承压拱（见图2-4），两土钉间的加固土体和土钉形成一个稳定的整体。同理，水平向的土钉在注浆体的作用下也能形成土拱效应。这种通过土拱效应把土钉受力向邻近土体、土钉进行应力传递和扩散，避免了应力过度集中，减少了单根土钉因受力过大而破坏的现象，使土钉墙的整体作用更强。

3土钉墙结构设计验算内容及其构造要求

3.1相关规范综述

3.1.1道路相关规范

CJJ194—2013《城市道路路基设计规范》中并未对路基支挡形式提出明确要求，其中6.4.4条提出结合多方面要素合理选择路基边坡支挡与加固措施，6.4.8条明确支挡结构和加固结构的设计计算及构造要求应符合现行行业标准JTGD30—2015《公路路基设计规范》。

JTGD30—2015《公路路基设计规范》中5.6“土钉支护”的内容延续了JTGD30—2004《公路路基设计规范》，并未做太多修订。该土钉支护主要针对道路边坡防护，规定其结构计算内容包括以下几个方面：内部整体稳定性验算、外部整体稳定性验算和坡面构件以及坡面构件与土钉的连接计算。该规范仅列出需计算验算的内容，并没有详细的计算过程，尤其是对土钉承载力计算交待不是很清楚。

3.1.2建筑相关规范

JGJ120—2012《建筑基坑支护技术规程》第5章“土钉墙”与GB50793—2011《复合土钉墙基坑支护技术规程》相关内容基本一致，其计算内容主要包括稳定性验算和土钉承载力验算2个方面，并对其构造、施工和检测等方面做了详细的规定。

3.1.3铁路相关规范

TB10025—2006《铁路路基支挡结构设计规范》第9章“土钉墙”，内部稳定性计算即土钉承载力计算与建筑相关规范基本一致，9.2.8中明确了外部稳定性验算时可将土钉及其加固土体视为重力式挡土墙，进行抗倾覆、抗滑动及基底承载力验算；对于土质边坡、碎石土状软岩边坡，还应进行圆弧稳定性验算。

3.2土钉墙结构设计验算内容

综上所述，各规范中土钉墙结构计算主要有以下2个内容：内部稳定性计算即土钉承载力计算，包括土钉钉材抗拉力计算、土钉钉材与砂浆黏结强度计算、土钉与土体抗剪强度计算等；外部稳定性计算即边坡稳定计算，包括按照常规的圆弧滑动法进行边坡稳定计算和将土钉墙及其加固土体视为重力式挡土墙，进行抗倾覆、抗滑动及基底承载力等验算。关于面层结构以及与土钉连接等计算，道路规范中有明确规定，而建筑、铁路相关规范中并未要求，仅给出了一般构造规定。根据土钉拉力中间大、两头小的特征，以及面层受力理论尚不清晰等因素考虑，笔者认为一般情况下面层结构满足构造规定即可。

3.3土钉墙构造要求

从表1可以看出，除面层构造以外，其余各项规定基本接近，可根据实际情况选用。道路及建筑相关规范中土钉墙主要用于边坡防护以及基坑支护等；当土钉墙作为城市道路路基挡土结构时，构造尺寸等可适当参照铁路相关规范。

表1土钉墙构造对照表

4工程案例

4.1工程概况

某城市道路东侧为现状小区，小区与道路高程约2~2.5m，小区围墙内为内部道路，围墙距小区建筑约6.5m。若采用重力式挡墙或悬臂挡墙等，势必会破坏小区内道路、绿化等，社会影响较大。综合考虑各方面因素，最终选用了土钉墙方案，不仅避免了用地限制的矛盾，而且也节约了工程造价。

4.2土钉墙构造与设计

土钉墙拟定构造尺寸：土钉直径10cm，土钉钢筋C20，土钉间距1m，倾斜角度20°，长度6.0m，土钉砂浆强度M20；面层分2次浇筑，内层为喷射10cmC30混凝土，外层为后浇20cmC30混凝土，设双层双向钢筋网片准10mm@150mm。对该土钉墙分别进行内部稳定性和外部稳定性计算，计算结果均满足规范要求，设计方案可行。

4.3案例评价

经过几年的运营使用和观测，该工程土钉墙墙面未发现明显变形，小区内道路也未发生沉降、路面没有新增裂缝，路基支挡效果良好，取得了一定的经济效益和社会效益。本工程实例城市道路建设中具有一定的代表性，类似情况下，土钉墙则可作为推荐挡土墙方案实施。

结语

随着道路建设形式日益复杂，规模不断扩大，土钉墙施工技术在路基支挡过程中的应用会越来越广泛，基于土钉墙及其在经济上和施工方面的优势，也必将成为一个设计领域备受关注的焦点。

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