土釘支護工作機理和應力分析

石超

【摘 要】本文通過對土釘支護結構的破壞形式的分析，從兩個方面對土釘支護結構的工作機理進行了闡述，對工程界在進行土釘支護抗拔穩定性和整體穩定性驗算時具有一定的參考價值。

【關鍵詞】土釘支護；破壞形式；工作機理

Soil nailing mechanism and stress analysis

Shi Chao

（Spring of Hebei Construction Engineering Co.， Ltd Handan Hebei 056000）

【Abstract】Based on the failure mode of soil nailing structure analysis， from two aspects of working mechanism of soil nailing structure are described， for engineering during soil nailing pullout when checking the stability and overall stabilityIt has a certain reference value.

【Key words】Working Mechanism；Failure mode；Soil nailing

1. 土釘支護技術的概述

（1）土釘支護技術是近幾十年發展起來的，用于土體開挖和邊坡穩定的一種新的擋土技術。由于其經濟可靠，施工快速簡便，已在大量工程中得到應用，成為繼排樁支護，地下連續墻支護等傳統的支護方式之后的又一項新的支護技術。據有關資料顯示，土釘支護技術的應用在各種支護中已占據重要的地位。

（2）所謂“土釘”（Soil Nail）就是置入現場土體中以較密間距排列的細長桿件，如鋼管或鋼筋等，通常還外裹水泥沙漿或水泥凈漿漿體（注漿釘）。土釘的特點是沿通長與周圍土體接觸，以群體起作用，與周圍土體形成一個組合體，在土體發生變形的條件下，通過與土體接觸面的粘結力，使土釘被動受拉，并主要通過受拉工作給土體以約束加固或使其穩定。土釘的設置方向與土體可能發生的主應變方向大體一致，通常接近水平并向下呈不大的傾角。國內亦有資料稱土釘的“插筋”（Insertbar），錨釘等。

2. 破壞形式

土釘支護結構的可能破壞形式主要有兩種：體外破壞和體內破壞。體外破壞是指破壞面完全在土釘加固區外。體內破壞是指破壞面完全或部分穿過土釘加固區。

2.1 體外破壞。

2.1.1 體外破壞是發生在土釘加固區域之外的破壞，此時密集的土釘與周圍土體形成一個異性復合整體，猶如一個重力式擋堵，可能發生三種失穩：

（1）沿底面滑動；

（2）繞面層底端傾覆：

（3）深部滑移。

2.1.2 這三種可能的破壞形式中，前兩種與重力擋土墻在主動土壓力作用下失穩相同，作用在支護結構背部的是主動土壓力，后一種形式與一般的邊坡失穩相似，在普通擋土墻設計中也要考慮，所以均可按重力擋土墻加筋土擋墻設計中的方法進行驗算。

2.2 體內破壞。

此時可能的破裂面發生在土釘結構內部，穿過土釘加固區域的全部或部分，邊坡被破裂面分成穩定區和不穩定區兩部分。體內破壞還包括土釘復合體的局部稱定破壞，可能發生的三種類型的土釘破壞，一是土釘在穩定區內由于抗拔力不足而被拔出，二是土釘在最大拉力處被拉斷，三是土釘端頭與面板連接處破壞或面板破壞。

3. 土釘結構的工作機理

目前，一般認為土釘支護機理是以新奧法理論為基礎，在土釘體作用下，把潛在滑裂面之前的主動區的復合土體視為具有自承能力的穩定土體，以阻止土體側向位移，支承未加筋區域土體的側壓力，保證土坡的穩定性，即認為經過加筋的土體形成了類重力式擋土墻——土釘墻，土釘的作用機理類似于擋土墻的機理。這種觀點對于解釋土釘支護結構的外部整體穩定性（抗滑、抗傾覆、支護結構底部土體極限承載力）是合理的，然而卻無法解釋支護結構內部穩定性與釘土相互作用有關的許多問題。實際上土釘支護機理極其復雜，它與許多因素有關，例如土體的物理力學指標，土釘本身的強度、幾何尺寸、布置方式等。因此，許多學者從摩擦加筋機理、增強機理等方面進行研究。

3.1 摩擦加筋機理。

圖1 摩擦加筋機理

（1）圖1為土釘支護結構示意圖，其中AB為潛在的滑裂面，潛在滑裂面將支護結構分成主動區和穩定區兩個區域，主動區ABC產生的水平推力通過與土釘間的相互作用與面層AC一起在土釘中形成拉力，有將土釘從穩定區拔出的趨勢，穩定區的土與十釘間的摩阻力卻阻止土釘被拔出。如果主動區土體的水平推力為穩定區釘土之間的摩阻力所平衡，則整個土釘支護結構的內部穩定性就可以得到保證。

（2）隨著基坑開挖的進行，土體所受的周圍應力逐漸減小，有可能發生剪切破壞，剪切破壞是通過土粒的剪切滑動來實現的，具體表現為跳過或剪斷相鄰的土顆粒，置入土釘體后，土顆粒與土釘之間產生摩擦阻力，使土釘阻礙土粒的剪切移動.可以通過取一個土釘的微元段來分析釘士之間的摩擦力，如圖1（b）。垂直作用在寬度為b 的土釘體上的垂直力為Ν ，則作用在長度dl 土釘體上下兩側所受的垂直力為2Νb×dl ，由土的水平推力在該微分段所引起的拉力為dT =T1-T 2，土顆粒與土釘體之間的摩擦系數為f 如果2N fb dl>dT cosβ則釘土之間就不會產生相互滑動，如果每一層拉筋均能滿足此要求，則整個土釘結構的內部抗拔穩定性就得到了保證，從而也就不會出現圖1（ a ）中的滑裂面AB 。工程界在進行土釘支護抗拔穩定性和整體穩定性驗算時一般均基于該理論。

3.2 增強機理。

3.2.1 邊坡土體的應力是隨著土體的開挖而變化的。土體未開挖時，土中側向應力σ3 = k0σ1，0k為靜止土壓力系數，摩爾圓如圖2中的a 圓，隨著土體的開挖，3σ減小，摩爾圓左移，當3f01σ=kσ時，土體達到朗肯主動狀態，aK為主動土壓力系數，此時摩爾圓與強度包線相切，土體破壞（圖2 中的b 圓）。因此，阻止側向應力3σ的減小，或提高土體的抗剪強度指標，都可以使土體不發生破壞。

圖2 土體的應力變化

（1）附加側向壓應力。

土釘的增強機理之一就是在釘間土中產生了附加側向壓應力3Δσ。土釘邊坡支護后的土體可以看成是各向異性的復合材料，通常土釘的拉筋采用鋼筋，其彈性模量遠大于土體。在土體發生變形的條件下，土釘與土體的相互作用將在界面上產生摩阻力，土釘中產生拉力，因而相當于在土單元中產生附加側向壓應力3Δσ，限制土的側向膨脹。附加的側向壓應力使摩爾圓右移而遠離強度包線，從而使土體保持平衡（圖3），由此可以看出，土體與土釘之間的摩擦性能是土釘加強土體的基本因素。

圖3 附加側向壓應力

圖4 附加粘聚力

（2）附加粘聚力（見圖4）。

x

3.2.2 由此可見，土釘置入一方面使摩爾應力圓右移，減小土體承受的剪應力，另一方面土與土釘組成的復合體使土體強度提高，使彈性域增大，破壞區域上移，并隨著土體位移的增大，土釘發揮的作用越大，土與土釘協調作用，利用復合土體自身的整體強度與剛度.通過改善并調整其應力分布，達到安全穩定的目的，這與傳統的被動制約支擋體的作用原理不同。被動制約提供了側向平衡力，使摩爾應力圓右移，減小了土體中的剪應力，但并未使土體強度提高，破壞區域并不能上移。

4. 結束語

土釘支護技術是近年來剛發展起來的一種新型支護技術，己得到廣泛的應用。土釘支護結構的工作機理一般可以用摩擦加筋機理、增強機理等方面來解釋。土釘和土體的界面摩阻力使釘土之間不會產生相互的滑動，從而提高了土釘結構的內部穩定性。以附加粘聚力的形式則一方面可以減少土體承受的剪應力，另一方面土與土釘組成的復合土體使土體強度提高，使彈性域增大，破壞域上移，并隨著土體位移的增大，土釘發揮的作用越大，土與土釘協調作用，利用復合土體自身的整體強度與剛度，通過改善并調整其盈利分布，達到安全穩定的目

的。

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[文章編號]1619-2737（2015）05-22-360