基坑支护中土钉与锚杆的区别探讨

吴大国

（ 安 徽 省 水利部淮河水利委员会科学研究院 合肥 230088）

1 引言

随着城市化的快速发展，高层建筑、地下工程等项目日益增多，深基坑工程也越来越多，深基坑支护技术得到较快发展。基坑支护的方式有土钉墙支护、排桩支护、地下连续墙支护、桩锚支护等[1]。1912年，德国谢列兹矿最先采用锚杆支护井下巷道以来，锚杆支护以其结构简单、施工方便、成本低和对工程适应性强等特点，在土木工程中得到了广泛应用；土钉支护是近年发展起来用于土体开挖和边坡稳定的一种新的挡土技术，由于经济可靠且施工快速简便，成为基坑支护中常见的支护方式。虽然基坑支护相关规范中对土钉与锚杆有着明确的定义[2]、[3]，但工程实践中技术人员对二者的概念依然混淆不清。本文通过以下几点对土钉与锚杆的区别予以探讨。

2 概念区别

土钉是用来加固或同时锚固现场原位土体的细长杆件，通常采取土中钻孔、置入变形钢筋即带肋钢筋并沿孔全长注浆的方法做成。土钉也可用钢管、角钢等作为钉体，采用直接击入的方法置入土中[2]。土钉墙技术则是在土体内放置一定长度和分布密度的土钉体与土共同作用，弥补土体自身强度的不足。因此通过以增强边坡土体自身稳定性的主动制约机制为基础的复合土体，有效地提高了土体的整体刚度，弥补了土体抗拉、抗剪强度低的弱点。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的性状，显著提高了整体稳定性，更重要的是土钉墙受荷载过程中不会发生素土边坡那样的突发性塌滑，土钉墙不仅延迟塑性变形发展阶段，而且具有明显的渐进性变形和开裂破坏，不会发生整体性塌滑。

锚杆是将拉力传递到稳定的岩层或土体的锚固体系，通常包括杆体（由钢绞线、钢筋、特制钢管等筋材组成）、注浆体、锚具、套管和可能使用的连接器。当采用钢绞线或钢丝束作杆体材料时，可称锚索[3]。

3 工作机理区别

土钉依靠与土体之间的界面粘结力或摩擦力，在土体发生变形的条件下被动受力，并主要承受拉力作用。土钉对复合土体起箍束骨架作用，制约土体变形并使复合土体构成一个整体，土钉与土体共同承担外荷载和土体自重应力，土钉起分担作用，由于土钉有很高的抗拉抗剪强度，所以土体进入塑性状态后，应力逐渐向土钉转移，土钉分担作用更为突出。土钉支护如图1所示。

锚杆由自由段和锚固段组成，通过锚固结构（锚具、腰梁等），将荷载由杆体的自由段传递到深层土体中，锚杆自由段长度不小于5m，穿过潜在滑动面不小于1.5m[3]，锚杆是主动受力。锚杆支护如图2所示。

土钉是全长受力，不过受力方向分为两部分，潜在滑裂面把土钉分为两部分，前半部分受力方向指向潜在滑裂面方向，后半部分受力方向背向潜在滑裂面方向；锚杆则是前半部分为自由端，后半部分为受力段。

土钉支护是通过密集的土钉群来提高原位土体的强度和稳定性，从而达到加固原位土体的目的；而土层锚杆是通过杆体将荷载传到潜在滑动面以外的土体中，从而使锚固结构体系整体稳定。土钉面层不是主要受力构件，其主要作用是保护土钉头以及防止面层局部失稳，因而其抗压抗弯强度不需要太高。而锚杆则不同，面层材料要抵抗锚杆中施加的预应力，因此对面层强度要求较高。

4 计算模型区别

土钉支护计算模型，被加固土体部分可看作是加筋土重力式挡墙，按重力式挡墙计算，如图3所示。土钉设置应满足加筋土重力式挡墙自身不会产生破坏的要求，还应满足外侧土压力作用下重力式挡墙的整体稳定需要。锚杆支护结构计算模型，支护结构的内力计算采用弹性支点法，可根据锚杆设置排数，选择单支点法和多支点法，整体稳定性可按圆弧滑动条分法，如图4所示。

单根土钉受拉荷载标准值可按式（1）计算：

式中：ζ——荷载折减系数；

eajk——第j个土钉位置处的基坑水平荷载标准值；

sxj、szj——第j根土钉与相邻土钉的平均水平、垂直间距；

aj——第j根土钉与水平面的夹角。荷载折减系数ζ可按式（2）计算：

β—土钉坡面与水平面的夹角。

锚杆轴向受拉承载力设计值可按式（3）计算：

式中：Nu——锚杆轴向拉力承载力设计值；

d1——扩孔锚固体直径；

d——非扩孔锚杆或扩孔锚杆的直孔段锚固体直径；

li——第i层土体中直孔部分锚固段直径；lj——第j层土体中扩孔部分锚固段直径；

qsik、qsjk——土体与锚固体的极限摩阻力标准值，应根据当地经验取值；

ck——扩孔部分土体粘聚力标准值；

γs——锚杆轴向受拉抗力分项系数，可取1.3。

整体稳定性验算采用圆弧滑动简单条分法，按（4）式计算：

式中：n——滑动体分条数；

m——滑动体内土钉数；

γk——整体滑动分项系数，可取1.3；

γ0——基坑侧壁重要性系数；

wi——第i分条土重；

bi——第i分条宽度；

cik——第i分条滑裂面处土体固结不排水粘聚力标准值；

ik——第i分条滑裂面处土体固结不排水内摩擦角标准值；

θi——第i分条滑裂面处中点切线与水平夹角；

αj——土钉与水平面之间的夹角；

Li——第i分条滑裂面处弧长；

s——计算滑动体单元厚度；

Tnj——第j根土钉在圆弧滑裂面外锚固体与土体的极限抗拉力。

5 结语

锚杆在我国应用较早，概念较为明确；土钉支护是在锚杆支护技术基础发展起来的新型支护技术。工程技术人员应掌握其不同的工作机理，在工程实践中灵活运用，实现基坑支护的经济和安全■

[1]技术规程编写组.建筑基坑支护技术规程（JGJ120—99）[S].北京：中国建筑工业出版社，1999.

[2]技术规程编写组.基坑土钉支护技术规程（CECS96:97）[S].北京：中国建筑工业出版社，1997.

[3]技术规程编写组.岩土锚杆（索）技术规程（CECS222005）[S].北京：中国计划出版社，2005.