土体的抗剪强度较低，抗拉强度几乎可以忽略，但土体具有一定的结构整体性，当超过某一深度或者在地面超载及其它因素作用下，将发生突发性整体破坏。所采用的传统支挡结构均基于被动制约机理，即以支挡结构自身的强度和刚度，承受其后的侧向土压力，防止土体整体稳定性破坏。

 

　　土钉墙是由在土体内放置一定长度和密度的土钉体构成的。土钉与土体共同作用，形成了能大大提高原状土强度和刚度的复合土体，土钉的作用正是基于这种主动加固的机理。土钉与土的相互作用，还能改变土坡的变形与破坏形态，显著提高土坡的整体稳定性。

 

　　试验表明：直立的土钉墙在坡顶的承载能力约比素土边坡提高一倍以上。更为重要的是，土钉墙在受力过程中不会发生像素土边坡那样的突发性滑塌。它不仅推迟了塑性变形的发展阶段，而且明显地呈现出渐进性变形与开裂破坏并存且逐步扩展的现象，直至丧失承受更大荷载的能力，仍不会整体性滑塌。

 

　　(a)土挡墙试验模型；

 

　　(b)荷载P与垂直位移的Sv关系；

 

　　(c)荷载P与水平位移Sh的关系；

 

　　(d)荷载P与土钉钢筋应力的关系；

 

　　①弹性阶段；②塑性阶段；

 

　　③开裂阶段；④破坏阶段

 

　　目前，一般认为土钉支护机理是以新奥法理论为基础，在土钉体作用下，把潜在滑裂面之前主动区的复合土体视为具有自撑能力的稳定土体，以防止土体侧向位移，支承未加筋域土体的侧压力，保证土坡的整体稳定性，即认为经过加筋的土体形成了类重力挡土墙─土挡墙。土钉墙的工作机理类似挡土墙，运用于解释土钉支护结构的外部稳定性(抗滑、抗倾覆、支护结构底部土体极限承载力)是合理的，然而却无法解释支护结构内部稳定性，以及与土钉相互作用有关的许多问题。

 

　　在土钉墙体系中，土钉是重要的受力构件，土钉的作用可分为：①将作用于面层的土压力，通过土钉与土体的摩擦力(或剪应力)传递到稳定土层中，类似于土层锚杆；②通过密而短的土钉将墙后土体的变形约束起来，形成由土体、注浆体、土钉组成的复合土体，复合土体类似于重力式挡墙受力，这种作用类似于加筋土挡墙；③不管用什么形式施工的土钉(钻孔法、打入法、预入法)，土钉通道同时也是注浆孔，该注浆不仅形成土钉挡墙与地层之间的摩擦带，同时以劈裂、渗透及压密注浆的形式加固墙后土体，这种作用类似于压密注浆机理。

 

　　以下对钢筋、注浆、喷射混凝土面层各部分的作用分别进行分析：

 

　　⑴土钉(包括钢筋和钢筋周围的砂浆柱)在整个复合结构中扮演主要角色，它极大增加了土体的抗剪强度，使本来松散的土体变成整体性比较强的类似加筋土的复合体，土钉是由抗拉强度很高的钢筋和粘结强度很高的砂浆组成，当土钉插入后，由于钉土之间的摩擦力分担了超出原状土所能承受的过大的应力，这种应力转移和重分布可以大大推迟和延缓土体的塑性流动和滑塌。

 

　　⑵注浆：注浆浆液可以渗透到土体的孔隙中对土颗粒起胶结作用，这种渗入在砂土中尤为明显，胶结改善了土体的松散性，提高了原状土的整体性能，保证并加强了土、砂浆柱及钢筋之间力的传递和转移。

 

　　⑶面层喷射混凝土：使分布在土体中的土钉共同工作，一旦局部一个或几个土钉达到极限状态，通过面层可以转移到其余土钉上去；对各土钉所受荷载以及坑壁位移有调节作用；限制坡面膨胀和局部塌落，保持坡面的完整性；起护坡作用，如防止降雨的冲刷等。

 

　　迄今，为研究土钉支护结构内土钉内力的分布，面层土压力的分布以及支护结构的变形特性，国外已对支护土钉作了不少大型的量测试验，其中也有为试验而修建的工程。

 

　　⑴土钉置入现场土体后，如果土体不变形，土钉就不会受力。随着向下开挖、地表加载，或土体徐变即产生土体变形，于是通过土体与土钉之间的界面粘结力使土钉受拉。量测表明，只要土体发生微小的变形，就可使土钉受力。

 

　　⑵土钉的拉力沿其长度变化，最大拉力部位随着基坑向下开挖，从开始时靠近面层的端部逐渐向内转移，一般发生在土体的可能失稳面上。土钉靠近面层的端部拉力与土钉中最大拉力的比值随着往下开挖而降低。当土钉长度较短时，土体破坏面可能移出上部土钉之外，这些土钉中的最大拉力一般发生在钉长中部。

 

　　⑶不同深度位置上的土钉，其受到的最大拉力在使用状态下有很大差别，顶部和底部的土钉受力较小，靠近中间部位的土钉受力较大。但临近破坏时，底部土钉的拉力显著增长。

 

　　⑷支护喷射混凝土面层背后的侧土压力，沿其高度分布为中间大，上、下小，接近梯形而不是三角形，压力的合力值要比挡土墙理论给出的计算值(Rankine主动土压力)低得多，一般为主动土压力的0.5～0.7倍。这表明土钉支护的面层完全不同于一般的挡土墙。支护面层所受的土压力合力远小于土钉所受到的最大拉力之和。

 

 

　　土钉支护施工包括基坑开挖和边坡修整、成孔、置筋、注浆及喷射混凝土等工序。

 

　　1）基坑开挖与边坡修整

 

　　基坑开挖应分层分段进行，开挖时应尽量避免过坡超挖或最大限度的减少对支护土层的扰动，松动部分在坡面支护前必须予以清除，对松散或干燥的无粘性土，尤其是当坡面受到外来振动时，要先进行灌浆处理。上层喷射混凝土未施工完毕不得进行下层土的开挖，当基坑面积较大时可以在距离四周边坡8～10m以外基坑中部自由开挖，但应注意与分层作业区的开挖协调一致，为防止基坑边坡土体坍塌，应合理控制每层开挖深度，使开挖面上的土体能在支护前保持稳定，这对于限制土钉变形很重要。因为土钉墙变形主要发生在施工过程中，如果没有附加荷载，土钉墙竣工后，其变形基本趋于稳定，因此，每层开挖后应及时进行支护以限制侧向变形。

 

　　2）成孔

 

　　成孔土钉成孔工艺和方法与土层特点、机具装备和施工单位的施工手段和经验有关。当前，国内大多数采用螺旋钻、洛阳铲等成孔设备，也可使用土锚专用钻机成孔，成孔前，应根据土层的具体情况选用合适的机具，以保证成孔时不引起坍塌，在易坍塌的土体中钻孔时，宜采用套管成孔或积压成孔，成孔过程中取出的土体应按土钉编号加以记录并及时与地质勘探报告所标定的土加以对比，发现有较大差别时，应及时通知设计单位修改设计参数。成孔后进行清孔检查，一般采用压缩空气将孔内残留的废土清除干净。

 

　　3）置筋

 

　　土钉钢筋入孔前应先在赶紧上每隔1.2～2.0m焊置1个定位架，保证钢筋处于孔的中心部位。焊置支架时应考虑该支架不得妨碍浆体的流动。

 

　　4）注浆

 

　　土钉注浆可采用灰浆泵或砂浆泵灌注，浆液采用纯水泥浆或水泥砂浆，水泥砂浆的水灰比不宜超过0.4～0.5，用水泥净浆时水灰比一般为0.5左右，为保证土钉与周围土体紧密粘合，在止浆塞上将注浆管插入注浆口，深入距孔底0.25～0.5m处，注浆管连接注浆泵，边注浆边向孔口方向拔管，直至注满为止。注满浆后要保持压力3～5min再放松止浆塞，将注浆管与止浆塞拔出，用粘性土或水泥砂浆充填缺口，为防止水泥砂浆在硬化过程中产生干缩裂缝，提高其防腐性能，保证浆体与周围土壁紧密结合，可掺入一定量的膨胀剂，为提高水泥砂浆或水泥浆的早期强度，加速硬化，可掺入早强剂。

 

　　5）喷射混凝土

 

　　在喷射混凝土前，应用压缩空气或压力水将待喷面吹净。清除代喷面上松散土或尘埃，钢筋片可固定在插入边壁短钢筋上，并符合设计的保护层厚度要求，喷射混凝土的速度应适当，以保证混凝土能够密实，喷嘴与待喷射面应保持适当的距离，一般在0.6～1.2m之内，射流方向应尽可能垂直喷射面，以便混凝土获得最大的压实力和最小的回弹，如果喷射的混凝土出现沙囊或下垂，应及时清除，重新喷射，当面层厚度超过120mm时，应分2次喷射，2次喷射前，应清除接合面上的浮浆层和松散的碎屑，并洒水使其湿润，混凝土喷射完成后应及时养护，根据当地环境条件可采用连续喷水、织物覆盖浇水或喷洒养护方法。

 

　　6）排降水措施

 

　　当地下水位较高时应采取人工降水措施，一般情况沿基坑周围每隔10m左右设置一个降水井，在降水同时也要做好基坑周边、基坑坡面及基坑底的排水；在基坑底的排水，在基坑周边挖设排水沟或设置混凝土地面以便及时排除地表水；在基坑周边挖设排水沟，或设置混凝土地面以便及时排除地表水。另外，为防止地表水渗透对喷射混凝土面产生压力，降低土体强度及土体与土钉之间的界面粘结力，应在基坑坡面设置排水系统，坡面排水可在喷射混凝土面层中设置排水管，即用直径50～80mm，长300～500mm的带孔塑料管内填滤水材料，排水管的间距和数量随水量而定，在基坑底部应设排水沟和集水井，排水沟应防止渗漏，并适当离开面层一定距离。