土钉承载力验算问题的探讨

发布于：2015-12-17 09:53:17 来自：建筑结构/岩土工程 [复制转发]

　　建筑基坑规范2012中单根土钉的极限抗拔承载力标准值给出了一个估算公式，但其合理性有待探讨。
　　《建筑基坑支护技术规范JGJ120-2012》中第5.2.5条对单根土钉的极限抗拔承载力验算进行了如下规定：单根土钉的极限抗拔承载力标准值可以按下式估算：

，但应通过本规程附录D规定的土钉抗拔试验进行研究。其中，dj-第j层土钉的锚固体直径（m）；qsk,i-第j层土钉与第i土层的极限粘结强度标准值（kPa）；li-第j层土钉滑动面以外的部分在第i土层中的长度（m），直线滑动面与水平面的夹角取

。该公式对应的各参数如图1所示。

图1 基坑规范2012中插图5.2.5

　　但是笔者对此公式的运用有一定的怀疑。做个很简单的假设，如果上图中中间第3排（从上往下数）土钉长度较短，没有穿过假定的直线滑动面，则li=0，根据公式5.2.5，计算得到的Rk,j=0,即第3根土钉的抗拔承载力为0，而土压力是作用在土钉头与混凝土面板接触处的，则上述情况导致的结果是第3排土钉因为抗拔承载力不足而被拔出，这显然是不符合实际的。在整个土钉挡墙稳定的情况下，难道第3排土钉会单独鼓出或飞出？

　　针对上述问题，笔者认为，验算土钉承载力，如果按照规范的思路，那么在计算土钉的抗拔力时也应该是考虑整个土钉的长度；而且，土钉墙作为一个加固体系，各排土钉并不是独立作用的，而是作为一个系统相互影响的。基于上述论述，笔者认为，更好的一种思路是，将土钉及其加固块体视为一个整体进行稳定性验算。该块体沿着最危险潜在滑面滑动，综合考虑加固整体的稳定性，而不是单独考虑某根土钉的抗拔力。类似外部稳定分析，但不是圆弧滑面，且滑面穿过大部分土钉。

　　这一点和锚杆的拉拔验算类似，我们分析时由锚杆的锚固段（抗拔）和锚杆杆体的粗细（抗拉）得到锚杆能提供给滑面的最大抗力，从而得到滑面的安全系数，而不是由滑面的设计安全系数，反算得到滑体滑动时作用在单根锚杆上的力。实际上，我们很难计算得到单个锚杆的受力。同样的道理，计算土钉时，只是假设的滑面为主动破坏时的棱体破裂面。同时，由于土钉（外力）的影响，该滑面不一定为没有土钉时的主动土压力破坏面（45°- φ/2），而应该搜索得到。可能的破坏面形状如下图：

　　从整体稳定的角度我们就可以更清楚的解释为什么规范的验算方法存在一定的不合理性。我们假设某一根土钉出现了鼓出（抗拔承载力不足），那么滑体一定沿着规范假设的滑面（45°-φ/2）产生了滑动，此时，其他土钉必定会对这个滑动产生抗力，从而阻止滑动，那么抗拔承载力不足的土钉就不会鼓出，从而自相矛盾。如果土钉承载力不足，滑体滑动，那么土钉只可能出现以下三种破坏（如图2），且所有土钉均会破坏：

　　1. 土钉拉断

　　2. 从滑面后的稳定土体中拔出；

　　3. 依然保留在稳定土体中，从滑动块体中拔出；

图2 土钉破坏的三种模式

　　实际工程中从来没有出现过单根土钉拔出，而整体稳定的。最后简单总结一下，土钉墙设计需要进行的验算：

　　1. 倾覆滑移验算；

　　2. 地基承载力验算；

　　3. 内部稳定性验算（直线或折线滑面） - 本文提到的土钉承载力；

　　4. 外部稳定性验算：绕过土钉墙的圆弧滑面

　　5. 混凝土面层强度验算。

　　上述验算均可以在GEO5土钉边坡支护设计中实现。在GEO5中，用户可以选择“内部稳定性-直/折线滑动”（图3），将土钉和其加固的块体视为整体进行稳定性验算。理正深基坑仅能依据建筑基坑规范2012验算土钉，因此有时候我们会发现最终设计方案很奇怪。在此笔者建议大家在研读规范和使用软件时，要注意对条文细节的理解和批判，不能一味只相信软件。还是那句话：软件只能作为辅助，而不能作为主宰。

图3 内部稳定性验算滑面类型

图4 GEO5土钉边坡支护设计界面

关注 GEO5 官方微信公众号 “GEO5 岩土设计 ” ，关注更多 GEO5 使用技巧和计算理论