土釘支護和錨桿支護區別之精析

　　目前，土釘支護[1]和錨桿支護[2]在基坑工程中的應用已經十分普遍，但是，許多施工人員甚至設計工程師對二者缺乏較深的理解，很容易將兩者混為一談。因此，很有必要對二者的區別進行較為全面的分析。
　　1.受力機理和受力形態不同
　　 一般情況下，土釘為被動受力；而錨桿是主動受力。由于土釘長度穿過非穩定區（自由段），一部分進入土體穩定區（錨固段），在土釘施工完畢后，基坑的非穩定區產生變形，相對于土釘向基坑內側位移，由于土釘一部分長度設置在穩定區，使得土釘和土體間的變形不能同步，則土釘和土體之間發生相對位移。非穩定區的土體相對土釘向基坑內側位移，土釘給周邊土體提供向基坑外側方向的側摩阻力，來維持基坑的穩定，相反，土釘受到的側摩阻力方向指向基坑內側。而在穩定區，土釘相對土體有被拔出的趨勢，則土體施加給土釘的側摩阻力指向基坑外側，以此來提供土釘的抗拔力。也就是說，土體施加給土釘的側摩阻力方向在非穩定區指向基坑臨空面，在穩定區背向臨空面，方向在非穩定區和穩定區發生改變。由于側摩阻力是逐步發揮的，土釘內力也就是由表及里依次發揮，形成中間大（非穩定區和穩定區處拉力最大），兩頭小的內力分布形態。而錨桿（當桿體材料采用鋼筋時一般稱錨桿，采用鋼絞線時一般稱錨索，下文統稱錨桿，且均按拉力集中型錨桿考慮）雖然也分自由段和錨固段，但是在自由段的錨桿是無粘結的，也就是錨桿桿體和注漿體分離，可以自由拉伸，而在錨固段則全長粘結。當非穩定區產生變形時，非穩定區土體的變形通過錨下承載結構傳遞給錨頭，使得錨頭產生拉伸變形，進而將拉力通過自由段直接全部傳遞到錨固段，由于錨固段設置在穩定區域，相對土體有被拔出的趨勢，則土體給錨固體提供背向基坑臨空面方向的側摩阻力來實現抗拔。因此錨桿在自由段內力理論上是均勻分布的，進入錨固段后，則隨錨固段長度而衰減。一般情況下，錨桿都施加預應力，預先通過張拉錨桿來約束非穩定區土體，實現主動支護。另外，土釘屬于土體加筋技術，即通過密集的加筋體作為土體的補強手段，從而提高被加固提提的強度和自穩能力；而錨桿則是一種錨固技術，通過錨桿提供的錨固力來提高不穩定土體的穩定性。一般情況下，土釘支護基坑的位移比錨桿支護基坑位移要大。
　　2.支護方式不同
　　 土釘是以小間距、低承載力的土釘群實現基坑支護，一般土釘豎向和橫向間距在1.0m-2.0m之間，對于堅硬粘土或風化巖土，有時超過2.0m，而對于軟土和松散砂土則可小于1.0m。一般來說，土釘的間距不宜超過2.0m。土釘桿體材料一般選用Ⅱ級或Ⅲ級螺紋，鋼筋直徑宜為16-32mm，一般以直徑16mm-22mm居多，土釘一般在釘頭拉力較小，一般不超過土釘最大拉力值的30%，因此，釘頭的連接相對比較簡單，一般將土釘釘頭做出90°直角彎鉤，與橫向加強筋焊接連接，噴射混凝土時，直接被埋置于面層里面。而錨桿一般是采用大間距、高承載力對基坑實行錨固，間距一般在2.0m-4.0m之間，采用鋼筋一般以25mm和28mm居多，當拉力更大時，一般采用錨索更為經濟，錨索一般以1×7Φ5（公稱之間15.2mm）鋼絞線居多。錨桿承載力相對較大，拉力一般比土釘大的多，因此，錨頭比土釘復雜，一般需要單獨設置錨下承載結構，拉力較小時，一般采用單根槽鋼通常連接；拉力較大時，一般采用雙榀槽鋼。
　　 土釘鉆孔直徑一般為70-120mm，長度一般為基坑開挖深度的0.5-1.2倍，一般采用洛陽鏟人工成孔，當人工成孔困難時也采用機械成孔，有時也采用植入式土釘（將土釘桿體材料，螺紋鋼筋、角鋼、開孔鋼花管等材料，采用機械設備壓入土體）。錨桿鉆孔直徑一般為100-120mm，錨桿長度一般由錨桿設計承載力和土體側摩阻力確定，其長度相對土釘要長，人工洛陽鏟成孔有一定的困難，一般以機械成孔為主。
　　 土釘與水平面的夾角宜為5°-20°，這取決于注漿工藝以及土層特征等多種因素。一般增加土釘傾角會使支護的位移和地表角變位增大，傾角大于20°時增大的趨勢更為加劇。有限元分析表明，當土釘傾角為零即處于水平位置時，支護變形最小；而按極限平衡方法進行整體穩定性優化分析，則給出傾角在5°～20°范圍內，得到的穩定性安全系數最大。所以除非出于重力注漿的需要，或者更大的傾角有利于土釘插入下層較好的土層內，土釘的傾角不宜超過15°，一般取5°～10°為宜，多取10°。而錨桿則不同，其傾角宜采用10°-35°，有時采用大傾角能使錨桿深入較好的土層，相同的錨固段長度卻能得到更大的水平分力。水平角度過小，會使得注漿時，在鉆孔的自由段形成的漿液水平面較長，注漿不充盈，在錨桿拉力相同的情況下，使得基坑變形加劇，因此，錨桿傾角多取15°～20°。
　　3.穩定性分析方法不同
　　 土釘支護需要同時進行內部穩定性和外部穩定性分析。在進行內部穩定性分析計算時，應包括不同開挖階段、不同位置處沿著最危險破裂面的滑動破壞、土釘本身的強度破壞、拔出破壞以及噴射混凝土面板的破壞等。內部穩定涉及到土釘筋體強度、長度、土釘與土體的界面粘結力、土釘的水平和垂直間距、支護面板的強度以及面板與土釘的共同作用等因素。因此應考慮以下幾方面驗算：施工過程中不同開挖階段的最危險滑動面驗算；使用階段不同位置的最危險滑動面驗算；土釘筋體本身的強度與抗拔力驗算；噴射混凝土面板強度和土釘與面板連接強度驗算。在進行外部穩定性分析計算時，可以將土釘支護的邊坡看成一個“擋土墻”，它必須能承受其后部土體的推力和上部傳來的荷載。因此，外部穩定分析應考慮四個方面的驗算：土釘支護結構抗滑穩定性驗算；土釘支護結構抗傾覆穩定性驗算；土釘支護結構底部地基承載能力驗算；深部滑動定性計算。而錨桿支護基坑，由于采用錨桿自由段穿越非穩定區，將錨固段設置與穩定區，因此只需進行外部穩定性分析，包括不同工況下的穩定性分析和使用階段的穩定性分析。
　　4.面層受力不同
　　 一般認為土釘面層不受力，按構造配筋一般能滿足工程要求。其實面層受到作用在其上面的非線性分布土壓力，土釘可看成是點支持，則面層的受力類似于倒置的柱撐無梁樓板結構。而錨桿由于錨下結構的不同，面層結構的受力更趨向于單向受彎的混凝土板，而且由于錨桿受力較大，錨下噴射混凝土面層還存在受剪，其下的土體在預應力作用下還存在錨下土體承載力能否滿足要求的問題。