复合土钉支护在我国的研究与应用

1. 概述

　　复合土钉支护最初被称为改良法[1]。复合土钉支护是近10年来在土钉支护基础

上发展起来的一种应用非常广泛的岩土工程加固支护工法。它是土钉支护的研究不

断深化、与各种岩土工程的其他工法有机结合的产物。复合土钉支护业已在岩土工

程的诸多行业中应用，但工程数量最大的仍然是建筑深基坑的支护。实际上，该工

法也可有效地应用于岩土边坡工程、地基工程、地下工程和大坝工程等的加固与支

护。复合土钉支护适用性强，安全可靠，经济快速，在建筑工程市场很受投资者欢

迎。

　　复合土钉支护的应用实践是先于理论的。尽管迄今为止某些理论尚不成熟，仍

处在发展、完善的过程之中，但围绕复合土钉支护的大量工程问题，我国广大工程

技术人员和科研工作者已经开展了许多卓有成效的科学技术研究工作，这些工作又

有力地促进了复合土钉支护的发展与应用。

　　本文试就我国复合土钉支护研究与应用现状、存在问题及解决对策作一评述。

2. 复合土钉支护的试验研究与监测

　　一般复合土钉支护现场试验为原型或接近于原型试验，测试数据基本反映了工

程实际受力变形及稳定状态，因而试验数据较为难得。但由于试验条件及经费限制

等原因，我国在这方面所做工作尚不多。

　　张凡等[ ]在玄武湖隧道工程现场对复合土钉支护的工作性能进行了现场测试。基

坑边壁土层介质主要为素填土、粉土夹粉砂，以及粉细砂等。复合型式为自钻式土

钉与水泥土搅拌墙组合结构，以此为主体将面层和原位土体连为一体形成共同工作

体系。试验测得了基坑边壁位移与时间的变化曲线，指出其特点与单一土钉支护具

有显著差异，并测得了土钉的弓形受力形态，认为它是存在潜在滑移面的结果。

　　扬志银等[ ]在深圳畔山花园大厦基坑工程现场，对复合土钉支护结构的土钉应力

进行了监测试验。复合型式为：土钉支护加深层搅拌止水帷幕桩墙和预应力锚索。

场地地层为：人工回填土、埋藏植物层、淤泥质粘土、粉质粘土、粗砾砂，以及残

积粘土层等。监测内容包括：基坑周边水平位移（40~60mm），坡顶和邻近道路沉降

（20~30mm），坡体位移（27~43mm），以及地下水位变化等。并对土钉和锚杆分别

进行了拉拔试验。

　　扬志银等[ ]还在深圳赛格基坑工程现场，对多种型式的复合土钉支护进行了现场

测试。试验同样测得了土钉的弓形受力形态，并认为试验条件下潜在滑动面位于直

线破裂面（（β+φ）/2）与圆弧破裂面之间，试验还测得了开挖后土钉最大拉力作用

位置。

　　张飞等[ ]在广州凯城东兴综合大厦基坑工程中，对复合土钉支护（人工挖孔桩、

预应力锚杆和土钉）的受力变形特性进行了现场测试。试验结果表明：锚杆锁定后

3~5d内有较大预应力损失；上下层锚杆轴向力处于不断调整状态；土钉拉力沿其轴

线分布不均匀；土钉长度超过10m的部分几乎不受力，并认为对中等硬度粘性土，土

钉的极限锚固长度即临界锚固长度可取为12m。

　　曾宪明，郑志辉[ ]等在长沙星电公寓基坑工程中完成了复合土钉支护（土钉加预

应力锚杆）厚杂填土边坡的系统现场试验研究，指出杂填土中土钉应变沿钉长的分

布形态之一为双弓形，表明潜在滑移面有两个或以上。研究认为土钉应变峰值点与

零值点向土钉里端的转移是同时或相继发生的，它标志着土钉局部的破坏已经发

生，在同时或相继转移的土钉应变峰值点与零值点之间的距离就是临界锚固长度，

在理想条件下它是一个常数，在试验条件下约为9m。

　　复合土钉支护的室内试验研究较为少见。张明聚等[ ]采用相似模型理论，进行了

基坑边壁复合土钉支护大比例尺模型试验。曾宪明，文高原等[ ]以长沙星电公寓厚杂

填土基坑边壁复合土钉支护为背景，开展了一组课题的相似模型试验。其内容包

括：无支护、降雨、不降雨条件下非夯实厚填土边壁破坏模式研究，无支护、降雨

和不降雨条件下夯实填土边壁破坏模式研究；复合土钉支护、降雨和不降雨条件下

非夯实填土边壁受力变形特征和作用机理研究，获得若干有意义结果。

　　复合土钉支护的室内外试验研究固然重要，但由于现场条件一般较恶劣，试验

技术上的问题较突出，要取得较好的试验数据也不易；且室内试验还有一定的简

化。因此，卓有成效地开展数值模拟研究，也是指导和推动复合土钉支护的应用不

断深入发展的一个重要方面。

3. 复合土钉支护的数值分析

　　我国地质条件复杂，复合土钉支护型式多样且应用广泛，室内、外试验条件的

代表性和试验周期等受到一定限制。因此，采用有限元方法对复合土钉支护的工作

性能、受力变形破坏机理，以及设计计算方法等进行分析和探讨，是十分必要的。

在这方面我国岩土工程技术人员已做了大量的工作，从而深化了复合土钉支护的研

究。

　　宋二祥等[ ]采用其与荷兰同事合作开发的土工有限元软件PLaxis将土的变形模式

取为一种剪切硬化模式，对复合土钉支护（土钉支护加水泥搅拌墙）与一般土钉支

护在土体参数接近软土条件下的工作性能进行了分析计算。计算结果表明：①两者

的变形大小及特征不同，复合土钉的小，一般土钉的大；②两者的墙背和面层后土

压力的大小和分布形态不同，复合土钉的最大值为81KPa，土钉支护的最大值为

46KPa；前者为上小下大的直角三角形分布，后者呈上、下部小而中下部大的不规则

分布形态；③两者的土钉铀力的大小和分布特征不同：复合土钉的最大值为

24~67KN，总和为203KN，土钉与桩联结的端头处最大，轴力分布不规则；一般土

钉支护的轴力最大值为34~62KN，总和为241KN，其分布形态接近于一个弓形。文

献[ ]还指出，在进行此种类型的复合土钉支护设计时，将墙外端部分的土钉设为自由

段更为合理。

　　扬林德等[ ]假定：复合土钉支护的计算可简化为二维平面应变问题；土钉及其辅

助加固材料处于弹性受力状态，地层土体为弹塑性土体，在此基础上进行了复合土

钉支护的非线性有限元分析。计算取用的土层参数为上海地区土层物理力学指标的

平均值。计算结果表明，复合土钉支护（土钉+搅拌桩墙体）初始变形特征与一般土

钉支护相似，此后随开挖深度增加中下部水平位移发展较快，墙体鼓涨，并向基坑

内侧凸出，最大侧向位移发生在坑底附近；随挖深增加，地面沉峰值和分布范围增

大，最大值在基坑外侧约0.9H处。土钉轴力随挖深增大而增大，沿钉长分布不均匀，

最大轴力发生在基坑壁后1~2m范围内。分析指出，坡脚塑性区是剪胀屈服的反映，

而地表塑性区则是抗张拉能力不足的后果。计算结果与实测结果吻合较好。

　　宋二祥等[ ]以北京地区的土层为背景还进行了复合土钉支护变形特性的二维和三

维有限元分析。计算结果表明：①纯土钉支护的坑壁变形倾向于基坑内侧，最大水

平位移发生在基坑边壁顶部（约25mm）；采用预应力锚杆—土钉复合支护时，坑壁

位移尤其是锚杆与面层连接处的水平位移明显减小，在坑口甚至出现朝向坑外的位

移；②复合土钉的轴力最大值比纯土钉的有所减小，且距锚杆越近，减小幅度越

大。当锚杆预应力值很大时，两层锚杆之间的土钉在与面层相连接部分出现压力。

超前微桩—土钉复合支护计算结果表明，增设微桩与否，坑壁最大水平位移由5.5cm

减小至2cm。超前微桩对控制基坑变形具有显著作用。

　　扬志银等[ ]采用杆系有限元方法结合工作土钉滞后的施工动态分析，对土钉加超

前桩墙的复合结构的位移进行了求解。作者指出，面层所受到的土压力，比复合支

护结构的小；由于受超前桩作用，复合土钉支护边坡上部位移与纯土钉支护的不

同，表现在前者位移受到控制并有所减小，一般会在边坡顶部和中上部位置出现两

个峰值。

　　周川杰[ ]针对松散土和软土地层，采用美国Itasca Consulting Group Inc.开发的二维

有限差分法程序（FLAC—2D）对复合土钉支护（土钉加搅拌墙）的稳定性进行了分

析，钟正雄等[ ]对软土地区复合土钉支护结构的稳定性进行了有限元分析，均得出若

有意义的结果和结论。

　　综上所述，人们对复合土钉支护的工作性能、作用机理、以及稳定性分析等，

已经做了许多有价值的工作。但是这种探索仍处在发展过程之中，理论滞后于实践

的问题依然存在，仍有必要进行更多更深入的探讨。

4. 复合土钉支护的设计理论探讨

　　复合土钉支护的设计理论目前尚不系统和完善。但已做了许多探讨性的工作，

发表了若干阶段性成果，可在许多方面对设计施工提供借鉴和指导。

　　屠毓敏[ ]对复合土钉中的超前锚管的工作机理进行了研究。作者将Ito和Matsui关

于作用于排桩上的土压力理论研究成果，应用于复合土钉支护中的超前锚管的抗滑

作用分析，提出了此种类型的复合土钉支护结构的稳定性分析方法，并得到了工程

实测数据的验证。

　　赖天文[ ]对复合土钉支护（土钉加桩墙）设计参数的敏感性进行了研究。作者首

先以一般粘性土基坑边坡的复合土钉支护建立力学和数学模型，然后设计正交试

验，分析影响其内部稳定性因素的灵敏性，提出最佳参数模型，可用于指导复合土

钉支护的设计与施工。经对13项参数的敏感性分析，作者认为，土条的粘聚力（c）

和土钉的有效长度（L）对复合土钉支护的内部稳定性有高度显著影响，土条内摩擦

角（φ）、土钉排数（N）、坡顶超载（P）和界面粘结强度 （T）具有一般显著影

响，其他7项因素无显著影响。

　　李象范等[ ]根据对复合土钉支护作用机理的研究，提出采用单排或双水泥土桩形

成帷幕后再施做土钉支护，这种复合型式能解决上海地区边坡挡墙的漏水、防渗及

土体自稳能力不足的问题，并提出了相应的设计计算模式。其内容包括：土钉设

计，面层设计，内部、外部、整体和底部稳定性验算等。作者指出，这些设计计算

模式在上海的40多个基坑工程中得到了验证。

　　陈清华[ ]通过对复合土钉支护结构工作机理的研究，提出了“综合法”设计方

法，很有意义。

　　单一土钉支护的设计理论尚且在完善之中，复合土钉支护更由于其复杂性、多

个因素的相互作用而亟需进一步探讨。目前设计常用的是基于叠加原理的各种方

法，但简单叠加不一定能反映复合土钉支护结构的真实工作状况，这种复合结构就

合理性而言也不一定没有改进之处，从宋二祥等的计算结果中已可看出它们之间的

某种程度的“抵消”作用。

5. 复合土钉支护在岩土工程中的应用

　　如果说复合土钉支护的工作特性、作用机理和设计理论尚在探索之中，那么复

合土钉支护在岩土工程中的应用则早已成如火如荼之势。虽然复合土钉支护已在地

下空间、桥墩铁塔、路基堤坝、矿山开采工程有许多应用，但应用更广泛更密集的

仍属建筑深基坑和边坡工程。

　　复合土钉支护在一般岩土介质中已有大量应用。即使采用单一的土钉支护此类

介质，也已在我国完成了难以数记的建筑深基坑工程。采用复合土钉支护后使得工

程的安全度更高，因而更受建筑投资者欢迎。段建立等[ ]采用自钻式土钉和SMW机

械施工止水帷幕的复合结构型式，支护南京玄武湖隧道基坑边壁获得成功。郭清[ ]报

告采用锚管加土钉这种复合支护结构对杭州滨江大厦基坑工程进行了有效支护。石

建等[ ]撰文介绍了采用复合土钉支护（土钉—微型桩—预应力锚杆）围护北京青年楼

基坑的经验。万麟信[ ]归纳了采用土钉—注浆花管—树根桩复合支护在30多幢高层建

筑深基坑和边坡中成功应用的可取做法。马金普等[ ]，许斌等[ ]，汤凤林等[ ]分别报

道了北京、深圳、广州地区采用各种复合土钉支护型式围护建筑深基坑的可取做法

及经验。

　　软土是一类不良地质体，在我国东南沿海地区分布十分广泛。新奥法和土钉墙

法的相关技术标准均不建议在此类介质中应用，由此可知其中难度之大。但随着土

钉支护首次在上海紫都莘庄工程中应用成功，该方法在软土中的应用便一发而不可

收。近年来，复合土钉支护工法获得很大发展，并有逐步取代纯土钉支护的趋势。

同国外先进国家相比，尽管我国在机械和材料等方面尚有较大差距，但采用复合土

钉支护软土一类不良地质体工法的研究与应用，在国际上可谓独树一帜。张旭辉、

龚晓南[ ]在报道采用复合土钉支护（竖向槽钢桩~水平注浆锚管）某软土基坑工程后

指出，该方法极具推广价值。李象范等[ ]报道在上海西门广场基坑中采用搅拌桩—土

钉复合结构进行围护，保证了周边环境安全，为业主节省了大量工程投资。孙晓勉

[ ]，扬绍祺等[ ]，扬振军等[ ]，黄力平等[ ]分别撰文介绍了在上海、中山、广州和深

圳采用复合土钉支护的成功经验。文献[ —]所述各地应用复合土钉支护的工程实践各

有独到之处，此不赘述。

　　复合土钉支护在杂填土工程中的应用颇具特色。以往工程中遇到的杂土层一般

不厚或沉积已久，工程问题不甚突出。近年来，随着房地产的进一步开发，不少新

近填筑的深厚填土基坑、边坡工程日渐增多，其中问题不断显现。刘彦忠[ ]撰文报道

采用复合土钉（深层搅拌桩—预应力钢管土钉）支护太原东大花园工程的做法，解

决了杂填土中不易成孔的难题。曾宪明，宋红民等[ ]依据所建立的夯实填土的复杂破

坏模式，采用锚管土钉—钢筋土钉—改良加筋土复合结构对洛阳市中州渠厚杂土边

坡工程进行了成功加固支护。

6. 复合土钉支护工程失稳原因分析

　　随着复合土钉支护在岩土工程中大量采用，一些工程险情与事故的发生和处理

也时见报道。发生工程事故及险情的原因可能是多方面的，但笔者相信，由于这种

方法本身的技术缺陷而引发的可能性是不大的。

　　上海某新开发的能源中心基坑工程采用1排搅拌桩加土钉复合支护[ ]。北侧基坑

在开挖将要到底时，土钉挡墙突然发生倒塌，坑底产生隆起，围护墙根部向前推进

1m左右，顶部后仰并下沉约1m，破坏比较严重。发生事故的主要原因是：①全部采

用击入式土钉，注浆效果不明显，拉拔力达不到设计要求；②设计过程中过分强调

经济性，将水泥土桩的入土部分截去一排；③施工中取消了坑内降水，使抗滑安全

系数进一步降低。

　　上海南市区某基坑工程北侧采用搅拌桩—土钉复合支护[ ]。开挖到底时，坑底发

生涌土，边坡整体滑移并严重坍塌，地面沉降约1.6m，整体滑移约1m，相邻围墙倒

塌，地下管道破裂，严重影响周边环境。分析该事故原因为：①过分强调工程经济

性，使得围护设计安全系数偏低；②施工未按设计要求进行（未降水就开挖；将φ22

土钉改为φ48锚管；超挖）。

　　上海静安区某基坑工程采用搅拌桩—土钉—超前锚管复合支护[ ]。挖深到3.5m和

4.75m（到底）时，先后发生两次事故。第1次桩顶沉降75mm，建筑物墙角达

7.7~8.5mm，同时水管断裂漏水。第2次JS4测点以4~5mm/h速率下沉，24h累计沉降量

为121mm；该测点总沉降量为187mm。分析造成该工程事故的原因为：①施工严重超

挖；②对水患的重视与防范不够；③为了降低工程造价，删除了本不该删除的若干

监测项目等。

　　文献[ — ]分别分析了采用复合土钉支护郑州某工程、郑州某某工程，以及上海

某工程发生工程事故或险情的原因。这些原因均是大同小异、具有某种共性的。

　　综上所述，复合土钉支护工法在我国岩土工程的大量应用中，难以避免地发生

了一些工程事故和险情。科学地分析这些反面教训，即可化腐朽为神奇，使之成为

人们的共同财富。笔者认为，在诸事故原因中，盲目追求经济效益、不按设计要求

施工具有一定的普遍性，值得人们深思和警醒。

7. 复合土钉支护研究与应中存在的主要问题

　　复合土钉支护研究与应用中存在的问题很多，兹例举以下主要几种：

①理论研究落后于工程实践，因而不能很好地指导设计与施工

　　土钉与一种或以上的各种工法结合而成的复合土钉支护，其间存在复杂的相互

作用问题，加之地质条件千变万化，使得支护结构工作状态各别，作用机理不同，

研究难度很大。

②设计方法尚不系统，不统一；没有相应的技术标准，设计无所遵循

　　目前不少工程设计是基于叠加原理进行的。而各种支护结构与岩土介质的相互

作用可能是一种复杂的耦合作用而不是简单叠加。这就是龚晓南所说的一加一不一

定等于二的道理。即使不采用叠加原理也缺乏公认、统一的设计方法。这似可归因

于目前没有相应的设计施工技术标准可以遵循，但设计方法仍处在发展、完善阶段

也是实情。

③复合土钉支护的耐久性问题受到忽视

　　临时工程如基坑围护不必考虑此问题。但边坡工程、隧道工程等一般均应认真

考虑。土钉、锚杆和锚索等的使用寿命问题尚在研究之中，但至少已知施工质量低

劣、腐蚀环境恶劣条件下的这些支护结构的设计寿命远不如人们所期望的那样高，

至少已知采取一些公认行之有效的防护对策后会显著延长这些支护结构的工作寿

命。复合土钉支护的耐久性未能受到普遍重视，这样就可能有违设计者的初衷。

④复合土钉支护工程失稳有其共性，但一直难以解决

　　工程事故的共性原因是：1）建筑投资者单纯追求经济效益，干预工程设计，和

盲目压低工程造价；2）施工违反设计要求；3）设计欠当。但一直难以解决却值得

人们认真思考。

8. 结语

　　鉴于复合土钉支护在我国岩土工程中应用广泛、发展迅速，笔者综合论述了这

一新型工法的研究与应用现状，指出了其中存在的突出问题，旨在介绍给更多的相

关读者，并期促进这一工法更加成熟和规范。由于笔者学习不够，难免以偏概全，

误导读者，诚期鉴谅。