（岩土工程专业论文）水泥搅拌桩复合土钉在基坑支护中的应用研究.pdf

f f f f f f f 删川f f f f f f y 1719 8 2 5 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：座邑日期：生年月堑日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名旌导师签越嘿耻年五月丝日 ”i#ff；fi；j，jl； 硕士学位论文 摘要 摘要 基坑支护技术是岩土工程中的热点问题，传统土钉支护有其自身 的局限性，适用范围受到限制，复合土钉支护应运而生。水泥搅拌桩 与土钉复合支护是一科，常用的方法，其用水泥土搅拌桩作为止水帷 幕，具有工期短，造价低，施工对周围环境影响小等特点，在地下水 位较高，土质较软的沿海地区基坑支护中得到广泛应用。但是复合土 钉支护的的理论研究相对落后，需要继续深入研究，完善其设计计算 理论和方法。本文以某基坑工程为背景，结合有限元软件a b a q u s 对水泥搅拌桩复合土钉支护的变形和内力进行了分析。主要工作和研 究内容如下： ( 1 ) 阐述了土钉支护和复合土钉支护技术的形成、发展和研究 现状以及复合土钉支护的概念。综合分析了水泥搅拌桩复合土钉支护 的工作机理，探讨了水泥搅拌桩复合土钉支护稳定性验算方法。 ( 2 ) 结合工程实例，通过现场测试，分析水泥搅拌桩复合土钉 支护的变形性状。得出基坑水平位移随基坑的开挖逐渐增大，最大水 平位移与开挖深度成线性关系。地表沉降受工期和土体固结影响较 大。采用正态分布概率密度函数拟合地表沉降曲线的方法预测地面沉 降，取得较好的效果。 ( 3 ) 利用有限元软件a b a q u s 对复合土钉支护进行有限元模拟， 分析了水泥搅拌桩复合土钉支护的变形和内力的规律。结果表明复合 土钉支护基坑的地面沉降及侧向变形均与实际情况较为吻合，搅拌桩 水平位移最大值在基坑的中下部，地表沉降最大值出现在搅拌桩后1 倍开挖深度附近。水泥搅拌桩复合土钉支护中土钉的轴力几乎沿全长 递减，最大值出现在墙后的联结点上。 关键词：复合土钉支护，搅拌桩，变形，稳定性 硕士学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t e x c a v a t i o n r e t a i n i n gt e c h n o l o g yi s ah o tt o p i ci n g e o t e c h n i c a l e n g i n e e r i n g c o n v e n t i o n a ls o i ln a i l i n gh a si t so w nl i m i t a t i o n s ，l i m i t i n g t h es c o p eo fi t su s a g e ，s oe m e r g e dt h ec o m p o s i t es o i ln a i l i n g c e m e n t m i x e dp i l ec o m p o s i t es o i ln a i l i n gi sac o m m o nm e t h o di nw h i c hc e m e n t m i x e dp i l e sa r eu s e da sm e m b r a n eb a r r i e rc u r t a i n s ，w i t ha d v a n t a g e ss u c h a ss h o r tc o n s t r u c t i o nl e n g t h ，l o wc o s t ，l i t t l ei n f l u e n c eo nt h ee n v i r o n m e n t t h i sm e t h o dh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nc o a s t a la r e a sw h e r eu n d e r g r o u n d w a t e rl e v e li sh i g ha n dt h es o i li sr e l a t i v e l ys o f t b u tt h er e s e a r c ho nt h i s m e t h o di sr e l a t i v e l yb a c k w a r d ，w h i c hm e a n sf u r t h e re f f o r t sa r en e e d e dt o i m p r o v et h et h e o r ya n dm e t h o df o ri t sd e s i g n i n ga n dc a l c u l a t i n g b a s e d o naf o u n d a t i o np i tp r o j e c t ，u s i n ga b a q u ss o f t w a r e ，t h i sp a p e ra n a l y z e s t h ed e f o r m a t i o na n di n t e r n a lf o r c e so f c e m e n tm i x e dp i l ec o m p o s i t es o i l n a i l i n g t h em a i nw o r ka n dr e s e a r c hc o n t e n t so ft h ep a p e ra r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h i sp a p e re l a b o r a t e st h ef o r m a t i o n ，d e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c h s t a t u s q u oo f s o i l n a i l i n gt e c h n o l o g y a n dc o m p o s i t es o i l n a i l i n g t e c h n o l o g y ，a n dc l e a r l yi l l u s t r a t e st h ed e f i n i t i o no fc o m p o s i t es o i ln a i l i n g c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so ft h ew o r k i n gm e c h a n i s mo fc e m e n tm i x e dp i l e c o m p o s i t e s o i l n a i l i n g ，a n di n v e s t i g a t e s t h em e t h o d so fc h e c k i n g c o m p u t a t i o n sf o rt h es t a b i l i t yo fc e m e n tm i x e dp i l ec o m p o s i t es o i l n a i l i n g ( 2 ) c o m b i n e dw i t ht h ep r o j e c t ，t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ed e f o r m a t i o n b e h a v i o ro fc e m e n tm i x e dp i l ec o m p o s i t es o i ln a i l i n gb yf i e l dt e s t i n g r e a c h e dc o n c l u s i o nt h a tt h eh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n to ff o u n d a t i o np i t i n c r e a s e sd u r i n gt h ec o n s t r u c t i o np r o c e s s d u r a t i o na n ds o i lc o n s o l i d a t i o n h a v eg r e a t e ri m p a c to ns u r f a c es e d i m e n t a t i o n t h em a x i m u mh o r i z o n t a l d i s p l a c e m e n t h a sal i n e a rr e l a t i o n s h i pw i t ht h ed e p t ho fe x c a v a t i o n n o r m a ld i s t r i b u t i o np r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o ni su s e dt oc h e c kt h e s u r f a c es e d i m e n t a t i o n ，a n dg e t t i n gt h eb e t t e rp r e d i c t i o nr e s u l t s ( 3 ) s i m u l a t e dt h ec o m p o s i t es o i ln a i l i n gw i t hf i n i t ee l e m e n tm e t h o d b ya b a q u ss o f t w a r e t h i sp a p e ra n a l y z e st h er u l e so fd e f o r m a t i o na n d i n t e r n a lf o r c eo fc o m p o s i t es o i ln a i l i n g t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ef i n i t e e l e m e n tm e t h o dc a ns i m u l a t et h ef i e l dp e r f o r m a n c ef a i r l yw e l l t h e l i m a x i m u mh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n to ft h em i x e dp i l ei si nt h em i d d l e 1 0 w e rp a r to ft h ef o u n d a t i o np i t ，w h i l et h em a x i m u mo ft h es e d i m e n t a t i o n i sa b o u tt h es a m ea st h ed e p t ho ft h ee x c a v a t i o nb e h i n dt h em i x e dp i l e f o rt h ec e m e n tm i x e dp i l ec o m p o s i t es o i ln a i l i n g ，t h ea x i a lf o r c ei ns o i l n a i l sa l m o s td e c r e a s e sa l o n gt h el e n g t ho ft h en a i l ，w i t ht h em a x i m u m a p p e a r i n go nt h ec o n n e c t i n gp o i n tb e t w e e n c e m e n tm i x e dp i l ea n dn a i l k e y w o r d s ：c o m p o s i t es o i ln a i l i n g ，c e m e n tm i x e dp i l e ，d e f o r m a t i o n ， s t a b i l i t y i l l 硕+ 学位论文目录 目录 第一章绪论1 1 1 概述l 1 2 土钉支护概述2 1 2 1 土钉支护的概念2 1 2 2 土钉支护的优缺点3 1 3 土钉支护在国内外的发展概况和研究现状5 1 3 1 土钉支护在国内外的发展概况5 1 3 2 土钉支护在国内外的研究现状6 1 4 复合土钉支护的研究现状1 1 1 4 1 复合土钉支护的形式1 1 1 4 2 复合土钉支护的研究现状1 1 1 5 本文的主要研究内容1 3 第二章复合土钉支护稳定性分析1 4 2 1 概述1 4 2 2 搅拌桩的稳定性分析1 4 2 2 1 抗渗流稳定性分析1 4 2 2 2 抗隆起稳定性分析16 2 2 3 根部抗冲剪计算1 9 2 3 水泥搅拌桩复合土钉支护的内部稳定性分析2 0 2 4 水泥搅拌桩复合土钉支护的外部稳定性分析2 4 2 4 1 抗滑移稳定性分析2 5 2 4 2 抗倾覆稳定性分析2 6 2 5 本章小结2 6 第三章工程实例及基坑变形分析2 7 3 1 工程实例介绍2 7 3 1 1 工程概况2 7 3 1 2 基坑支护方案2 8 3 2 基坑监测方案3 0 3 2 1 基坑监测的目的3 0 3 2 2 基坑监测的项目。3 1 3 3 监测成果分析3 3 i v l 硕士学位论文目录 3 3 1 水泥搅拌桩水甲位移分析3 3 3 3 2 土体深层水半位移分析3 7 3 3 3 基坑地表沉降分析3 9 3 3 4 基坑地表沉降预测方法4 0 3 4 本章小结4 5 第四章水泥搅拌桩复合土钉支护有限元分析4 6 4 1 概述4 6 4 2a b a q u s 有限元分析介绍4 6 4 2 1a b a q u s 软件介绍4 6 4 2 2a b a q u s 中非线性问题的处理4 7 4 2 3a b a q u s 中的本构模型4 9 4 3 二维有限元模型建立51 4 3 1 模型范围及边界条件一5 1 4 3 2 单元类型和有限元例格划分5 3 4 3 3 计算参数5 3 4 3 4 开挖过程模拟5 3 4 4 有限元结果分析5 5 4 4 1 搅拌桩和土体水平位移分析5 5 4 4 2 地表沉降分析5 8 4 4 3 土钉内力分析5 9 4 4 4 搅拌桩桩身受力6 l 4 5 本章小结6 2 第五章结论与展望6 4 5 1 结论6 4 5 2 展望6 5 致谢7 l 攻读学位期间主要的研究成果7 3 v 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 建筑基坑是指为进行建筑物基础与地下室的施工所开挖的地面以下空间。为 保证基坑施工以及主体地下结构的安全和环境不受损害，需要对基坑进行包括土 体、降水和开挖在内的一系列勘察、设计、施工和检测等工作，这项综合性的工 程称为基坑工程。改革开放以前，基础埋深较浅，基坑开挖深度基本在5 m 以内， 基坑支护一般多采用放坡开挖或用少量钢板桩支护的方式。自上世纪8 0 年代以 来，随着国民经济的增长，城市建设正在飞速的发展，在城市建筑物密集区兴建 的高层和超高层建筑越来越多，各种用途的地下工程已在大城市得到开发利用， 地下室的层数增加，地铁工程、地下商业街和人防工程等基坑开挖的范围和深度 越来越大。例如在上海地区，超高层的典型深大基坑工程有很多，金茂大厦的基 坑开挖平均深度约为1 7 3 m ，局部达到1 9 6 m ，基坑面积约为2 0 0 0 0n r ；恒隆广 场基坑开挖局部也达到1 8 2 m ，开挖面积达到2 5 0 0 0m 2 ；国内基坑开挖深度最大 的是上海外环隧道浦西暗埋段的深基坑工程，达到了3 0 4 m 1 1 。随着基坑开挖深 度越来越大，对基坑周围变形控制的要求越来越高，基坑支护的难度也越来越大。 基坑工程是地下工程施工中内容多样而易于变化的领域。目前，工程界已经 开始认识到基坑工程是一项风险性工程，也是一门综合性很强的新型学科，它涉 及土力学、结构力学、原位测试技术、基础工程、工程地质、施工技术、环境岩 土工程、土与结构共同作用等多门学科，是理论上有待进一步发展的综合技术学 科。 正是因为基坑工程复杂的影响因素，所以我国基坑支护的方法多种多样，按 照结构受力特点来划分，可以分为三类【2 】： 1 ) 被动受力支护结构。被动结构的受力特点是依靠自身的刚度和强度被动 地承受基坑开挖产生的土压力，从而达到限制土体的变形，保证基坑周围土体的 稳定的目的。如重力式挡墙，依靠自身的重力甲衡其所受的土压力，限制墙后土 体的变形。常用的方法有地下连续墙、钢板桩、钢筋混凝土桩、带支撑围护结构 等。 2 ) 主动受力支护结构。支护结构的特点是在土体中设置受力构件，形成受 力构件与土体共同受力的加固体，达到保证基坑的稳定和变形要求。如加筋土技 术通过在土层中设置受拉构件，使土体的自稳能力得到提高。另外还包括锚杆技 术、深层搅拌技术等，特别是土钉支护技术产生以后，由于其优势明显，在基坑 硕士学位沦文 第一章绪沦 工程中得到了广泛的应用。它是属于一种原位加固补强技术。 3 ) 复合型支护结构。复合型支护结构是结合主动和被动支护结构的优势， 利用主动支护结构对土体进行加固处理，同时利用被动支护结构保证基坑土体的 稳定，控制变形的目的。如锚杆复合土钉支护结构，搅拌桩复合土钉支护等。 随着城市建设的发展，传统被动受力支护方法造价高、工期长、施工难度大 的局限性l j 渐突出，那么主动受力支护结构应运而生，突破了传统被动支护结构 的局限性。主动受力支护结构最大的特点在于施工简单方便，造价低，安全度较 高，工期较短，噪音污染小，弥补了传统方法的许多缺点。尤其近些年来，随着 设计和施工经验逐渐积累并口趋完善，发展较快，而在这之中，土钉支护技术是 现在己得到广泛应用的支护方法之一。 1 2 土钉支护概述 1 2 1 土钉支护的概念【3 j 土钉，英文( s o i ln a i l s ) ，是指置入于现场原位上体中以较密问距排列的 细长杆件如钢筋或钢管等，通常还外裹水泥砂浆或水泥净浆( 注浆钉) 。土钉的特 点是沿通长与周围土体接触，以群体起作用，与周围土体形成一个组合体，在土 体发生变形的条件下，通过与土体接触界面上的粘结力或摩擦力，使土钉被动受 拉，并主要通过受拉工作给土体以约束加固而使其稳定。土钉的设置方向与土体 可能发生的主拉应变方向大体一致，通常接近水平并向下呈不大的倾角( 图 i - i ) 。土钉支护用于边坡土体或基坑开挖时，施工步骤必须按照从上到下、分步 修建，即边开挖、边支护的原则。具体为：1 ) 每次开挖有限的深度；2 ) 在这一深 度的作业面上设置一排土钉并构筑喷混凝上面层；3 ) 继续向下开挖有限的深度， 并重复上述步骤，直至所需的深度。对于注浆钉，一般是先钻孔，然后置入金属 钉体并注浆。 一 - | ，一 _ 一 - i 一一 - ，一 _ | 一 图i - i 土钉支护 为了进一步说明土钉工作的特点，将锚杆( g r o u n da n c h o r ) 和土钉与作一下 比较。锚杆与土钉从表面上看有类似之处，但锚杆与土钉却有着不同的工作机理 2 硕士学位论文 笙二皇笪堡 布登筹望兰耋耋篓苎耋皇# 变化的，一般是中间大、两头小，呈“枣核”状分 享蕊笔黧登翌竺土面层的主要作用只是稳定开荔孟上翥局品至慧荔 尝萋薹挈墨蚀鬻篓要至墨量于主要挡土黼土钉羔蒜蒜篓 黧詈冀熹羹二苎曼土竺竺它周围加固了的土体起作为挡兰磊葛：娄；：_ 兰筹兰 鐾：絮翼譬想竺一般都在预加拉蚍主荔菇菇蒜磊j 二i i u _ _ t _ 午! j 茎窭孝竺凳兰矍翌老磐亨：定变形搋才能使它被动受力! 。茹主体的约束 霎莩以苍器蝥能鉴所以不能认为土钉具箸茹蒜蒜孑 雾卜去警篓翌i 蹙列磐而锚杆般设置数量有限：“森器幕蒜 瑟麓詈求黧竺圭! 格。一, , , i l i l , h 4 j 也有不疵磊磊葚兰姜篡妄写至篡 粘结的特例，在特定的布置情况下，也就过渡到土钉；。“一队伍承司工降 毒考量兰霎圣銮是：竺竺挡土技术，已经在土体开挖、边坡稳定等方面得到 霉薹望篓：竺恐、其圭苎是通过钉一土i 的相互慨某秀箍r l j - l 黼 f 爷h j 掰 墓羹掷自妻竺篓警二芝竺氅从而提高土体的整体高谨：稳她蒜兰tg 体变o 土黧护与其他支护类型相比较，具有下面磊点翁y 弧矧工 士休2 0 婪塑苎! 王程量小。土钉支护能充分发挥和利用土体的苫承能力，将 恚莩黧差篓薯竺竺耄! ! 分的一个部分，面层和土钉鬲蒜焉裂匕差杀嚣 凝土和钢筋材料的用量远低于连续墙和桩支护。 。”删八。寸义_ 。倚弛巴 阜樯罕竺璧；j 期鐾0 土钉支护施工采用边开挖边支护的原则，虽然分 嚣萎羹霎霎芒圭竺三黧在一定程度影响到开挖进i 丕蒜兰群：至筹萎 护并不需要占用专门的工期，在总体上使得施工速度磊快- 三三嘉茹三：砉磊荛 3 硕士学位论文 第一章绪论 至可将工期缩短一半。 3 ) 工程造价低、经济。据国内外资料分析，土钉支护工程造价比其它支护 类型的工程造价低3 0 5 0 左右 4 ) 施工不需要单独占用场地。对于施工场地狭小、放坡困难、有柏邻低层 建筑或堆放材料，大型护坡施工设备彳、= 能进场时，该技术显示出独特的优越性。 5 ) 便于信息化施工与反馈设计。土钉支护施工中，可根据开挖后的土层情 况和监测信息反馈设计，可以随时调整设计和施工方案，做到信息化施工，既安 全可靠又节省投资。 6 ) 施工设备设备简单、轻便，操作方便。土钉的制作与成孔不需复杂的技 术和大型机具，小型机械或人工均可，施工方法有较大的灵活性。土钉施工的所 有作业对周围环境干扰小。 7 ) 结构轻、柔性大，有良好的抗震性和延性，安全可靠。土钉支护施工采 用边开挖边支护，安全程度较高；由于土钉数量众多并作为群体起作用，即使个 别土钉出现质量问题或失效对整体影响刁 大。土钉支护的组成部件自重经，刚度 小，是一种柔性支护形式，具有很好的抵抗地震和车辆振动的能力。土钉支护边 坡即使破坏，一般也不至于突然倒塌，而有一个变形过程，表现出良好的延性， 在立即采取相应加固措施情况下，可以避免出现大的事故，这就能提高工程的安 全可靠性。 基坑土钉支护设计技术规程( c e s s 9 6 ：9 7 ) 第1 o 3 条规定，土钉支护适 用于下列土体：有一定胶结能力和密实程度的砂土、粉土和砾石土、素填土、坚 硬或硬塑的粘性土，以及风化岩层等。在松散砂土和夹有局部软塑、流塑粘性土 的图层中采用土钉支护时，应在开挖前预先对开挖面上的土体进行加固处理，不 能单独使用。这说明土钉支护虽然有很多优点，但是也有其本身的适用范围，土 钉支护存在一定的局限性和缺点【3 , 9 , 1 0 ： 1 ) 土钉支护通常仅适用于地下水位较低的、自立性较好的地层。土钉支护 采用边开挖边支护，并利用分层分段的方法进行施工。在喷混凝土面层、土钉施 工期间，边坡的土体处于无支撑的“悬臂”状态，这就要求土体具有一定的抗剪 强度，能够在施工开挖前期保持其自身直立稳定。软土和松散砂土的抗剪强度很 低，从而造成土钉与周围土体的粘结力太低，不能为土钉提供有效的抗拔力。饱 和含水的软弱地层与喷混凝土粘结强度低，很难维持边坡的局部稳定性。所以在 饱和粘性土及软土中设置土钉支护更需特别谨慎。 2 ) 现场需有允许设置土钉的地下空间。在采用土钉进行基坑支护时，高层 建筑一般都是建造在建筑物密度较高的市区，基坑附近有地下管线或建筑物基 础，施工时就存在相互干扰的可能。如果土钉为永久性支护，就可能对以后附近 4 硕士学位论文第一章绪沦 地下工程的施工带来不便。 3 ) 土钉支护变形较大。土钉施工过程中未支护的开挖边坡由于卸荷作用引 起的应力释放，会存土钉和面层施工期间产生一定的位移，- 日土钉施工完后需要 边坡产生微小的位移才能使其发挥作用，这样多个开挖支护层位移累加，会使边 坡的整体位移较大。土体本身的蠕变也会加大支护结构的变形。 4 ) 如果土钉支护作为永久性结构，则需要专门考虑锈蚀等耐久性问题。 1 3 土钉支护在国内外的发展概况和研究现状 1 3 1 土钉支护在国内外的发展概况 从历史上看，最早应用这种概念的大型工程实例也许可以追溯到一百多年前 英国建设世界上第一条水下隧道，即泰晤士河隧道的施工开挖中。这一隧道于 1 8 2 5 年开始建造，采用盾构开挖。1 8 3 5 年在用新的盾构置换旧的盾构时，设计 采用“土钉”作为盾构工作面挡板的辅助支护，并在以后的开挖中当遇到软弱地 层时就用土钉来减轻挡板上的土压力。不过当时所用的土钉是4 英寸宽，o 5 英 寸厚，8 英尺长的扁铁，而作为面层的挡板是3 英寸厚的木板，“土钉”从木挡 板之间的缝隙中击入土中，端部用楔块固定，当时还作了抗拔试验，并且还比较 了扁钢筋和圆钢筋作为土钉的效果【3 1 。 在国外，较早应用土钉支护技术的是一些欧美国家。七十年代法国首先进行 这方面的应用研究和技术推广【1 1 17 1 。1 8 7 2 年，法国著名的承包商b o u y g u e s 当时 将新奥法隧道施工的经验推广于边坡开挖以保持边坡稳定，在法国凡尔塞附近为 拓宽一处铁路路基的边坡开挖工程中，采用了喷射混凝土面层并在土体中置入钢 筋作为临时支护，该边坡最大坡高2 1 6 m ，长9 6 5 m ，坡度7 0 。，总加固面积1 2 0 0 0 m l ，使用了2 5 2 0 0 根钻孔注浆土钉，这是有着详细记载的第一个土钉工程。1 9 7 4 年，b o u y g u e s 在l e si n v a li d e s 地铁车站工程中首次采用不注浆的击入型土钉， 采用的土钉是4 9 m m 的钢管。1 9 7 8 年，b o u y g u e s 在b o u l e v a r dv i c t o r 的地下停 车场的基坑支护工程中又使用了小注浆的击入型土钉，所用的土钉是角钢。1 9 8 4 年，法国发展了一种高压喷射注浆击入钉的新技术，此外还用过土钉与桩联合的 支护。随后，土钉支护技术在法国得到大力发展，并且开始了对土钉支护的基础 研究。 对土钉支护技术的应用仅次于法国的是德引1 1 - 1 2 , 1 8 - 2 0 】。德国于1 9 7 9 年首先 在s t u t t g a r t 建造了第一个永久性土钉工程。1 9 8 3 年建造慕尼黑地铁时，在一处 1 8 米深的临时性土钉支护中，采用注浆帷幕阻隔地下水，并首次在土钉支护中 使用钢纤维混凝土作为面层。据1 9 9 2 年调查，德国己建成5 0 0 个土钉墙，所用 硕士学位论文第章绪论 土钉除了注浆钉和二次挤裂注浆钉外，还有先击入后注浆的方法。现在土钉墙在 德国的应用己非常广泛而成为一种常规技术，4 i 仅用十基坑了f = 挖，而_ 月用了二铁路 和公路边坡的永久性挡墙。 美国最早应用土钥支护技术是在1 9 7 4 年。1 9 7 6 年在o r e g o n 州波特兰市一 所医院扩建工程中的基础开挖中应用了土钉支护。在匹茨堡p p g 工业总部的深 基开挖中，与其紧挨的有已建建筑物，开挖时对土层作了注浆处理。近年来，美 国联邦公路管理局把土钉技术推广到公路路基边坡稳定和公路桥台挡土结构工 程中，并编制了相应的设计、施工和监理手册的技术文件【2 1 2 6 1 。美国路易斯安 娜州大学的j u r a n 等人通过试验测试并结合理论分析的方法对土钉支护技术的研 究作出了较大贡献，成为土钉支护领域研究的活跃代表。 在7 0 年代应用土钉墙的国家还有英国、口本、巴西、澳大利亚等。此外， 英国人还发明了气动射入钉技术【27 1 。1 9 9 0 年在美国召开的挡土结构国际学术会 议上，土钉支护已作为一个独立的专题与锚杆挡土墙并列，使之成为一个独立的 土体加固学科分支。 我国对土钉支护技术的应用与研究起步较晚。最早的工程实例是1 9 8 2 年山 西_ 人原煤炭设计研究院的土步云首次将土钉支护技术应用于高l o 2 m ，长4 0 m 的 山西柳湾煤矿调度房黄土边坡的加固工程【8 1 。1 9 9 2 年l o 月曾宪明存深圳文锦广 场基坑支护中采用了土钉支护技术( 喷锚例支护) 2 8 , 2 9 】，这是在国内首次将土钉 支护技术应用于城区的深基坑支护中。此后，土钉支护技术开始在国内流行起来， 特别9 0 年代中期以来，冶金部建筑科学研究总院、中国人民解放军总参工程兵 三所、北京工业大学、清华大学、同济大学等许多单位结合自己承担的项目或工 程对土钉支护技术进行了不少的研究工作。1 9 9 8 年建设部颁布了调整修改后的 “建筑业1 0 项新技术”，土钉支护技术作为基坑支护技术的一个分项也被列于其 中【3 0 j 。现在这项技术已在我国各地广泛应用并取得了显著的效益。 1 3 2 土钉支护在国内外的研究现状 对土钉支护技术的研究，国内外已取得了一些可喜的研究成果。目前对土钉 支护的研究主要有试验研究和理论研究。试验研究主要包括室内的模型试验、离 心试验、现场抗拔试验和土压力测试等方法；理论研究主要有极限平衡法、有限 元法、工程简化分析法和经验设计法等方法。 一试验研究 1 国外主要试验 1 ) 法国c e b t p 大型试验【1 2 , 1 6 , 1 7 】 法国巴黎路桥学院( c e r m e s ) 在s c h l o s s e r 教授、j u r a n 博士主持下完成了土 6 硕士学位论文 第一章绪论 钉支护系统的模型试验。包括三个高7 m 的大型足尺土钉试验。土体按2 0 c m 厚 分层夯实成，然后从上到下修建土钉支护体系。所用砂土的级配均匀，相当于中 密砂。三个试验分别研究土钉的受拉破坏、土钉稳定性、土钉粘结长度的影响。 研究结果发现士钉最大拉力发生在离开端部( 面层) 一定距离的地方，土钉端部拉 力和钉中最大拉力比值随着往下开挖的进行而降低。 2 ) 德国的大型试验【1 8 】 在德国承包商k a r lb a u e ra g 资助下，k a r l s m h e 大学的岩土力学研究所从 1 9 7 5 年开始了一项为期四年的研究，是国际上最早进行的大型土钉支护试验， 包括七个大型足尺试验和许多模型试验，研究土钉的内力、面层土压力、土钉支 护变形和破坏机制等性能，以及土钉长度和间距等支护参数对支护稳定性的影 响。用土为松砂、中密砂、粉砂和粘土，采用地面加载的方法使支护结构破坏。 同时在不同埋设条件下进行了上百个抗拔试验。研究结果表明土钉支护的工作性 能与重力式挡墙类似，在无地下水、墙面直立和地表水平的条件下所需的土钉长 度约为墙高0 5 0 8 倍。 3 ) 英国的模型试验【1 3 , 1 4 】 英国从8 0 年代起对土钉支护进行了较多的研究，包括分析方法及程序开发， 离心机试验，实际土钉工程的内力与变形实测，钉、土相互作用的大型抗剪试验 等。其中，w a l e 大学c a d i f f 学院所做的直剪试验表明：当剪切位移小于2 0 m m 时， 未加筋和加筋试样的荷载位移特性基本相似；而当剪切位移大于2 0 m m 时，在相 同位移下，加筋土所承受的水平荷载大大超过未加筋土样。英国剑桥大学的 j e w e l l 和j o n e s 也作了类似的大型直剪试验，试验结果与前者基本相似。 4 ) 美国加州大学的现场试验【3 1 】 美国加州大学d a v i s 分校，沈智 习1 ( s h e n ，c k ) 等人采用了砂质粉土和粉粘 土，进行了现场足尺模型试验。场区地层主要为砂质粉土和粉粘土，基坑垂直开 挖深度为9 2 m ，分5 步开挖，每步挖深1 8 m 。土钉为钻孔注浆钉，直径为1 0 c m ， 沿深度设置5 排，设计长度为6 1r n ，倾角为2 0 。，水平间距和竖向间距均为1 8 m 。 在基坑开挖过程中，对地面彳 同距离的水平位移和土钉拉力做了测量。 5 ) 日本的模型试验【3 2 】 日本在平面加荷和离心加荷两种试验的条件下分别对模型进行了试验研究， 结果表明加筋土坡比未加筋土坡的承载能力高得多，而月插筋越长，加同效果越 好，但插筋长度超过一定长度，加固效果的增加就不很显著了，即土钉的设置存 在最佳长度。离心试验表明未加固的土坡滑移曲线的端点在坡面的中部，而加筋 土坡的破坏曲线形状的影响却非常显著。 2 国内主要试验 7 硕士学位沦文第一章绪论 1 ) 煤炭部人原设计研究院的模型试验【8 】 模型试验土坡高1 5 m ，坡角为8 0 。，边坡土体由粉质粘土构成，土钉长 1 0 5 m ，通过加载使支护结构发生破坏，加载距坡项边缘2 4 c m 。用土钉支护边坡 在超载作用下的承载力相对于素土边坡的承载力的提高，来说明土钉对提高土体 强度的作用。 2 ) 武汉水利电力大学的模型试验【3 3 】 用高9 0 c m 、长8 0 c m 、宽3 0 c m 的模型槽进行模拟试验，土坡模型高度和宽 度分别为8 0 c m 和3 0 c m ，填料为砂土。模型槽正面嵌有透明有机玻璃板，用于 测读土体位移，右侧为1 5 块3 0 5 0 c m ，厚约为3 c m 的土条，在填砂时作挡板用， 试验时由上而下逐层拆除木条，每拆除两块就击入一层土钉，以模拟开挖与支护 的施工过程。模拟施工过程之后，在顶面分级加荷直至破坏。共进行了1 0 组模 型试验，研究土钉长度、倾角、间距和砂土的密度等参数的影响。 3 ) 同济大学的模型试验【3 4 】 试验采用高1 2 0 c m ，长3 0 0 c m ，宽4 0 c m 的模型槽，按1 ：1 0 的比例开挖，开 挖深度为0 6 m 。试验按实际土钉施工顺序进行，土钉采用击入式土钉。土钉材 料为宽l i m m 、厚l m 的带肋黄铜板条，面层用o 2m m 涤纶薄膜模拟。模型土采 用常州红砂。试验分5 组，分别采用参数刁、= 同的两种模型土，通过不同支护参数 的对比试验进行定性分析，研究在软土地基土土钉的受力机理，比较不同土钉布 置方式对稳定性的影响，分析处于软土层的土钉受力分布，检验土钌+ 支护体系承 受超载的能力。 4 ) 浙江大学的离心模型试验【3 5 】 试验使用小模型箱，采用重塑土，试验中选取5 根外径6 m m ，壁厚l m m 的 锚合金管作为模型土钉，模型比为n = 4 0 。试验共进行了4 组，其中第l ，2 组不设 土钉，即为素土边坡。通过离心模型试验，研究土钉加固边坡的变形情况、作用 机理和土钉应力分布规律。 由于影响土钉支护机理的因素复杂多变，因此试验研究在目前土钉支护技术 研究中占据着主要地位。许多理论分析所得到的模型和一些结果都是通过试验研 究验证和提高的，尤其是在计算土钉支护结构的变位时，几乎全是建立在足尺墙 现场试验结果的基础之上。可见土钉的试验研究是了解土钉支护机理极为重要的 环节，但由于受经济条件的限制，国内在这方面所做的工作尚十分欠缺【3 】。 二理论研究 1 极限平衡法 极限平衡分析法是根据边坡上的滑体或滑体分块的力学平衡原理分析边坡 各种破坏模式下的受力状态，以及边坡上的抗滑力和下滑力之间的关系来评价边 硕上学位论文 第章绪沦 坡稳定性的方法。它是闷前土钉支护分析最常用的方法之一。在国外，工程中应 用较多的并具有代表性的有以下几种： 1 ) 1 9 7 9 年由s t o c k e r 等人提出的德国方法【2 2 1 。其假定滑移面为双曲线形， 并通过土坡坡角，进行力的极限甲衡总体稳定分析，仅考虑土钉的抗拉作用，土 的剪切强度由莫尔库仑准则确定。 2 ) 1 9 8 1 年由沈智刚f c k s h e n ) 等人提出的d a v i s 法以及后来经过j u r a n 等人 ( 1 9 8 8 年) 改进的d a v i s 法【2 1 1 。其假定滑移面为过坡角的抛物线形，仅考虑土钉的 抗拉作用。d a v i s 法和改进的d a v i s 法区别在于土强度参数和土钉抗拔力所取的 分项安全系数小同，其余内容均相同。 3 ) 1 9 8 3 年由s c h l o s s e r 提出的法国方法【3 6 】。其假定滑移面为圆弧形，根据 传统边坡稳定中的条分法，并考虑穿过滑移面土钉的抗拉、抗剪和抗弯作用来进 行力矩极限平衡总体稳定性分析。 4 ) 1 9 8 9 年，由r j b r i d l e 提出的b r i d l e 方法【3 7 1 。其假定滑移面为对数 螺旋线形并过坡角，用条分法分析滑移土体的平衡，并认为滑动总力矩与抵抗总 力矩问的彳、= 平衡力矩即为土钉应提供的平衡力矩，进而确定土钉的位置并给出了 计算各土钉剪力的经验公式。 5 ) 1 9 9 0 年，由j u r a n 等人提出的机动法或运动法【2 2 】。其假定滑移面为对数 螺旋形，结合模型试验中观察的机动许可位移( 破坏) 与静力极限半衡进行稳定分 析。这种方法不仅考虑了土体的整体甲衡，而且认为土钉挡墙的失稳往往是上层 土钉被拔出，再逐步发展为整体失稳，为此，进行了土钉最大内力的局部稳定验 算。 土钉支护技术作为一种新型的支护方法，近年来在国内支护工程中的广泛应 用，我国的学者和工程技术人员对土钉支护结构的稳定性也做了大量研究，并提 出了适合我国的，具有实用价值的土钉支护的分析方法。 1 ) 程良奎、杨志银提出的方法【5 。其假定滑移面为圆弧形，稳定分析中考 虑了土钉挡墙外部整体稳定性，但钉一土间的作用只考虑土钉的抗拉作用。同时 编制了相应的计算程序。 2 ) 清华大学张明聚、宋二样、陈肇元提出类似边坡稳定分析中的瑞典条分 法( 或修正条分法) 的计算方法【3 8 3 9 1 。钉土间的作用仅考虑土钉的抗拉作用，其抗 拉能力由其拔出、拉断强度的条件决定。 3 ) 王宝安、史维汾、王国俊在条分法分析土钉支护稳定的基础上，针对条 分法存在大量试算搜寻最危险滑移面的缺点，采用优化理论中复形调优法对滑移 面进行了分析，并建立了搜索最危险滑移面的计算模式【4 0 ，4 l 】。 4 ) 罗晓辉等采用s a r m a 提出的扰动力概念【4 2 1 ，建立了考虑土条间作用力影 9 硕士学位沦文第一章绪沦 响的土钉挡墙支护结构稳定分析极限状态方程，并结合可靠性理论，分析了影响 土钉支护结构稳定的各随机变量的变异性以及安全系数与可靠度的相互关系。 2 有限元法 有限元法作为一种强有力的数值计算方法，不仅能计算土钉挡墙中土钉内 力，土体的应力应变关系，模拟开挖过程等，而- 日可以考虑土体的非均匀性和各 向异性的复杂性态。由于土体的复杂性，有限元方法彳i 能达到直接用于工程并能 得到准确的分析结果的要求，但是仍然是土钉支护结构分析的有效方法。 1 ) 沈智n u ( c k s h e n ) 和s b a