（固体力学专业论文）复杂环境下土钉墙有限元分析与优化设计.pdf

山东大学硕士学位论文 复杂环境下土钉墙有限元分析与优化设计 摘要 目前，我国城市建设发展迅速，涌现了大量的高层建筑，随着地上部分的逐 步升高，基坑的开挖深度也日益加深复杂的施工环境、临时围护结构的变形和 稳定成为建筑业十分关注的问题。 复合土钉墙是近年来发展起来的用于深基坑工程的支护体系，利用土钉主动 支护土体，并与土体共同作用，尽可能保持、利用、提高基坑边壁的原有强度， 将传统支护方式中对支护结构形成荷载效应的土体转化为支护结构的一部分，从 而可以有效地应用于软土地区等特殊地质条件下的基坑支护。目前，对复合土钉 墙的工作性能的研究还处于不成熟阶段，尤其在软土地区，还有大量的工作要傲。 本文结合典型样本工程，对软土深基坑开挖后引起的深层水平位移、桩顶水 平位移和垂直沉陷、周围建筑物沉陷等进行了现场布点测试，总结了现场测试工 作中布置测点的原则；对土钉的抗拔力也进行了现场试验，获得了第一手的试验 数据，准确揭示了软土地区深基坑边壁破坏的鼓形特征。结合工程实践，指出了 动态设计的重要性。 根据试验数据，利用有限元分析软件对基坑开挖过程进行了分析研究，验证了 软土地区深基坑边壁破坏的鼓形特征，指出了圆弧滑动法破坏模式计算的不准确 性。 结合工程实践，详细阐述了对于复合土钉墙进行有限元分析的过程，深入讨 论了土工参数取值的原则，揭示了复合土钉墙在软土地区的工程破坏模式，探讨 了优化设计方法。不仅对土钉墙及复合土钉墙，对其它一些土工结构的有限元分 析，也具有一定的参考价值和指导意义 关键词：软土；土钉墙；复合土钉墙；有限元分析 山东大学硕士学位论文 s t u d yo nc o m p o s i t es o i ln a i l i n gw a l l i ns o f ts o i la r e ao fc o m p l e xc o n d i t i o nw i t he m p h a s i so n a n a l y s i sb yf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fu r b a n c o n s t r u c t i o n h i g h r i s eb u i l d i n g sh a v e e m e r g e di nm a n yc i t i e s ，a l o n gw i t ht h eu p s i d eo fb u i l d i n gh i g h e ra n dh i g h e r , t h e f o u n d a t i o np i td i g g e dm o r ed e e p e rt h a nb e f o r e t h ec o m p l e xc o n d i t i o n ，d e f o r m a t i o n a n ds t a b i l i t yo ft e m p o r a r yr e t a i n i n ga n dp r o t e c t i n gs t r u c t u r ea r ec r u c i a lp r o b l e m si n c o n s t r u c t i o ne n g i n e e r i n g t h ec o m p o s i t es o i ln a i l i n gw a l lu s e di nr e t a i n i n ga n dp r o t e c t i n gf o rd e e p f o u n d a t i o np i ti sd e v e l o p i n gi nr e c e n ty e a r s ，w h i c hc a nw o r kw i t hs o i lt o g e t h e ra n d k e e po re n l a r g et h es t r e n g t ho fs o i li ns i d eo ff o u n d a t i o np i t ，c o n v e r t st h es o i lt h a t i n d u c e sl o a d i n ge f f e c to nt r a d i t i o n a ls u p p o r t i n gs t r u c t u r ei n t oap a r to fr e t a i n i n ga n d p r o t e c t i n gs t r u c t u r e ，w h i c hc a nb ee f f e c t i v e l ya p p l i e di ns p e c i a lg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s u c h a ss o f ts o i l a t e a b u tt h er e s e a r c h o n b e h a v i o ro f t o m p o s i t en a i l i n g w a l l i ss t i l l i n s u f f i c i e n t ，s p e c i a li ns o f ts o i la r e a ，t h ew o r k i n go fd e s i g na n dc o n s t r u c t i o no f c o m p o s i t en a i l i n gw a l ln e e dt ob es t u d i e dc o n t i n u e d b a s e do nt h et y p i c a lp r o j c o t s ，t h eh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n ti nd e p t h ，h o r i z o n t a i d i s p l a c e m e n ta n dv e r t i c a ls u b s i d e n c eo fp i l et o p ，a n ds e t t l e m e n t so fs u r r o u n d i n g b u i l d i n g sa r em o n i t o r e dw i t ht h ep r o c e s so nd i g g i n go fd e e pf o u n d a t i o np i ti ns o f t s o i l t h ed i a p o s i n gp r i n e i p l eo f t e s tp o i n t sa r es u m m a r i z e d ，t h er e s i s t i n gf o r c eo ft h e s o i ln a i l sa r et e s t e d t h ep r i m a c yt e s td a t ai sg a i n e d 。t h ew o r k i n gb e h a v i o ro f c o m p o s i t e s o i in a i l i n gw a l ii sa n a l y z e dt op o s t e dt h ea r cf o r mo ff a i l u r es u r f a c ei ns i d eo fd e e p f o u n d a t i o np i ti ns o f ts o i la r e a t h ei m p o r t a n c eo f d y n a m i cc o n s t r u c t i o ni ss h o w n a c c o r d i n gt o t h ed a t aa c q u i r e di nt e s t i n g ，t h e s t u d yo nd i g g i n gp r o c e s so f f o u n d a t i o np i ti sa n a l y z e db ym a k i n gu s eo ff i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e t h ew o r k i n g b e h a v i o rofc o m p o s i t es o i ln a i l i n gw a l lisa n a l y z e dto vc r i f vt h ea r cf o r mo ff a i l u r e s u r f a c ei ns i d eo fd e e pf o u n d a t i o np i ti ns o f ts o i la r e aa n dt op o i n to u tt h ei n a c c u r a c y o ff a i l u r em o d e lc a l c u l a t i o nu s i n gc i r c u l a rs l i d i n gm e t h o d c o m b i n e dw i t hp r o j e c tp r a c t i c e ，t h ep r o c e s so na n a l y z i n gc o m p o s i t es o i ln a i l i n g w a l li se x p a t i a t e dp a r t i c u l a r l y t h ep r i n c i p l e sh o wt oc h o o s et h ep a r a m e t e ro fs o i la n d t h eo p t i m i z i n gm a e n sa r ea l s od i s c u s s e d n o to n l yt os o i ln a i l i n gw a l la n dc o m p o s i t e s o i ln a i l i n gw a l l ，b u ta l s ot os i m i l a rs t r u c t u r ee n g i n e e r i n go ff o u n d a t i o np i t ，w h i c hi s v a l u a b l ef o rr e f e r e n c ea n dg u i l d i n g k e yw o r d s ：s o f ts o i l ，s o i ln a i l i n gw a l l ，c o m p o s i t es o i ln a i l i n gw a l l ，f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s 附件一： 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：翌建 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或i 句i ! i 家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：互互红导师签名：幽日期：趔 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 复合土钉墙研究意义与工程应用价值 目前，我国城市建设发展迅速，高层、超高层建筑层出不穷。高层建筑的发 展使深基坑开挖与支护技术得到了前所未有的发展和推进。随着地上建筑的建设， 地下空间的利用也成为开发商的有效选择，由一层地下室发展到二、三层，甚至 四、五层，相应的基坑开挖深度也从地表以下5 6 m 增大到1 2 1 3 m ，甚至2 0 m 以 上1 9 9 5 年开工的上海市金茂大厦基坑开挖深度达1 9 5 m ，研创了上海软土、高 层地下室超大、超深基坑围护和挖土新纪录 近年来，基坑工程具有深、差、密、紧、多等特点，即基坑越挖越深：工程 地质条件越来越差；基坑四周已建或在建高大建筑物密集或紧靠重要市政道路及 设施；施工工期紧；特别是软土地基深基坑具有地下水位高，基坑变形的时空效 应等特点i ”，对工期的影响越来越大：围护基坑的方法很多，如传统的人工挖土 桩、预制桩支护土钉墙、复合土钉墙支护等。基坑工程的以上特点使得原先并不 突出的临时围护结构变形和稳定成为工程界和市政管理部门十分关注的问题。一 方面，平面尺寸和开挖深度的增大引出了许多新的复杂问题，根据现有理论、规 范和经验无法妥善解决，另一方面，对深基坑引起的变形限制越来越严深基坑 支护由于实践性强，影响基坑工程的不确定因素多( 如土工参数的准确性、气候影 响、计算假定、施工队伍和队伍的素质) ，周围环境的多样性( 邻近建筑物：地下管 线、周围道路) ，都使其成为风险性较大的一种工程 j i 近年来，我国的许多城市 和地区，相继发生了多起基坑工程事故，高地下水位软土地区基坑事故占3 0 。 这些事故造成的损失是巨大的。我国虽先后制订了几本基坑工程技术规程，但由 于幅员辽阔，各地区地质条件千差万别，土力学参数难以精确确定，使土力学的 计算公式具有很大的近似性及不准确性因此研究基坑支护变形受力特点，探索 其规律，成为当前经济建设面临的重要课题。 复合土钉墙与传统的基坑支护形式相比，最大的特点是：造价低廉，施工工 期短，无噪音以济南市中房大厦为例，基坑深2 1 9 米，原设计方案为钻孔灌注 山东大学硕士学位论文 桩支护。改为土钉墙支护后，业主仅基坑一项就节约投资2 0 0 万元。 依据1 9 9 9 年建设部颁布的建筑基坑支护技术规程( j g j l 2 0 9 9 ) 土钉墙仅 适用于地下水位较低的、自立性较好的土层；对环境的要求是：土钉墙的破坏、 失稳或变形较大，对周边环境及地下结构施工影响一般或不严重。可见，该规程 不主张在软土及复杂环境下应用土钉墙。 我国幅员辽阔，软土分布广泛。高层建筑深基坑往往多建于城市建筑物及地 下设施密集处，可见，现行规程及理论研究明显滞后于工程实践。 目前，复合土钉墙使用范围不断扩大，但对其的变形机理研究不够，设计还 处于半理论、半经验的状态，工程实践中存在着提高安全系数、保守设计的问题。 这些难题的解决，对防止基坑发生危险，降低工程造价，必将产生良好的经济效 益和社会效益。 1 2 复合土钉墙技术简介 土钉墙是近年来发展起来用于土体开挖和边坡稳定的一种新型挡土结构。该 方法是先以一定倾角成孔，然后将钢筋置入孔内，在孔内形成注浆土钉体，随后 在坡面披挂钢筋网，并与土钉连接，最后在坡面上喷射混凝土。由原位土体、设 置主土体中的土钉与坡面上的钢筋混凝土三部分纽成的土钉加固体称为土钉墙 ( s o i l n a i l i n gw a l l ) ”。土钉墙自2 0 世纪7 0 年代产生以来，由于其施工工艺简 单，成本低。在边坡与基坑工程支护中得到了广泛的推广与应用。但土钉对地层 条件要求较高，通常仅适用于地下水位低，自立性较好的土层中，以达到土钉墙 所需的必要条件。所以，在开始阶段，土钉墙多用于有一定自立能力并能提供足 够抗拔阻力的较密实的砂土、粉土、素填土、坚硬或硬塑粘性土等建筑基坑支 护技术规程j g j l 2 0 9 9 也规定土钉墙适用于二、三级基坑，非软土场地，基坑深 度不宜大于1 2 米。后来，东南沿海一带淤泥及淤泥质土为主的软土地区亦开始应 用该技术。为适应这一带软土的特性，发展了复合土钉墙支护技术。即以薄层的 水泥土桩墙或压管注浆等超前支护措旌来解决土体的自立性、隔水性及喷射混凝 土面层与土体的粘结问题；以水平向压密注浆及二次压力灌浆来解决围护墙土体 加固和土钉抗拔力问题；以一定的插入深度解决坑底隆起、管涌和渗流等闯题； 办即以止水帷幕、超前支护和土钉三者组成复合土钉墙p 】 复合钉墙支护的形式有多种。就止水帷幕丽言，有重搅拌桩止水帷幕、 2 山东大学顾士学位论文 二重搅拌桩帷幕、高压旋喷( 摆喷) 桩和控制压力注浆等。超前支护有超前微型桩加 固、超前注浆加固、超前土钉加固、其他超前加固的措施。土钉有钻孔注浆式， 钢管打入式，自钻式。各种不同的复合土钉墙其施工工艺略有差异。下面以东营 市胜利油田综合写字楼深基坑支护采用的钢管打入式施工工艺进行介绍。 在本工程中所采用的是典型的复合土钉墙支护形式，其采用二重深层搅拌桩 作为止水帷幕，同时起超前支护作用，以钢管作为土钉，采用振动锤击入土中。 施工过程是一种由上而下的分步修建过程，按下列顺序进行： 1 按设计要求定位放线，施工深层搅拌桩。制作钢管( 钢管每隔8 0 0 r a m 交叉 钻孔) 。 2 搅拌桩完成后，按设计要求开挖第一步工作面，修整边坡，埋设喷射混凝 土标志。 3 弹线，对土钉进行定位。当有坑边降水井、监测点时，可适当调整土钉位 置。 4 在土钉位置处用冲击钻进行开孔，孔径略大于钢管直径。钻孔应穿透深层 搅拌桩。 5 用振动锤振动击入钢管，注浆。 。 6 焊接连接件，绑扎钢筋网。 1 7 喷射混凝土 、 8 设置坡面、坡脚、坡顶排水系统。 9 待第一步土钉达到设计强度的7 0 后施工第二步 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国内外研究现状 现代土钉技术是2 0 世纪7 0 年代出现的。1 9 7 2 年法国凡尔赛地区首先应用土 钉加固铁路路堑边坡。土钉技术随之在德国，美国、英国得到了发展。现在，土 钉墙技术在这些国家已成为一项常规技术。 1 9 8 2 年太原煤炭设计研究院在国内首次将土钉技术应用于工程实践中，之后 在国内逐渐流行，并出现了一些代表工程。在这方面冶金部建筑研究总院、总参 工程兵、清华大学等单位围绕土钉墙的机理、设计、施工等领域进行了大量试验 研究，取得了不少成果。在大量工程实践的基础上，1 9 9 7 年我国制定了基坑土 山东大学颂上学位论文 钉墙技术规程c e c s 9 6 ：1 9 9 7 。土钉墙的设计包括土钉墙的勘察要求与结构尺寸 的确定，土钉墙整体稳定性分析与变形分析土钉墙的稳定性分析是土钉墙工程 设计的一项重要内容。稳定性分析可以验证初步设计所选各个参数的合理性、可 行性，也可以确定土钉墙的安全性、适用性【” 关于土钉墙的稳定性分析，许多国家进行了大量的试验研究，产生了相应的分 析计算方法，这些分析方法有不同的安全系数定义，不同的破裂面形状假定，不同 的钉土相互作用类型和土钉力分布假定。根据其分析原理可分为极限平衡方法和 有限元方法，但大多数为极限平衡方法。目前，国外进行土钉墙稳定性分析的方法 有下列几种：法国方法、德国方法、有限元方法、通用极限平衡法，还没有一个公 认的计算方法。国内也有许多单位进行土钉墙的研究和应用，其计算方法主要有： 太原煤矿设计院方法、北京工业大学方法、洛阳总参科研三所方法、清华大学方法 和北京冶建总院方法等t s i 目前国内关于土钉设计计算的规程有三本，一是由中国 建科院主编的建筑基坑支护技术规程j g j l 2 0 9 9 。二是清华大学土木工程系与 总参工程兵科研三所编写的基坑土钉墙技术规程c e c s 9 6 ：9 7 ，三是冶金部建 院主编的建筑基坑工程技术规范y b 9 2 5 8 9 7 。这三本规程在土钉墙的计算上是 不尽相同的。 。 1 3 2 国内外研究尚未解决的问题 通过查阅各种国内外大量文献，参考各地区复合土钉墙的施工资料以及相应的 国家规程。在对复合土钉墙的研究中。国内尚有以下未解决的问题： ( 1 ) 复合土钉墙的作用机理。复合土钉墙与岩土介质特别是软土介质相互作用 的机理的研究还较欠缺；对某些机理的认识更多的还停留在定性方面的描述，而 缺少定量的结果，致使设计理论更多地不得不建立在工程类比法的基础上 ( 2 ) 设计计算。按目前土钉墙的计算公式来看，未考虑超前支护、止水帷幕发 挥的作用，仅将其作为一种安全储备但超前支护、止水帷幕在受力时使土钉更 容易形成一个大的复合土体，对土体交形起了极大的约束作用。另一方面，目前 的计算以受力作为其破坏特征，未考虑变形的影响，在相当多的情况下，土钉墙 尚未破坏，而其变形已引起周围建筑物的沉陷，而土钉墙的变形是难以精确计算 的。 ( 3 ) 施工中临界变形速率的确定。规范对此尚未做出明确规定，但从上海地区 4 山东大学硕士学位论文 基坑支护的实例来看，临界变形速率的确定显然是破坏的前兆，它的确定对基坑 工程的施工起着决定性的作用。 ( 4 ) 最大变形监控值的确定。目前有两本规范对最大变形监控值给出了规定， 一是基坑土钉墙技术规程c e c s 9 6 ：9 7 ，确定为3 o h ( h 为基坑深度) ；二是建 筑地基基础施工质量验收规范g b 5 0 2 0 2 2 0 0 2 ，二级基坑8 e m ，三级基坑1 0 c m 。 二者相差太大，给实际施工造成很大难度。 ( 5 ) 土钉墙参数的选取、土钉的布置、施工工艺参数的确定。 ( 6 ) 临界滑动面的确定。临界滑动面的确定，目前也存在着多种不同的结论。 比较典型的有直线滑动面、双直线滑动面、圆弧滑动面。规程上采用的是圆弧滑 动面，也就是常用的瑞典条分法进行设计计算，而研究表明，软土地区不适用于 这种模式。 ( 7 ) 土钉变形的时问效应和空间效应。很显然，现在的计算公式均建立在一维 计算的基础上，土钉交形的时间效应和空间效应的三维空间计算理论尚未建立。 1 4 本论文主要研究内容 在国内外学者研究工作的基础上，本文主要研究内容如下： 1 结合典型样本工程实例，对复合土钉墙的工作性能进行现场测试。通过第 一手实测数据的研究，总结复合土钉墙的受力与变形特征及其破坏模式 2 根据实测数据，运用有限元分析软件建模，加载，模拟开挖过程，分析软 土基坑采用复合土钉墙支护的变形机理，进行设计优化。 3 围绕“以人为本，环境保护”为中心，研究复合土钉墙对环境的影响，主 要研究基坑开挖对邻近建筑物沉降的影响，解决复合土钉墙的适应性问题。 4 总结有限元法分析复合土钉墙应注意的各类问题，探讨有限元分析法与动 态设计相结合的新型设计方法，以及有限元分析在设计旌工中的指导意义。 山东大学顽七学位论文 第二章复合土钉墙的设计与施工 2 1 设计方法 目前，关于复合土钉墙的设计，大多借鉴建筑基坑支护技术规程) j g j l 2 0 9 9 ， 但由于复合士钉墙施工了水泥土搅拌桩，显然按土钉墙计算是不合理的。对复合 土钉墙的设计，不仅应考虑其局部稳定性及整体稳定性，还应考虑对水泥土搅拌 桩的抗渗、基坑底部抗隆起、坑底附近的水泥土搅拌桩破坏验算等。 2 1 1复合土钉墙设计的内容 根据复合土钉墙的变形受力机理研究，以及可能发生的破坏形状。复合土钉 墙支护设计应包括以下内容， l 根据工程类比和工程经验，初选支护各部件的尺寸和材料参数： 2 进行计算分析，主要有： ( 1 ) 土钉的设计计算； ( 2 ) 支护的内部整体稳定性与外部稳定性及底部稳定性分析； ( 3 ) 喷射混凝面层的设计计算，以及土钉与面层的连接计算【7 l ； ( 4 ) 土钉的抗渗设计 通过上述计算对各部件的初选参数作出修改和调整 1 基坑变形估算 2 施工现场降水、土方开挖及施工工况设计 3 基坑监测方案设计 通过以上设计，给出复合土钉墙基坑支护的完整设计方案 2 1 2 复合土钉墙的设计方法 影响土钉墙设计计算的因素众多，设计方法有如下分类； l 根据锚固土体所持的力学模型分类，有刚体力学法、准刚体力学法和连续 体力学法 2 根据破裂面( 滑动面) 、潜在破裂面( 或称最小稳定面) 的几何形状分类，有直 线形破裂面分析法、折线形破裂面分析法、抛物线形破裂面分析法、对数螺线形 破裂方法、圆弧形破裂面方法、任意形状滑面的通用极限平衡法、有限元法。 3 根据求解方式分类，有图解法、图解解析法、解析与半解析法以及数值计 算法( 如有限元法) 。 6 山东大学硕士学位论文 4 根据土钉整体的力学模式分类，有锚固分析法；有粘结重力复合体分析法。 5 根据针对的问题分类，有内部稳定和外部稳定分析法。【q 在上述方法中，根据地质条件及现场条件的不同，应选择适宜的计算方法。 在土钉墙的设计中，般采用直线形破裂面分析法、折线形破裂面分析法，在进 行内部稳定性分析时，般采用圆弧形破裂面方法。基坑土钉支护技术规程 c e c e 9 6 ：9 7 中土钉的设计采用了直线形破裂面分析法，在稳定性分析中采用了圆弧滑 动面法。对于重要的工程，规程建议采用有限元法对支护的内力与变形进行分析。 本文正是运用有限元法揭示实际基坑工程破坏模式，进行相应设计，防范基坑危 险。 2 , 1 。3复合土钉墙各部件的尺寸和材料参数的初步选取以 ( 1 ) 土钉的材料；对于复合土钉墙，土钉一般选用普通钢管4 8 x 3 5 r a m ( 2 ) 土钉的长度：土钉长度的经验设计参数，对软塑粘性土，弓名比值不应小 于1 0 。对于软土，土体蠕交较大，函此，j 兀比值不应小于1 0 。 ( 3 ) 4 - 钉的水平问距 ，和竖向阈距( 晶。建议取1 2 2 m 。 ( 4 ) 土钉与水平面的倾角；土钉的向下倾角宜在5 一1 5 。的范围内，当利用重力 向孔中注浆时，倾角可加大，当利用压力注浆且有可靠排气措施时倾角宜接近水 平当上层土软弱时，可适当加大倾角，使土钉插入强度较高的下层土中。当遇 有局部障碍物时，允许调整钻孔位置和方向。 2 1 4土钉的设计( 局部稳定性验算) 一般采用的是直线滑动面设计法i 4 l ，设计方法如下： ( 1 ) 确定滑动面：该种方法认为面层后面的土体沿与水平面成4 5 。+ 4 2 的夹 角破裂，破裂楔体与地面附加荷载引起的土压力传递给面层，面层通过土钉在稳定 土体中的摩阻力将破裂楔体稳住。如图2 1 所示 ，t + 尼 器2 - 1直线滑动面设计法 ( 2 ) 计算土钉应承受的最大轴向力z 7 只l 山东大学硕士学位论文 一骰情况司按f 式计算 z = s v s h 盯m c o s 口： 或者当考虑均布荷载g 的作用时有 f = 兰! 当! 兰 u 5 “f = 以丘一2 f 百 口：= 线k 。一k 厩 鱼= l + q y 式中：吒，和o h 一分别为不考虑和考虑地面荷载作用的曩深处主动土压力( k p a ) ； e 为主动土压力系数：，、c 为土的重度和粘聚力；品，蜀为土钉的间距和排距 ( m ) ；q 、 为第f 排土钉的水平倾角及其在壁面上深度( m ) ；g 为地面均布荷载强 度( k p a ) 。 ( 3 ) 计算土钉的长度厶 l t = l h + l m 式中：k 为第i 排土钉非锚固段的长度当考虑到q 角的影响时，l 可以表 示为如下 乞2 面丽岳面 s i = h h i 式中：善为潜在滑移面与水平面所成的角；抒为基坑的深度； 为第f 层土钉 的高度。 如果考虑到很小时，c o s 口；l ，t a n c r i 0 ，则有 山东大学硕士学位论文 k * & t a n ( 4 5 0 - 善) 式中；k 为第脖* 土钉的锚固段长度，k 可有两种确定方法： 经验选取厶= k h ，其中k = 0 5 1 0 ，硬土取小值，软土取大值。 首先计算各层土钉在内力作用应满足下式： 巳心等厶 式中厶为土钉的局部稳定性安全系数，取1 2 - 1 4 ，基坑深度较大时取高值； n 为土钉设计内力，按上式来确定；九为钢筋抗拉强度标准值，按混凝土结构 规范选取。 其次，按满足如下的式子来求出锚固段长 f d n 乙蒯o f 式中磊为土钉孔径；f 为土钉与土之间的界面枯结强度，其值可由现场确定 ( 4 ) 计算土钉钢筋断面面积4 4 5 警 式中k 。为钢筋抗拉设计系数，一般取1 5 ，厶为钢筋抗拉标准强度值 2 1 5喷射混凝土面层设计 将拉筋两个方向的距离( 鼠、墨) 布置成相等或相仿，加筋土结构的面板设计可 按多跨连续无粱楼盖的计算模型分析。其面荷载q 的计算式为 q 2 啬 按两维结构简化为一维结构和连续板两支座问总弯矩绝对值等于剪支板跨中 弯矩值， 9 山东丈学碗士学位论文 眦 = q s , r s v * 阱擎 考虑到基坑护壁属短期使用的临时结构，板厚比较薄，实际设计中可按弯矩全 调幅考虑，即视支座弯矩与跨中弯矩相等。 2 1 6 土钉墙的外部稳定性分析i j i l 进行土钉墙的外部稳定性分析，即把土钉墙看作是重力式挡墙，作为一个剐体 发生下列失稳： ( 1 ) 沿支护底面滑动； ， ( 2 ) 绕支护面层底端( 墙趾) 倾覆，或支护底面产生较大的竖向土压力，超过地 基土的承载能力； ” ( 3 ) 连同周围和基底深部土体滑动。 这三种可能的破坏方式中，前二种与重力式挡土墙在主动土压力作用下失稳 相同，作用在支护背面( 整个加固了的土体背部) 的是主动土压力( 有地下水还有水 压) ，可以按重力式挡土墙的规定进行验算 墙高取圩( 日为基坑垂直深度) ；对施工了水泥土桩的土钉挡墙，墙厚取 b = o 8 5 l ( 工为土钉加权平均长度的水平投影长度) ；墙宽从纵向取品。如图2 - 2 所示。 ( a ) 整体滑移 图2 - 2外部稳定性计算 l抗滑动安全系数 “= 苦扎， ( b ) 整体倾覆 e 山东大学硕士学位论文 c 假设墙底断面上产生的抗滑力： e 假设墙后主动土压力 j f ：= ( b x 品h x y + b x 函。g ) t a n + c x b x s 2 抗倾覆稳定性验算 抗倾覆安全系数 民= 蚝m 。1 5 肼。由墙体自重和地面荷载产生的抗倾覆力矩 j | l = ( b x s v 厅，+ 丑品口) 昙 m 。：e 娶 计算表明，土钉墙整体抗倾覆稳定很容易得到满足，而整体滑移的安全度， 却不容易得到满足，原因有：软土层中，墙后水土压力较大，墙底部摩擦力比较 小。 为此，可采取以下措施： ( 1 ) 局部加长一二捧土钉，借助墙外部分土钉的拉力抗滑移； ( 2 ) 将最后一排土钉倾角加大，调动墙体部分入土深度； ( 3 ) 将水泥土桩的抗剪强度计入抗滑因素 2 1 7 抗渗验算 当深层搅拌桩做止水帷幕，其坑底应作抗渗验算。如图2 - 3 所示。 图2 - 3 抗渗流验算 k s = i c | i 其中f 坑底土体的临界水力梯度，由坑底的土性确定： 山东大学硕士学位论文 = ( g d o + p ) 式中：g s 为坑底土颗粒的重度：e 坑底土颗粒的天然孔隙比；f 为坑底土的渗 流水力坡度i = 九l ：丸为基坑内外土体的渗流水头( m ) ，取坑内外的地下水位差； 上为最短的渗流路线总长度，上= 厶+ 肌l ；厶为流径水平段总长度( m ) ， 可取帷幕的宽度；厶为流径垂直段的总长度( m ) ；m 为流径垂直段换算成水平 段的换算系数，可取m = 1 5 ；足。为抗渗或抗管涌安全系数，取1 5 2 0 t 8 1 【9 1 2 1 8土钉墙的内部稳定性分析i 。】 用极限平衡方法分析内部稳定性时，采用的土体破坏面形状一般假定为圆弧 线，在均匀土质中的破坏面应通过坡面底端( 趾部) ，破坏面与地表相交的另一端位 置需要通过试算来决定。每一个可能的破坏面位置对应于一个稳定性安全系数， 作为设计依据的临界破坏面具有最小的安全系数。如图2 - 4 所示。 整体安全系数可用下式计算： 图2 - 4 整体稳定性计算 小而编十包) c o s q 栩i l 谚+ 巧o o s qc 锄五十 十口) c o l s ( z t + ( s i n 反t a l l 妒。+ c o s p , ) 孥 ) 式中：睨、q 为( 无搅拌桩处) 作用于第t - i - 条的体自重和地表超载；巧为( 有 搅拌桩处) 作用于第f 土条的土体自重和地表超载的和；口。为土条f 圆弧破切面切线 与水平面的夹角；。为第f 条土条宽度；氟、c l 为土条f 圆弧破切面所处第，层土 层的内摩擦角和内聚力；一、n 为第f 水泥土搅拌桩土条的内摩擦角和内聚力； 为第髟排土钉的最大抗拔力；尻为第足排土钉轴线该处破切面切线之间的夹角； 瓯为土钉的水平间距：k 为安全系数，取1 2 5 - 1 3 0 。 山东大学硕士学位论文 2 1 9 底部稳定性 s l 有软地层的土钉墙才存在底部稳定性问题，底部稳定性表现为：墙底士体的承 载力：坑底土体的隆起：坑底附近水泥土桩的破坏 ( 1 ) 墙底土体的地基承载力复核 基坑开挖之前，土体处于三维受力状态，开挖之后，在边坡上，在坑底附近 土体处于二维受力状态，受力状态的改变，土体强度的削弱，墙体底部土体在墙 体自重作用下，失去承载力的可能性是很大的。为此。须验算墙底土体的承载力， 使之满足：- 匕= ( r 2 d n q + c 犯) 【万( + d + 们1 2 式中 为坑外地表至围护墙底各土层的加权平均值( k n ，m 3 ) ，儿为坑内开挖面 以下至围护墙底，各土层天然重度的加权平均值( k n m 3 ) ，为基坑开挖深度( m ) ， d 为围护墙在基坑开挖面以下的入土深度( m ) ，q 为坑外地面荷载( k p a ) ，虬、c 为 地基土的承载力系数，根据围护墙的地基土特性计算 g q ：e _ g l 辔2 ( 4 5 + 争 札= ( 致一d t g $ ( 2 ) 基坑底部抗隆起的复核 验算基坑抗隆起稳定性的方法很多，可以采用稳定系数法： n 。= 谭b 七q s 。婚0 式中，为坑外士体的重度加权平均值渊，m 3 ) ，风为基坑开挖深度( m ) ，鼋为 坑边地面超载( k p a ) ，s o 为墙体土体与水泥土桩抗剪强度的加权平均值( k p a ) t ( 2 ) 坑底附近的水泥土桩破坏复核 l 抗冲剪验算 抗弯折验算 图2 - 5 水泥土桩底部强度验算 山东大学硕士学位论文 水泥土桩既是防渗帷幕，又是开挖面的临时支护，当开挖至下一层而还没有 施工土钉及喷射混凝土面层时，已暴露出来的水泥土桩发挥临时支护作用，防止 幕后的泥土被挤出。为此，要验算水泥土桩发生冲剪和弯折破坏的可能性。 抗冲剪： 群= 丢= i ( 帆_ + 萨2 s 2 c 。】丽越。 式中：占为防渗帷幕的宽度( m ) ；乞为水泥土搅拌桩的抗剪强度； ( k = ( n 2 一o 3 珑或c 0 ；c o + 培丸 克为水泥土桩无侧限抗压强度，可取1 m p a ；c 为土体的凝聚力( k p a ) ；，为 土体的天然重度( k 卜m 3 ) ；品为土钉的竖向间距( m ) ：】 l o 为基坑的开挖深度；疋 为主动土压力系数。 抗弯折： o r d = y + 3 4 q ( 8 , t b + o 5 ) 2 o t l i 位移监测布置图 图3 - i 胜利油田综合写字楼基坑监测点布置凰 2 5 山东大学硕士学位论文 3 3 数据分析 3 3 1深层水平位移变化形态及分析 深层水平位移随开挖深度及施工日期的变化形态如图3 2 所示 图3 - 2 胜利油田综合写字楼c x l 孔深层水平位移变化图 图3 - 3 胜利油田综合写字楼c x 2 孔深层水平位移变化图 2 6 山东大学硕士学位论文 01 02 03 0 4 0 7 0 3 。 、一，、! 7 ” 2 、 | 十5 拈 4 、；岁， 十5 嚣 6 ， r 6 4 8 一& l l ， l o j 。? e - 1 3 1 2 矿 一& 1 6 “ 兹夕 1 6 彭骖圹 l o 图3 - 4胜利油田综合写字楼c x 3 孔深层水平位移变化图 图3 - 5 胜利油田综合写字楼c x 4 孔深层水平位移变化图 山东大学硕士学位论文 ( i ) 深层水平位移的大小与挖深有关，挖深越大位移越大。在施工中，随着 开挖的进行，每一步土钉的施工，挖深不断变大，随着深度及施工日期的变化， 水平位移不断增大，以上c x i ，c x 2 ，c x 3 ，c x 4 测斜孔均里现此种变化趋势。 ( 2 ) 深层水平位移分布形态： a c x i 孔位移上部较大，中部次之，下部较小，呈梯形状态； b c x 2 上部较大，中部次之，下部较小，里梯形分布状态； c c x 3 中部较大，上部次之，下部较小，呈鼓形分布状态； d c x 4 比较复杂，早期位移形状局部呈凹凸形，后期呈梯形分布。 c x i 孔中部最大位移5 5 r a m 。c x 2 孔顶部最大位移7 0 r a m ，c x 3 孔中部最大 位移5 8 m m ，c x 4 孔中部最大位移达8 5 r a m 。分析原因，c x 2 位于出土通道附近。 考虑到此处荷载较大，作用较频繁，对基坑土扰动较大，故在基坑周围加打了8 棵钻孔灌注桩，导致此处墙体刚性较大，基坑变形未呈现鼓形破坏的特征。 ( 3 ) 复合土钉墙的水平位移分布形态与土钉墙不同。取位移变化较典型的为 c x 3 、c x i ，基坑变形沿深度各点的水平位移随施工日期的延续而增加，基坑开挖 完成后逐渐趋于稳定位移在距离基坑顼面约4 7 m 处最大。表明复合土钉墙表现 出与一般土钉墙的不同交形形状。一般土钉墙墙顶水平位移随开挖深度逐步向坑 内发展，墙后土体位移也是上层较大、下层较小，挡墙有向坑内斜倾的趋势；而 复合土钉墙开挖后桩顶位移较小，但随深度增加深部土体有明显的水平移动趋势， 墙体有向坑内凸起的趋势，然后随深度增加又逐渐减小。形成鼓形分布变形 ( 4 ) 深层水平位移在坑底以下相当深度处仍有变化趋势。基坑位移有向坑内移 动的趋势。 ( 5 ) 深层水平位移的变化表现了软土土体变形的弹粘塑性特征。从监测资料来 看，在基坑开挖阶段，深层水平位移随基坑开挖增大趋势，当基坑开挖完成，底 板混凝土浇注后，位移稳定，以后变化不再明显。在基坑开挖阶段，当本层开挖 完成而土钉尚未置入，此时，水平位移最大，应视为危险工况当已完土钉受到 拉力突变后，重新调整了内力，此时，水平位移有回弹的趋势当本层土钉发挥 作用，位移暂时稳定当进行下层土钉开挖，变化趋势又同上层，如此反复。但 总体趋势，逐渐增大 ( 6 ) 边壁出现鼓形，其特征愈明显，愈表明是边壁大变形或失稳。从鼓形特征 2 8 山东大学硕士学位论文 最为明显的c x 3 来看，c x 3 位于基坑南部，距离社区办公楼仅8 m ，坡顶荷载较 大：土钉施工时，考虑裙楼避桩的影响，对土钉的位置、间距、长度均进行了调 整，调整后的方案对土体的变形造成了不利影响，所以，c x 3 位移较大，最有可 能发生破坏。c x 2 位于出土通道附近，基坑周围8 棵钻孔灌注桩，整体刚性较大： c x i 、c x 4 周围地面空旷，地面荷载小，破坏的可能性较小。以上现象同时表明， 边壁出现鼓形，是边壁大变形或失稳的前兆。 ( 7 ) 深层水平位移不同深度处任一质点的位移速率不同：从上述变化图可以看 出，在不同深度处，质点的位移速率明显不同。变形最大处，位移速率也大。 ( 8 ) 从监测资料看出，软土地区，土体的蠕变特性将使基坑位移显著增大。这 就要求，在本地区施工复合土钉墙，如周围建筑物较密集，应采用加长加密上部 土钉或土钉与予应力锚杆联合支护，以限制上部土体位移。如基坑面积较大，应 隔一定距离增加钢管桩或钻孔灌注桩以限制基坑中部位移。 3 ，3 2 桩顶水平位移和垂直沉陷分析 1 0 0 9 0 r | l 8 0 ；曼7 0 秀静 f 趔6 0 扩 - l - - 2 j 蹿5 0 - - - 5 ；掣4 0 ， * 3 0 | 2 0 l 垂 1 0 。l 争2 5l l - 2 ；51 2 - 1 5 1 2 - 2 51 - 41 - 1 4l - 2 4 日期 圉3 6商业街m n 组团桩顶水平位移变化图 ( 1 ) 桩顶位移随基坑开挖深度变化逐渐增大：从监测资料来看，在基坑开挖阶 段，桩项位移随基坑开挖呈增大趋势。在基坑开挖阶段，当本层开挖完成而土钉 尚未置入，此时，桩顶水平位移最大，应视为危险工况。当已完钉受到拉力突 变后，重新调整了内力，此时，桩顶水平位移有回弹的趋势。当本层土钉发挥作 用，桩顶位移暂时稳定。当进行下层土钉开挖，变化趋势又同上层，如此反复。 但总体趋势，逐渐增大。当基坑开挖完成，底板混凝土浇注后，桩顶位移稳定， 以后变化不再明显。 ( 2 ) 桩顶位移受地面堆载影响较大：在施工阶段，当m n 楼西侧场地堆积大量 钢材后，桩顶位移增加了1 0 m m d ，卸荷后，又趋于稳定。 山东大学硕士学位论文 ( 3 ) 桩顶位移受水影响较大，m n 楼基坑东侧曾发生下水管道堵塞，无法排水 的现象。水的渗入使桩顶位移有显著变化，当排除后，趋于稳定 ( 4 ) 桩顶位移与基坑的形状关系较大从监测数据可以看出，m n 组团的桩顶 位移显著大于综合写字楼，因m n 组团基坑单边长度1 0 0 m ，大于综合写字楼的 4 0 m 。 ( 5 ) 从桩顶位移的数据同时可以看出，土钉作为种主动支护体系，其本身能 承受较大的变形，如m n 组团，其桩顶位移最大可达到1 2 c m ，而支护体系未发生 破坏征兆。但周围建筑物却承受不了如此大的变形。当东侧变形达6 c m 时，附近 建筑物沉陷缝明显增大。 ( 6 ) 桩顶水平位移的变化要求施工期间严禁超挖。在m n 组团施工期间。第五 步土钉施工中超挖近1 m 深，此时，桩顶位移显著增大，而周围建筑物裂缝亦明 显扩展。 ( 7 ) 从垂直沉陷的监测数据来看，由于基坑开