（地质工程专业论文）复合型土钉墙支护设计及监测技术研究.pdf

中山大学工程硕十学位论文 复合型土钉墙支护设计及监测技术研究 专业名称：工程硕士( 地质工程) 学位申请人：刘晓彬 指导老师：张珂教授 摘要 本论文以广州南沙地区基坑t 程为背景，选取珠江三角洲广泛分布的软土作为研究对象，通过基坑 现场试验及监测数据，研究复合土钉支护的内力和变形特征，揭示其变化规律，分析各因素对支护体系 稳定性及位移大小的影响，从而解决目前十钉墙支护的基坑深度与位移控制两大难点及局限性的关键。 本论文详细分析了复合型土钉支护技术的上作机理、构造型式；对复合型土钉墙支护的破坏模式进 行了详细分析和探讨。在此基础上，对复合型土钉墙的变形进行研究。基于经典d r u c k e r - p r a g e r 弹塑性模 型，结合实际复合_ 十钉墙基坑工程的监测统计数据，提出模型的修正系数a ( a 是反映土的物理力学性质、 地下水渗流以及复合土钉墙支护型式的综合影响的参数，取值在o 5 1 0 之间) ；通过实际基坑工程的监 测数据的对比分析，本文将a 取值为o 8 ，使得修正的d 1 1 j c k e r - p r a g e r 模型计算结果与实测结果比较吻合， 误差小于l o ，验证了修正d r u c k e r - p r a g e r 模型的正确性和合理性。 另外，通过将现场监测信息采集、优化反分析参数及围护结构变形和稳定分析有机地进行结合，对 基坑支护位移和安全性监测建立动态预报，提出复合土钉基坑监测的信息化动态监测技术概念，并进行 了安全预警分析。 本研究的开展，一方面，在理论上可以有效提高复合型土钉墙的支护设计能力，节约施t 成本；另 一方面，将复合型十钉墙支护计算模型应用于工程设计和施t ，预测基坑的变形，从而为软土基坑- t 程 的设计和施t 提供依据；也将极大地提高基坑工程问题的计算精度，提高工程质量，防j ：或减少工程事 故的发生和发展，为复合土钉支护技术在国内更为广泛地应用提供更科学的依据。 关键词：复合型土钉墙支护；基坑；修正系数；修正d r u c k e 卜p r a g e r 弹塑性模型； 信息化动态监测；动 态支护；安全预警 复合型十钉墙支护设计及监测技术研究刘晓彬 s t u d y o nd e s i g no fc o m p o u n ds o i l n a i lw a l la n d f o u n d a t i o np i tm o n i t o r i n g m a j o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g ( g e o l o g ye n g i n e e l i n g ) n a me ：l i ux i a o b i n s u p e r v i s o r ：p r o f z h a n gk e a b s t r a c t r h es t u d yi sb a s e do np r o j e c t so ff o u n d a t i o np i ti nn a n s h ad i s t r i c to fg u a n g z h o uc i t yi np e a r lr i v e rd e l t a ， w h e r es o rs o i i sa r ew i d e i yd i s 仃i b u t e d t h r o u 曲f i e l dt e s t sa n da n a i y s i so ft h ed a t ac o l l e c t e d ，t h ei n t e m a lf o r c e a n dd e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f c o m p o u n ds o i l n a i lc a nb er e v e a l e d t h e nt h et h e s i sp r e s e n t st h ef a c t o r sw h i c h a r ec r i t i c a lt ot h es t a b i l 时a n dd e f o r m a t i o no ft h es u p p o n i n gs y s t e i t l ，s ot h ed e p t ho ff o u n d a t i o np i ta n dt h e d e f o r m a t i o no fs o ns o i l sc a nb ed e t e r m i n e d t h i st h e s i se l a b o r a t e l yp r e s e n t st h em e c h a n i c sa n ds t n i c t u r es t y l e s ，a n da n a l y z e st h ed e s t r u c t i v em o d e so f c o m p o u n ds o i l n a 订w a l l b a s eo nt h ea n a l y s i s ，t h ed e f o r m a t i o n0 fc o m p o u n ds o i l n a i lw a nc a nb e 胁h e rs t u d i e d c o m b i n i n gt h ed m c k e r - p r a g e re l a s t i c p l a s t i cm o d e l 锄dt h em o n i t o r i n gd a t ao fs o m ec o m p o u n df o u n d a t i o np i t ， t h em o d i f i e dc o e 币c i e n t 口c 绷b ep r o p o s e d ( 口r e f l e c t st h es o i lp h y s i c a im e c h a n i cc h a r a c t e r is t i c s ，u n d e 粤o u n d w a t e rs e 印a n do v e r a l li n f l u e n c eo fd i f r e r e mk i n d so fc o m p o u n ds o i l - n a 订w a l l ) w i t ht h ec o m p a u r i s o na n a l y s i so f m o n i t o r i n gd a t ao fa c t u a lf o u n d a t i o np i t s ，t h ea r t i c l em a k e sac o n c i u s i o nt h a t 口= 0 8 ，w h i c hm a k e st h et e s tr e s u i t s a p p r o x i m a t e l yc o i l s i s t e n tw i t ht h eo u t c o m eo f t h em o d i f i e dd m c k e r - i ) r a g e rm o d e l ，m a k i n ge 仃o rb e l o w10 ，a n d c o n f j r m st h ec o r r e c t n e s sa n dr a t i o n a j i 眵o ft h ed r u c k e r - p r a g e rm o d e l m o r e o v e r c o m b i n i n gt h ef i e l dm o n i t o r i n gd a t ac o i l e c t e d o p t i m i z e db a c ka 1 1 a i y s i sc o e f f i c i e n t s 锄d a i l a l y s i so fs u p p 矾s 仃u c t u r ed e f o r m a t i o na n ds t a b i l i 吼t h et h e s i se s t a b l i s h e sad y m i i l i cp r e d i c t i o ns y s t e mb a s e d o nt h ed e f o r n m t i o no ff o u n d a t i o np i ta n dt h es e c u r 时m o n i t o r i n 辱l ta l s op r e s e n t st h et e c h n i c a lc o n c e p to f i n f i o r m a t i o m ld y n a i l l i cm o n i t o r i n go fc o m p o 帅ds o i l - n a i lw a na i l ds e c u r i t yw a n l i n 吕 o nt h eo n eh a n d ，t h es t u d yc a i lt h e o r e t i c a l l ye n h 绷c e st h ed e s i 印a b i l n yo fc o m p o u n ds o i l f l a 订w a l la n d r e d u c e sc o n s n l l c t i o nc o s t ；0 nt h e0 t h e rh a n d i t 印p i yt h em o d e lt 0e n 舀n e e r i n gd e s i 印锄dc o n s t n j c t i o n w h i c h 中山大学t 程硕+ 学位论文 c a np r e d i c tt h ed e f o r m a t i o no ff o u n d a t i o np i ta n dl a yt h eb a s i sf o rt h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fs o f ts o i l f o u n d a t i o np i t m o r e o v e r , t h es t u d ys u b s t a n t i a l l ye n h a n c e st h ec a l c u l a t i o na c c u r a c yo ff o u n d a t i o np i ta n dp r o d u c t q u a l i t y , d i m i n i s h e sa n da v o i d st h eo c c u r r e n c eo fs a f e t yp r o b l e m s i ta l s op r o v i d e st h ef o u n d a t i o nf o rw i d e l y u s a g eo fc o m p o u n ds o i l - n a i li nt h ec o u n t r y k e y w o r d s ：c o m p o u n d s o i l n a i lw a l l ；f o u n d a t i o n p i t ；m o d i f i e dc o e f f i c i e n t ；m o d i f i e dd r c c k e r - p r a g e r e l a s t i c - p l a s t i cm o d e l ；in f o r m a t i o n a ld y n a m i cm o n i t o r i n g ；d y n a m i cp r e d i c t i o n ；s e c u r i t yw a r n i n g i i i 复合型土钉墙支护设计及监测技术研究刘晓彬 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图目录 侧向变形条件下应力莫尔圆。2 2 三轴试验中应力莫尔圆2 2 预应力锚索复合土钉支护示意图2 5 预应力锚索复合土钉支护示意图2 6 预应力锚索复合土钉支护示意图2 7 土钉坝体的计算模式2 7 面层受力模式3 0 基坑开挖过程中不同点的受力状态3 2 应力一应变关系3 3 广义v o nm i s e s 屈服面3 4 基坑项水平、垂直位移随基坑开挖过程曲线3 5 t 1 随基坑开挖过程曲线3 6 基坑深部c x l 处水平位移随深度曲线3 6 他随基坑开挖过程曲线3 6 l v 囊蹲趸专 至至霎 渤乇譬镖乓= 篓蓁霎冀攀囊囊薹羹薹! 耋鋈三薹薹蓁耄茎妻蠢函瓤篓羹蔫氧嘞鬟。羹苫 塞蔫塑雾玛州蓁霾霾鏊翼墼薹号羹篓霉王j 霉则蠹塾萋雾霪塞鬟霞薹蓄墨鍪霪_ 平塞。 摘磋型釜篓鍪霾霪鍪墅蓁洋囊冀蔷矗薷炒鸯慧弓；携盘囊蒜薛睨籍孽恻龇蓁露鬟羹塑 霎事羹耋萋p ；骆曩雾秘篓鬟荔辔型霎群计算结枭蠹霸笺薹爨鬟蘼嵩 ； 计 算结果对比表397号坑水平监测结果与修正模型计 x 中山大学t 程硕士学位论文 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 立进行研究工作所取得的成果。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作品成果。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 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：加刁年莎月? 日 第。章绪| 蕈i 霞雾蒸雾羹雾雾囊霾 薹；謇。薹鋈霪囊蒌 冀一黧粪墼 蕊蠹鍪；羹翼慧囊羹蓁薹鬟羹颡冀鏊l 雾；羹薹窭蓁蓊霎雾篓雾。蓁霎羹鋈黎爨羹攀雾薹垂羹冀冀嚣霆； 塞翼霪鹜，蠹篓雾鬟；疆雾嚣鍪窭；茜磊鬟篷，羹錾塞囊，篓霪萋囊薹囊薹螽囊鋈重錾霸藁蠢囊篓鬟弱 羹冀雾，l 耋蓁囊蓁鼢鋈攀翼_ 蓁丽墓雾珏雾! 孺雾餐霾翼蓁冀羹霎蓁鋈蓁蓁篓4 塞羹霾霪蒂雾翼；璧冀雨墓 攀叁羹霾霆囊雾 1 ) ：5 5 - 6 5 【渠爱雪江苏省新型工业化水平综合测度研究经济地理，2 00 6 ，2 6 ( 1 ) ：5 5 - 6 5 】 【2 8 】l i uy a o b i n ，l ir e n d o n g ，s o n gx u e f e n g g r e y 勰瞄i a t i v ea n a l y s i so fr e g i o n a lu r b a n i z a t i o na n de c o - e n v i r o n m e n t c o u p l i n gi nc h i n a a e t ag e o g r a p h i c as i n i c a ，2 0 0 5 ，6 0 ( 2 ) ：2 3 7 - 2 4 7【刘耀彬，李仁东，宋学锋中国区域城市化与生 态环境耦合的关联分析地理学报，2 0 0 5 。6 0 ( 2 ) ：2 3 7 - 2 4 7 】 s p a t i a l - t e m p o r a ld i f f e r e n t i a t i o no f t h es y s t e m i ch a r m o n i o u s d e g r e eb e t w e e nc i t i e sa n di n d u s t r ya l o n gt h er a i l w a yl i n e s i nx i n j i a n g l us i j i a l 一，z ha n gx i a o l e i l ，l e ij u n l ( 1 x i n j i a n gi n s t i t u t eo f e c o l o g ya n dg e o g m p h r ，c a $ ，u r u m q i8 3 0 0 1l ，c h i n a ； 2 g r a d u 疵u n l ve r l i t yo fc h i n e s ea c a d e m yo fs c i e n c e s ，b e i j i n g1 0 0 0 4 9 ，c h i n a ) a b s t r a c t ：x i nj i a n gi sc h a r a c t e r i z e db yo a s i se c o n o m y 、历t ha b u n d a n tr e s o u r c e si n c l u d i n g e n e r g ya n d v u ln e r a b l ee c o - e n v i r o n m e n t t h ep r o m o t i o no fh a r m o n i o u s d e v e l o p m e n to f n e w t y p ei n d us t r i a l i z a t i o na n du r b a n i z a t i o ni nt h i sr e g i o ni sa ne f f e c t i v ew a yt oe n h a n c i n g r e g i o n a le c o no m ya n da c h i e v i n gs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fr e s o u r c e sa n de n v i r o n m e n t b a s e d o nt h er e g i o n ale c o n o m i cs y s t e mc o m p o s e do f12o a s i sc i t i e sa l o n gt h e 船i l 、a yl i n e si n t h i s r e g i o n ，f i r s tl y ，t w os u b s y s t e m s ( n e w t y p ei n d u s t r i a l i z a t i o ns y s t e ma n du r b a d i z a t i o ns y s t e m ) a r ec o n s t r u c te du n d e rt h e ”u r b a n - i n d u s t r y ”s y s t e m t h i sp a p e ra n a l y z e st h ei n t e r a c t i v e m e c h a n i s mo ftw os u b s y s t e m s b yb u i l d i n gm o d e l so fs y n c h r o n i s mi n d e x ，c o u p l i n gf a c t o ra n d v a l i d i t yi n d ex ，t h eh a r m o n i o u sd e g r e e w a sm e a s u r e da sf o l l o w s ： i n - p h a s e 粤_ a d e o f d e v e l o p m e n tsp e e d s y s t e mo p e r a t i n gs t a t u sa n dt h ec o n t r i b u t i o nt or e g i o n a le c o n o m y t h e p a p e ra l s oa n al y z e st h es p a t i a l - t e m p o r a ld i f f e r e n t i a t i o no fh a r m o n i o u sd e g r e ef o rt h ey e a r so f 2 0 0 0 ，2 0 0 4a n d2 0 0 7 ，r e s p e c t i v e l y b e s i d e s ，f o u rt y p e so fh a r m o n i o u sd e g r e e sa n dt h e i r 复合型土钉墙支护设计及监测技术研究刘晓彬 本研究的开展，一方面，在理论上可以有效提高复合型土钉墙的支护设计能力，肖约施工成本；另 一方面，将复合型土钉墙支护计算模型应用于工程设计和施工，预测基坑的变形，从而为软士基坑工程 的设计和施t提供依据；也将极大地提高基坑工程问题的计算精度，提高工程质量，防止或减少t程事 故的发生和发展，为复合土钉支护技术在国内更为广泛地应用提供更科学的依据。 1 2 国内外研究现状及发展动态 1 2 1 土钉墙技术发展历史 十钉支护是用于十体开挖和边坡稳定的一种新的挡土技术。土钉( s o i l n a i l i n g ) 一词源白法文c l o u a g e d es o l ，就是置入丁现场原位土体中以较密间距排列的细长杆( 索) 什，如钢筋或钢管等，通常还外裹水 泥砂浆或水泥净浆浆体( 注浆钉) 【。土钉的特点是沿通长与周围十体接触，以群体起作用，与姻吁铷臻 霎群一薹葺囊薹；羹甜鋈权求羹雾矍蓁饕薹；燮霞翼蓄垂薹蠢偷塔崩尝羹垄饵篓蚕雾 于 j 冀剁剽邕缫 雾；稍霪殉蓁鋈薹羹影副錾鬣薹篓醺蹒缮两遵雾薹蘑窭i 薹垂硼夔蓁猷墼6 亏话霪r ) i 型薹鞴鎏霎雾礴一曩薹耸礁囊! 鸯塾雾蓬彰韭蓁熏帮窑一曩“蒿薅蚕酹 鬟搦统蘧篓篓蚕咕雨羹髅墅雷凳珏：鬯冀羹新墓耋鼎鹫引崩! 霹蟊越盹蛐彭薹成分对1 2 6 个个案的得分，以旋转 后各主成分的方差贡献率作为权重与各主成分得分的加权求和得到1 9 9 5 年、2 0 0 0 年、 2 0 0 5 年3 个年份的各县经济发展水平综合指数以此作为依据分析淮海经济区经济发展 差异演变。 2 2 淮海经济区经济发展水平类型的划分 依据1 9 9 5 、2 0 0 0、2 0 0 5 年淮海经济区经济发展水平指数，运用s p s s 进行层次聚类 分析中的q 型聚类分析统一选择离差平方和法，聚成4 类：发达型、较发达型、中等 型和滞后型。需要说明的是：文中所指的“发达型、较发达型、中等型和滞后型”是在 淮海经济区内部县之间的相对称谓并不具有全国意义。因为从全国范围看，淮海经济 区属于欠发达地区其发达型的县经济发展水平仅相当于全国的中等发达型县，其他类 型依次类推。 把中国资源环境数据库中的面状行政单元层以县为单元提取出来作为图形数据，把 经济发展水平指数输入到数据库中作为属性数据通过a r c g i s 软件利用关键字段把属性 数据链接到图形数据上利用符号化设置的渐变色显示功能，选择手动( m a n u a l ) 分级 法，把4 类县分别赋以4 种不同的颜色且经济发展水平越高的区域被赋予的颜色越深， 将3 个年份淮海经济区各县的经济发展差异水平在图上显示出来( 图l 一3 ) 。利用a r c g i s 技术手段，找出不同年份的各类型的几何中心并揭示其空间转移轨迹( 图4 ) 。 进一步分析 第一章绪论 资约2 5 0 万美元，主要研究地震、冰冻以及地表倾斜对土钉支护稳定性的影响。 ( 3 ) 美国的模型墙试验【l l 美国的c k s h e n 等于1 9 8 1 年在美国加州大学d v i a s 分校建造了一个土钉支护足尺模型，试验采用 了砂质粉土和粉粘土。基坑垂直挖深为9 2 m ，分5 步开挖，每步挖深1 8 m 。士钉为钻孔注浆钉，直径为 1 0 c m ，沿深度设置5 排，设计长度为6 1 m ，倾角为2 0 0 ，水平间距均为1 8 m 。试验的主要结论如下：在 开挖面后5 f t ( 1 f t = o 3 0 5 m ) 处，水平位移在地表位置最大，在开挖面后1 5f t 处，水平位移的最人点下移； 开挖面以下的水平位移相对来说比较小；各层土钉的轴力基本一致，靠开挖面处最人，尾部接近于零。 此外，在试验中还研究了交通荷载下支护结构的变形情况，当开挖深度为3 0 t t 时，最大水平位移仅为 o 8 i n ( 2 0 r n m ) ，说明土钉支护结构的抗动载性能良好。 ( 4 ) 煤炭部太原设计研究院的模型墙试验【2 1 模型试验土坡高1 5 m ，坡角为8 0 0 ，边坡土体由粉质粘十构成，土钉长1 0 5 m ，通过加载使支护结构 发生破坏，加载距坡顶边缘2 4 c m 。用七钉支护边坡在超载作用下的承载力相对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。 ( 5 ) 武汉水利电力大学的模型墙试验【2 1 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，用丁测读十体位移，右侧为1 5 块3 0 5 0 c m 的十条，在 填砂时作挡板用，试验时由上而下逐层拆除木条，每拆除一层就击入一层土钉，以模拟开挖与支护的施 工过稃。模拟施工过程之后，在项面分级加荷至破坏。共进行了1 0 组模犁试验，研究土钉k 度、倾角、 间距和砂土的密度等参数的影响。 ( 6 ) 同济人学的模型墙试验【1 j 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l ：1 0 的比例开挖，开挖深度为0 6 m 。试验 按实际十钉施下顺序进行，土钉采用击入式土钉。土钉材料为宽ll m m 、厚l m 的带肋黄铜板条，面层用 0 2 m m 涤纶薄膜模拟，模拟r 十采用常州红砂，试验分5 组，分别采用参数不同的两种模型士，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，检验土钉支护体系承受超载的能力。 此外，英国从2 0 世纪8 0 年代开始也对土钉有过较多的研究，包括分析方法及计算程序开发( 牛津 大学、英国运输部等) 、离心机模型试验、实际土钉支护工程的内力与变形实测以及大型的抗剪试验( w a l e s 大学c a d i f f 学院) 等。其中w a l e s 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，加筋土样所承受 的水平荷载大人超过未加筋十样。英国剑桥大学的j e w e l l 和j o n e s 也作了类似的人型直剪试验，试验的结 5 第一章绪论 王士川和王安军教授通过现场工程测试，研究分析拉力和剪力在土钉支护结构中所发挥的步同效能，并 指出了剪力效能与土钉倾角之间的关系【。姜振泉等在1 9 9 6 年进行了土钉支护模型的剪切试验，研究了 不同土钉长度和倾角不同情况下的补强效果，得出以下结论：只有在稳定土体内具有一定长度时，土钉 才能发挥补强作用；单筋的抗拉补强作用与插筋密度密切相关，但土钉密度对单筋的抗剪补强效果的影 响不如前者明显，单筋的抗剪补强作用主要与材料的抗弯刚度及插筋长度有关；土钉抗拉作用所发挥的 补强效果比抗剪作用所产生的补强效果显著，但如果土钉具有较高的抗弯刚度，且没有产生明显的弯曲 变形，土钉可以产生明显的抗剪补强效果。而其它小型的现场测试试验则不胜枚举【。 1 2 2 2 理论研究 土钉支护分析和计算方法是土钉支护t 程设计的重要内容，也是土钉支护技术应用的理论基础。从 大量的工程实践中，可以把土钉支护可能破坏的形式分为体外破坏( 整体侧移、倾覆和整体滑移) 和体 内破坏两种类裂。前者在工程实际中极为罕见，在原位七钉支护结构的自身稳定和粘结整体作用得到保 证条件下，工程中一般采用类似重力挡墙设计方法进行水平滑动稳定、抗倾覆稳定、墙底土承载力和整 体抗滑稳定验算；后者迄今为止，尚无各国工程界普遍认同的方法，各国根据各自的试验研究，提出了 相应的分析和计算方法，归纳起来，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f 5 1 0 1 2 2 2 1 极限平衡法 极限平衡法是土坡稳定和基坑支护理论较早采用的方法，也是目前土钉支护应用最为广泛的方法之 一。就极限平衡法而言，许多国家对其进行了大量的研究。由于有不同的安全系数定义，不同的滑动面 形状假定以及不同的钉土相互作刚类型和土钉内力分布的假定，发展了许多种与其相应的试验成果一致 的方法。 在国外，工程中应用较多的并具有代表性的有以下几种【卜6 】： ( 1 ) 1 9 7 9 年由s t o c k e r 等人提出的德国方法。其假定滑动面为双曲线形，并通过土坡坡脚，进行力 的极限平衡总体稳定分析，仅考虑土钉的抗拉作用，土的剪切强度由英尔一库仑准则确定。 ( 2 ) 1 9 8 1 年由美国加州大学d v i a s 分校c k c 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。其假定滑动面为过坡脚的抛物线形，仅考虑十钉的抗拉作用。d a v i s 法和改进的d a v i s 法区别在于土体强度参数和土钉抗拔力所取的分项安全系数不同，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。该方法假定滑动面为圆弧形，根据传统边坡稳定分析中 的条分法，并考虑穿过滑动面士钉的抗拉、抗剪和抗弯作用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。该方法假定滑动面为对数螺旋线形并通过坡脚，用 条分法分析滑动土体的平衡，并认为滑动总力矩与抵抗总力矩间的不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。 7 复合型土钉墙支护设计及监测技术研究 刘晓彬 着开挖深度的增加，土钉的轴力迅速增大，其最大值的位置也逐渐外移。 ( 5 ) 秦四清等y - 1 9 9 9 年采用平面有限元对基坑开挖土钉支护进行了分析，比较了有支护和无支护 两种情况下r 十体的拉应力区、剪应力区、破坏区以及位移的分布规律，分析了开挖过程中土钉的内力。 结果发现有土钉时，土体中的拉应力区明显减少，剪应力集中区的范围减小且剪应力集中程度较低，坡 角的破坏区明显变小，说明土钉的作用在于分担了十体部分应力，并通过钉土相互作用将应力扩散传递 到周围十体中，减小了士体应力集中程度，充分调动了周同更人范围十体承载能力。由于土钉对土体的 侧向约束作用，减小了基坑变形，并且由于士钉的复合作用，使得基坑破坏区的形成滞后于无支护开挖。 根据计算结果，开挖面处的水平位移曲线呈现“锯齿”状。 ( 6 ) 张明聚等于1 9 9 8 年考虑士钉的局部三维作用，模拟了基坑开挖和- 七钉支护的施工过程，分析 了开挖引起的支护结构位移、土钉一轴力、土中应力的分布和变化规律。在计算模型中，沿基坑边壁的 计算长度取为- - n 土钉加固范围的一? f ，对丁土体采用d u n c a n - c h a n g 非线性本构关系，而土钉和面层则 采片j 线弹性模型，士体和面层均用2 0 节点空间等参单元模拟，土钉用3 节点空间杆( 索) 单元模拟，两 者之间不设接触面。在上述模型的基础上，张明聚等于1 9 9 9 年考虑了土钉与土体之间的粘结作用，即在 土钉与土体之间的节点插入双弹簧联结单元，并参照l a d e d u n c a n 破坏准则给出了一种判断是加荷或卸 荷( 再加荷) 的标准。用改进后的方法分析了一实际工程，验证了该分析方法的可靠性。 此外，国内很多学者也对十钉支护进行了有限元分析。东南大学的胡孔国和宋启根采用带两个转动 自由度的g o o d m a n 单元来模拟土钉捎墙与土之间的接触作用，推导了它的刚度矩阵，并用弹塑性有限元 法分析了十钉挡墙与土共同作用机理【9 1 。张群等将土体离散为具有平面内旋转自由度的三角形膜，十钉离 散为平面梁单元，对深基坑十钉支护做线弹性有限元分析，得出了土体和土钉的内力都获得改善的结论 【l 们。 有限元是数值分析的有力工具，但用于土工结构分析时仍有不少困难，其最主要的困难在丁土的本 构模犁及模型参数的确定。总的来说，目前用于土钉支护的有限元程序对十钉内力的计算结果较为满意， 但变形的输出则不够理想。 1 2 2 2 3 工程简化分析法 在工程实践中，人们提出了许多简化分析方法。简化分析的实质就是赢接给定滑动面的位置，直接 给定不同部位的土钉的最大拉力。虽然这类方法在理论上显得较为粗糙，但用于估算土钉拉力和对于有 经验者进行土钉的初步设计仍然不失为一种简便可行的方法。 在国外j u r a n 曾综合了一些工程实侧的结果，参考了t e r z a g h i 和p e c k 针对支撑板桩支护所建议的土 压力分布，将土钉挡墒中的土钉比作支撑，并加以适当的修正，提出了当土钉等长设置时，不同高度土 钉的最大拉力分布简图，仅适用于均质土体，坑壁直立、地表水平无超载的情况，不适用于软土和地下 l o 第一章绪论 水的士体。 在国内目前，土钉支护常用的简化分析方法有p , 6 1 ： ( 1 ) 我国有色金属工业长沙勘察院提出二分之一分割法。该方法首先要确定土钉面板上的土压力图 形和土的间距s v ，s h ，然后再按二分法来进行每根土钉的受力情况分析。 ( 2 ) 假定潜在破坏面的方法，包括楔形破坏滑移面和双折线滑移面法。前者方法是套用重力式挡墙 背后的土体楔形破坏的特点，按库仑十压力理论，滑移面的倾角为4 5 0 + m 2 ，与c 无关；后者方法是仿照 加筋土挡墒滑动面，上为直线、下为斜线，直线段离开墙面的距离约为基坑深度的0 3 倍。这两种方法的 土钉的拉力均由土体侧向十压力分布求出。按前者方法计算数值偏于安全，虽然上部土钉偏长，但在城 区实际工程中考虑到上部土质多为回填十，结构较松，变形量大和一定量的变形会对建( 构) 筑物和地下管 线等周边环境造成较大的影响的原因，为严格控制变形，往往加大上部土钉的长度，但底部十钉长度偏 短，存在不安全的隐患；按后者计算偏于不安全，因为加筋挡墙是由下向上构筑的，填土经筛选，滑移 面的位置s - - 0 3 h 的假定比较符合实际，用于土钉设计可能导致上部士钉长度不够。 ( 3 ) 王步云方法。王步云建议的简化方法在实际工程中应用较为普遍。该方法也假定滑移面为舣折 线，即上为直线、下为斜线。与假定潜在破坏面的方法不同的是土钉结构由经验公式确定，其中十钉长 度设计公式为：l = m h + s o 。式中m 为经验系数，一般可取m - - 0 7 1 2 ；s o 为止浆器长度，一般为o 8 1 5 m ；h 为基坑深度。土钉间距设计由下式确定：s v s h ，量k r d h l 。式中s v s h 为土钉的列距和行距；d h 为土钉直径；k l 为注浆工艺系数，对一次压力注浆，取1 5 2 5 。同时按土钉过量伸长或屈服进行七钉 直径验算，按界面摩阻力进行锚固力计算。 1 2 2 2 4 经验设计法 尽管目前土钉支护的机理和设计原理还不甚清楚，但人们通过长期的工程实践积累了大量的经验， 这些经验为十钉支护的设计提供了重要的参考价值。在一定程度上进行经验或规程设计法也是一种较为 有效的方法。 1 2 3 复合型土钉墙技术研究进展 1 2 3 1 复合型土钉墙的产生 前述土钉支护的局限性从多个方面妨碍了该技术的应用与发展。而目前我国，经济发展最快，建设 最广泛的地区都是在东南沿海城市，如上海、广州、福州、深圳等，地下水丰富，地下水位较高，承压 水头高，属软弱地质条件，即地层上部一般为疏松的杂填土、粉质或淤泥质土，下部为深厚的淤泥质粘 土，土体的强度值偏低，而且其中大多数深基坑工程位于城市中心，周边建筑物密集，环境复杂，支护 边坡的变形对周边的影响很大【3 引。因此，土钉支护在这些地区的应用受到很大挑战。土钉支护在国内基 第。章绪论 合土钉支护型式成败的关键【1 引。廖志强等根据现场测试数据，采用有限元法对复合土钉支护进行了分析 i i g 。吴忠诚对疏排桩一土钉墙组合支护的结构稳定性及变形特性进行了分析1 2 0 1 。 1 2 3 3 复合土钉支护应用前景 地下空间的开发与综合利用时2 1 世纪城市建设的主题，这使得复合土钉支护有着广泛的应用空间， 特别是随着复合土钉支护概念、设计方法的建立和完善，在朱米的几年里，复合土钉支护应用将有以下 特点【2 1 1 ： ( 1 ) 适用范围更宽 复合土钉支护突破了现有有关规定的应用禁区，开始在软土、流砂、厚杂填土、厚砾石层中大量应 用，所取得的经济技术效果也更加显著。随着对复合土钉支护设计方法的不断深入，复合土钉支护会应 用到更多的不良地质中。 ( 2 ) 应用地区更广 目前，复合土钉支护应用最多的是在沿海地区软弱土层中，但在内陆地区也出现了许多成功的应用 实例，比如有效控制相邻建筑物的沉降裂缝、减小基坑侧壁水平位移、增加基坑开挖深度等等。复合土 钉支护会作为一种成熟的技术应用到更多的地区。 ( 3 ) 应用领域更人 复合土钉支护从主要应用在建筑工程扩展到交通、水电、人防等部门。随着这项技术的不断完善， 它将在防护工程、防洪、冶金、煤炭等领域得到推广虑用。 1 2 4 基坑监测技术研究进展 基坑工程的监测预报技术是指基坑在开挖施工过程中，用科学仪器、设备和手段对支护结构、周边 环境( 如十体，建筑物，道路，地下设施等) 的位移、倾斜、沉降、应力、开裂、基底隆起以及地下水 位的动态变化、土层孔隙水压力变化等进行综合监测。然后，根据前一段开挖期间监测剑的岩土变位等 各种行为表现，及时捕捉大量的岩士信息，及时比较勘察、设计所预期的性状与监测结果的差别，对原 设计成果进行评价并判断施工方案的合理性。通过监测取得的数据和现场描述，利用优化反分析法、时 效曲线法、动态施t 的粘弹性反演法、智能预测控制法等手段进行分析计算和修正岩土力学参数，预测 下一段工程实践可能出现的新行为、新动态，为施工其间进行设计优化和合理组织施工提供可靠的信息， 对后续的开挖方案与开挖步骤提出建议，对施工过程中可能出现的险情进行及时的预报，当有异常情况 时立即采取必要的工程措施，将问题抑制在萌芽状态，以确保工程安全。 可见，基坑工程的施- t 监测预报技术既是检验设计正确性和发展理论的重要手段，又是及时指导正 确施工、避免事故发生的必要措施。 1 3 复合型土钉墙支护设计及l 监测技术研究 刘晓彬 1 2 4 1 国外研究现状 2 0 世纪4 0 年代t e r z a g h i 和p e e k 等人，提出了预估挖方稳定程度和支撑荷载大小的总应力法，这一 理论原理经过多次改进和修正一直沿用至今【2 1 ，2 2 1 。5 0 年代b j e r r u m 和e i d e 给出了深基坑坑底隆起的分析 方法【2 3 1 。从6 0 年代开始在挪威首都奥斯陆和墨西哥首都墨西哥城软枯土深基坑中使用了仪器进行监测。 这一时期基坑支护技术发展的成就主要表现在：深化并完善了对基坑支护概念的认识，发展了十压力理论， 提出了较符合t 程实际的挡十结构内力分析模型和计算方法，试验和量测技术以及对十性参数的确定和 十体本构模型的研究等也都得到了迅速发展。尤其是各种新犁挡土结构的出现和应用为基坑支护技术的 进一步发展开辟了广阔的前景，并积累了大量的工程经验，形成了较好适用性的半经验的设计、施t 和 预测基坑变形的方法。从2 0 世纪7 0 年代到现在的3 0 余年间，基坑支护技术进入了一个新的发展阶段。 在此期间，随着基坑工程的发展与各种挡土结构相适应的设计理论不断完善，产生了指导基坑开挖的法 规。基坑支护的概念也发生了变化，在原来的外部支护设计的基础上，又提出了以加圄十体、提高土体 自能力为目的的内部支护的方法。施工机械的发展、施工工艺的不断改进、新型挡上结构材料的应用， 为复合型挡土结构在复杂的深大基坑中的应用提供了良好的条件。计算方法上，应用有限元理论对土压 力、基坑稳定性和基坑变形等进行联合分析的方法得剑了较大发展。 1 2 4 2 国内研究现状 国内的深基坑二r 程研究是2 0 世纪8 0 年代末开始逐渐涉及深入的，近2 0 年来取得了长足的进步，发 表了许多著作文献，特别是在信息化施工和基坑的时空效应研究规律方面取得了高水平的研究成果，侯 学渊和刘建航参考新奥法隧道施工面时空效应理论和上海人量软土基坑实践而提出的时空效应法【2 4 1 ，即 计算和控制基坑结构变形及基坑周边土层位移的方法，在工程实践中取得了显著的技术经济效果。蒋洪 胜、刘国彬对考虑时空效应的支护结构支撑轴力实测结果进行分析研究，通过对采用时空效应法施上的 地铁车站深基坑开挖全过程支撑轴力及相应工况的跟踪一记录，以及相应的检测数据资料的全面分析， 探讨了应用时空效应进行基坑开挖的规律分析2 5 1 。吴兴龙、朱碧堂指山在基坑设计中充分考虑时空效应， 随挖随支，约束土体变形产生，可以减小土体强度的衰减，增加支护结构的稳定性和安全性，并结合上 海三角地广场工程基坑工程实例论证了文中深基坑开挖过程中的时空效应规倒2 6 1 。随着国内深基坑- t 程 的不断开展，基