（地质工程专业论文）复合土钉深基坑支护的稳定性研究.pdf

摘要 本文对复合土钉深基坑支护中的稳定性问题，包括复合土钉内部、外 部稳定性等问题进行了分析和研究，提出了较为实用、简捷的计算基坑稳 定性的方法；结合具体工程实例，提出了复合土钉支护系统稳定性的判定 方法。主要工作有以下几个方面： 1 通过对土钉和锚杆两种支护构件的机理研究，阐明了复合土钉的工 作特性； 2 对复合土钉深基坑支护的稳定性进行了分析论证，尤其是在内部稳 定性分析时，首次采用改进的折线法。考虑土性参数空间分布对稳定性计 算的影响，用可靠性原理计算了复合土钉支护的失稳概率。并应用于深基 坑的工程分析，证明了此种方法的可行性； 3 运用复合土钉支护系统稳定性的综合评判法，结合基坑工程的实 例，根据基坑变形监测数据的分析，提出了复合土钉支护系统稳定性的判 据； 4 首次提出了广义基坑学的概念，将基坑工程的设计、旌工各因素综 合考虑，将深基坑支护问题理论化、体系化。 关键词复合土钉，深基坑，稳定性，综合评判法，广义基坑学 a b s t r a c t t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e do n s 切b i l 匆p r o b l e mo fc o m p o i u l d s o i ln a i l i n g i nd e e p e x c a v a t i o n ，i n c l u d i i l gt h ei n ：n e rp a r ta n d t t l ee x t e r i o r ，s e m e m e n ta m u n d e x c a v a t i o no f s t a b i l i 够h a sb e e np u tu p ；o n t l l eo 也e r h a n d ，c o m b i n e d w i t ht h e p r o j e c t ，t l l es t a b i l i t yc r i t 谢o n0 fc o m p o u n ds o i ln a i l i n gh a sb e c np u tu p t h e w o r k i n c l u d 访g ： 1 s t u d y i n gm e m e c h a n i s mr e s e a r c ho fs o i ln a i l i n ga n da n c h o r ，c l 撕母i n g 血ec h a r a c t e r i s co f c 伽叩o u n d s o i ln a i l i l l g ； 2 a n a l y s i n gt 1 1 es t a b i l i 妙o fc o m p o l m ds o i ln a i l i n g i nf o u n d a t i o np i t ， e s p e c i a l l yu s i n g t 1 1 ea m e l i o r a t eb r e a kl i n ei ni 皿e rs t a b i l i 锣d e m o n s 廿a t i o nf b r t h ef i r s t t i m e c o n s i d e r i n gt h e 砌u e n c eo fs o i lp 踟e t e r t o s t a b i l i t ) ，t h i s a i t i c l eu s er e l i a b i l i t ) ，t h e o 拶t oc a l 谢a t em ep r o b a b i l i 够o fc o m p o l l i l ds o i l n a i l i n gd e 、，i a t e 舶mt h e 鼬i l 时t h e na p p l y i n g i nt l l ee n 百n e e 血g a 1 1 a l y s i so f m e d e 印f o u n d a t i o np i t 州m m i s m e t b o d ，p r o 、，e di t sf e a s i b i l i 妙； 3 u s i n gm es y n t h e s i z ej u d 舯e n to fs 协b i l i t yt oc o m p o u n d s o i ln a i l i n gi n d e 印e x c a v a t i o n ，a c c o r d i n gt o m ed i s t o r t i o nm e a s u r e d a t a ，m es 协i l i 够 c r i t 丽o no f c o m p o l l i l ds o i ln a i l i n gh a sb e p u tu p ； 4 p 1 1 n i n gf o m a r d 也ec o n c e p t o f g e r a l i z l e dd e 印e x c a v a ：t i o nf o rt h ev e r y f l r s t t i m e ，s y n m e s i z e e a c h 如c t o ro f 廿1 e d e s i g i l ，c o n s t r i l c t i o n o ft h e d e e p e x c a v a t i o nt o c o n s i d e r a t i o n ，也e o r i z e a n d s y s t e m i z e t l l e d e 印e x c a v a t i o n s u p p o r t i i l gp r o b l e m k e yw o r d s ： c o m p o 瑚d s o i l n a i l i i l g ，d e e pe x c 戳a t i o n ，s t 曲i l 咄 s y n t l l e t i cj u 电m e 址，g 胁e r a l i z e de x 删o n 原创性声明 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： 关于学位论文使用授权说明 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，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；学校可根 据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名： 导师签名日期：年一月一日 硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 复合土钉支护的发展及其稳定性的研究现状 1 1 深基坑支护综述 进入九十年代以来，随着城市建设的发展，大、中型城市的高层、超高层建筑也 如雨后春笋，越来越多。高层建筑和地下构筑物的迅速兴起，促进了基坑支护的发展。 从发展的观点来看，无论是民用建筑或者是市政交通工程，都有向地下或高空索取空 间的趋势。 深基坑支护工程既不同于建筑主体的旌工，也不同于一般的边坡工程，它具有自 己鲜明的特点，其特点如下： 1 深基坑的支护施工环境条件较差。因为高层、超高层建筑都集中在市中心及主 要街道的两旁，市区的建筑密度大，人口密集，交通拥挤，施工场地狭小，束缚了深 基坑支护施工的手脚。 2 基坑的开挖越来越深。建设单位为节约土地，要求充分利用原有基地面积，充 分利用地下空间，设置人防、车库、机房及消防等设施，故地下室的深度和层数相应 增加，基坑的开挖越来越深。 3 必须用技术可靠的支护结构来确保安全。在邻近建筑物的开挖时，既要考虑建 筑物的安全，又要考虑对周围地下的煤气、水管、电缆等管线的影响，为减少对这一 系列建( 构) 筑物及设施的损坏及影响，必须设置技术可靠的支护结构来确保安全。 4 施工难度日益增大。基坑工程涉及到岩土力学、结构力学、材料力学、工程地 质和水文地质等学科，这些问题都比较复杂“1 。且涉及到土力学中的三个经典课题， 而这三个课题耳前并不完善。随着竞争机制的加剧，业主对造价、工程进度、工程质 量的要求也越来越高，相应增加了设计施工的难度。 上述特点，加之基坑的使用时间较短。使工程师们陷入了两难的境地。一方面， 由于基坑的环境特点使其对支护要求较高：另方面，由于服务时间较短和来自业主 的压力，又容易使人产生侥幸心理，为节省工程造价而降低安全要求因此。在基坑 支护中，发生事故的现象屡见不鲜。在基坑工程施工中，确保基坑开挖安全稳定具有 重要的意义。近十多年来，仅上海市因基坑失稳引发质量安全的事故己多达上百起， 造成经济损失上亿元“1 。如何协调安全与经济的关系，迫使人们探求更合理、更经 济的支护方法。 硕士学位论文第一章绪论 1 1 2 复合土钉支护的发展 一与i 言 随着深基坑工程的增多，人们对其支护方法也进行了大量的研究，并形成了多种 行之有效的支护技术，已发展出多种支护类型”“，诸如重力式与半重力式支护、 深埋式支护、环形支护及其它支护类型共i o 多种支护形式，其中土钉墙支护技术以 其简便、快速i 价格便宜等独特优点受到人们的青睐。土钉墙工程的迅速增多，特别 是在工程造价方面的巨大优势，强烈地吸引着人们试图利用土钉墙技术解决更加复杂 的支护技术问题甚至在部分工程中取代排桩、连续墙等传统支护型式，以取得更加突 出的经济效益。 普通土钉墙( 即利用钻孔注浆钢筋土钉和钢筋网喷射混凝土加原位土体形成的类 似重力式挡土墙) 不适用于没有自稳能力的土层，它一般只适用于地下水位以上作业， 因此往往需要外降水，而降水引起的建筑物的不均匀沉降又限制了它的使用，它的应 用对象基本限定于二级以下的基坑，对变形要求严格的工程一般不宜采用。此外，设 计和施工中的不规范行为造成工程事故时有发生，所以后来新规范对土钉墙的使用范 围进行了限制。 二土钉墙新模式复合土钉支护的研究与应用 目前，北京、广州、深圳、武汉、成都等地的基坑支护工程中，土钉支护的比重 已跃居首位。研究和开发新型土钉墙支护技术，扩大其使用范围，提高、完善并规范 其设计旖工技术是工程实践中提出的新课题。这就是目前发展起来的复合土钉墙，它 包括止水型土钉墙和加强型土钉墙。止水型土钉墙是以搅拌桩或旋喷桩作为止水帷幕 并加固开挖面土层后施工土钉墙；加强型土钉墙是在止水型土钉墙或土钉墙的基础上 设置预应力锚杆从而减少土钉墙的变形，本课题研究的是加强型土钉墙，即土钉墙+ 预 应力锚杆的支护形式，也称预应力复合土钉。 土町 嚏舯蕾凝 面层 t 肘托疆土 醒 ： 止水i 力 普通土钉墙示意图复合土钉墙示意图 图卜l土钉墙及复合土钉墙示意图 土钉支护以其工艺简单、施工速度快、成本低廉等特点，在基坑边坡、土质道路 2 硕士学位论文第一章绪论 边坡中得到了普遍的应用。然而，因设计、施工不当或突发原因而造成的钉支护事 故屡屡发生。锚杆是将破裂面前的主动区作为荷载，通过锚杆传至破裂区后的稳定区 内的一种支护方法，它能承受较大的荷载；预应力锚杆可减少上部变形和土体蠕变， 防止结构发生位移p 1 。在工程中常常把预应力锚杆布置在支护结构上部，以控制变形； 或中下部，增加安全系数( 如图1 1 所示) 。 复合土钉具有以下特点： 1 极大地扩大了土钉墙的应用范围，对复杂地质条件适应性强，对场地条件要求 少，可不用降水，对基坑周边环境影响小。 2 与传统的护坡桩和地下连续墙支护相比，工程造价明显降低，施工速度快。 3 与常规钉墙支护相比，安全可靠，变形小，适应性强。 4 提供了一种基坑支护的新方法，在许多情况下，可代替传统的护坡桩和地下连 续墙。 5 能有效利用土体的自承能力，将土体作为支护结构不可分割的一部分。 6 结构轻型，柔性大，有良好的抗震性和延性。 7 施工设备简单，操作方便，其施工对周围环境干扰小。 8 可根据监测数据及时调整土钉或锚杆参数，容易实现信息化施工。 新型土钉墙技术的研究，将士钉墙与深层搅拌桩或旋喷桩止水帷幕及预应力锚杆 结合起来，提供了一种先进实用的基坑复合支护技术，扩大了土钉墙支护技术的应用 范围。从1 9 9 7 年1 0 月起第一个复合型土钉挡墙基坑以来”1 ，工程界已普遍接受，在 全国各地得到了广泛应用。 1 1 3 复合土钉藏护稳定性的研究现状 锚杆、土钉联合支护结合了锚秆深鄢加固和土钌浅部加固的优点对基坑进行加固 勉理，瞧毒把镬、镑联合支轳称曳锚钶壤熬v j 。罐、钌联衾热鹾支护熬形式各巽，大 体可 麓纳为题静： l + 强锚弱钉支护体系。该体系戳锚秆为鏊坑的奎要蕊麟手段，抑锖基坑的整体鸯 掰矢稔破舔，然霰辖戳主钌支护，撵镱l 嫠虢逡凌爵帮破环； 2 + 强钉弱锚支护体系。以土钉为基坑的主要加赋手段，形成土钌墙，然后辅以锚 秆支护，限带0 土钉墙及墙后士体的位移。 臻应力笈台锃蕊予嚣兹。嚣魏襞豢韵主钶墙熬分接方法，笄考虑链耱拉力撵翅 进行稳定性分橱。 在工程中对失稳判定的常用方法有两种： 一种方法是戳应力为翔糖，支护结鞫在压力佟藤下，涟殍挖静进行，支护结梅 鹤应力逸至4 鼹服极限或扳限强度作为破塥判搌。 硬士学位论文 第一章绪 论 另一种方法是以变形为判据，把材料在变形过程中出现不允许的变形或裂缝看作 是破坏，在土钉支护的规范里，对基坑位移的最大值有明确限制，但应用中多有不便， 因此在实际工程中，仍以经验为主，这就增大了判断的随意性，给工程留下隐患。 作为基坑支护的新方法，关于预应力复合土钉支护的稳定性目前尚无统一的设计 原理和计算方法，大多是按现有的土钉墙计算方法套用的，因此都具有近似的性质。 甚至土钉墙的稳定性计算方法也并未定论，这一直是岩土工程界探讨和关注的问 题且均采用定值法的方法“。 1 2 问题的提出 复合土钉在工程应用的过程中，暴露出许多问题： 1 目前没有可循的设计规范，且设计方法各不相同，大多是按现有的土钉墙设计 软件，套用相关参数，在施工中加以调整，人为因素很多； 2 由于对土钉和锚杆受力特性不够重视，或者由于工期限制，施工中未遵循特定 的施工步骤，如上层锚杆未张拉便进行下部开挖； 3 对于支护方式的稳定性评价不够精确，采用不同计算模型求出的安全系数没有 可比性，在施工中的安全性有多大，往往设计人员自己心里也没底。在工程实践中， 安全系数大的基坑破坏了，而安全系数小的基坑却依然稳定的现象屡见不鲜p 1 ； 4 大多数的工程在施工中都进行了现场监测，即信息化施工，但规范中关于基坑 变形的报警值规定较含糊，在施工中往往根据变形已经显示出基坑失稳，但却又无法 做出正确的判断。 在实践中基本上是按工程经验结合现场监测情况进行参数调整，稍有不慎，就可 能导致严重后果。这方面的教训很多( 在第5 章将作详细介绍) ，仅北京某深基坑失 稳( 如图) 造成的损失就达到上亿元。如何对深基坑的稳定性进行一个综合评价， 如何全面考虑稳定性的影响因素，就成为迫切霈要解决的问题。 1 3 本文研究的内容 本文对预应力复合土钉的稳定性进行了全面研究，在前人研究基础上，改进与创 新，通过对土钉和锚杆的工作机理研究，进而分析复合士钉墙的工作性能，在此理论 基础上，运用可靠性理论对复合土钉深基坑支护的稳定性课题进行研究，将其稳定性 4 硕士学位论文 第一章绪论 图卜2某深基坑失稳图 进行量化，给出了失稳概率：考虑到复合土钉支护破坏的渐进性，提出了根据变形速 率结合变形量综合判断基坑稳定性的方法，并独创性地提出了广义基坑学的概念。主 要内容如下： 1 3 1 预应力复合土钉支护的工作特性 研究土钉和锚杆的工作机理，明确充分发挥其工作效能的影响因素，这是本文的 基础部分。 1 3 2 预应力复合土钉深基坑支护的稳定性评价准剐 由于基坑失稳的危害性巨大，故对支护设计的研究一直受到人们的关注和重视。 众多技术人员对此付出了艰辛的努力，开发出了诸多支护设计软件，诸如同济“启明 星”，中航“大力神”，清华大学豹“删叫d 土钉支护”设计软件等等，这些软件无 疑是非常优秀的，但由于土体参数的复杂性及施工过程的多变性，往往出现很多的不 可预料性，因此其稳定性研究必须采取多种评价方法的综合判断。 1 在应力判据方面，运用与安全系数不同的评价方式一一可靠性评价理论，进行 复合土钉深基坑支护稳定性的可靠性研究“，判断深基坑支护设计的稳定状况，给 出稳定概率，使稳定性有一个准确的指标； 2 在变形判据方面，鉴于深基坑工程的动态性及复合土钉支护破坏的渐进性，运 用了稳定性的综合评判法，即根据变形速率结合变形量综合判断基坑变形的稳定性， 完善了稳定性的评价方法。 硕士学位论文第一章绪论 1 3 3 广义基坑学 考虑深基坑工程的系统化，首次提出了广义基坑学的概念，摆脱了设计时仅仅着 眼于力学模型、设计参数的局限，转而从系统、宏观的角度来研究基坑工程的问题， 提出了研究问题的新思路。 这样全方位精确地考虑影响复合土钉稳定性的各因素的作用与效果并对其做一 个综合评价，是深基坑工程复合土钉支护设计、方案比较及信息化施工等一系列工作 的理论依据与质量安全保证的前提。 研究的技术路线如下图。 图卜3论文的框架图 6 硕士学位论文 第二章预应力复合土钉支护的工作特性 第二章预应力复合土钉支护的工作特性 2 1 土钉墙的作用机理 2 1 1 土钉的作用效果分析 士体的抗剪强度很低，抗拉强度几乎可以忽略，但土体具有一定的结构整体 性，当基坑开挖时，土体能以一定的高度，即临界高度直立存在，当开挖深度超过临 界值或在地面超载作用及其它环境因素( 如土的含水量) 发生变化时，将引起土体失 稳。为防止土体的失稳破坏，常以支挡结构加固，传统的支挡结构以自身的强度和刚 度，承受其后的侧向土压力并限制其变形发展，以防止土体整体稳定性破坏，这属于 常规的被动制约机制的支挡结构。 土钉则是由在土体内放置一定的长度和密度的加筋，它与土体牢固结合而共同工 作，以弥补土体自身强度和刚度的不足，它属于主动制约机制的支挡体系。土钉与土 的相互作用，还能改变土体的变形与破坏形态，提高土体的整体稳定性。 土钉对提高土体强度的作用，可以用土钉墙在超载作用下的承载能力相对于索土边坡 的承载能力的比值来表征。太原煤炭设计院“对此进行了大比尺模拟试验，冶金部 建筑研究总院试验也表明，直立的土钉墙在坡顶的承载能力约比素土边坡提高一倍以 上。更为重要的是，土钉墙在受荷过程中不会发生索土边坡那样突然性的塌滑。它不 仅推迟了塑性变形发展阶段，而且明显呈现出渐交性变形与开裂并且逐步扩展的现 象，甚至即使丧失承受更大荷载的能力，仍不会发生整体性塌滑。 土钉在复合土体内的作用可概括为以下几点： 1 箍束骨架作用 该作用是由土钉本身的刚度和强度以及它在土体内的分布的空间所决定的。它有 制约土体的作用，并使复合土体构成一个整体。 2 分担作用 在复合土体内，土钉与土体共同承担荷载和土体自重应力。由于土钉有较高的抗 拉、抗剪以及无法比拟的抗弯刚度，所以当土体进入塑性状态后，应力逐渐向土钉转 移。当土体开裂时，土钉分担作用更为突出，这时土钉内出现弯剪、拉剪等复合应力， 从而导致土钉体中浆体碎裂，钢筋屈服。复合土体塑性变形延迟及渐进性开裂变形的 出现均与土钉分担作用密切相关。 3 应力传递与扩散作用 在同等荷载作用下，由土钉加固的土体内的应变水平比索土边坡土体内的应变水 平大大降低，从而推迟了开裂面的形成与发展。 4 对坡面变形的约束作用 7 硕士学位论文 第二章预应力复合土钉支护的工作特性 在坡面上设鼍的与土钉连成一体的钢筋混凝土面板是发挥土钉有效作用的重要 组成部分。坡面膨胀变形是开挖卸载、土体侧向变位以及塑性变形和开裂发展的必然 结果，限制坡面膨胀能起到削弱内部塑性变形，加强边界约束作用，这对土体开裂阶 段尤为重要。 2 1 2 士钉与土体的界面粘结性能 界面粘结性能是土钉得以发挥作用的基础。粘结性能与土的类型及施工方法有很 大关系，不同的注浆压力及成孔方法均可对粘结性能产生重大影响。对于渗透系数在 l o d l o o c r i l ，s 之间的砂砾石与软弱岩体，浆体可渗入土孔隙与岩体孔隙从而扩大粘结 范围。浆体不能渗入渗透系数小于1 0 。c 州s 的粉细砂内，但在压力灌浆下能使其密实， 也可改善粘结性能。界面粘结性能可以界面摩阻力t 来表示。由子界面摩阻力的分布 较为复杂，工程上经常通过现场抗拔试验来确定极限抗拔力只，再通过下式计算极限 摩阻力气： q = 只，尬l ( 2 - 1 ) 式中e 为极限抗拔力，d 、l 分别为土钉孔径和长度。对于打入钉，式中石d 用土 钉的截面周长代替，界面摩阻力f 沿钉长的分布是不均匀的，故通过抗拔试验给出的 t 。是平均极限摩阻力。土体与土钉之间的相对刚度差别愈悬殊，界面摩阻力沿钉长分 布愈均匀，试验表明，软土内界面摩阻力的均匀程度要比有硬粘土或密实砂土中好得 多。 s c h n e b e e l i ( 1 9 7 2 ) 曾假设，土钉在拉力作用下产生滑移时，滑移面是从土钉端部延 伸到尾部的螺旋线，且远离土钉侧面。太原煤炭设计研究院试验实测的滑移面产生在 土钉侧面紧贴锚固体的界面土膜处，对此作如下分析： 设抗拔力尸在士钉单位长度l 上表现的摩阻力为q ，q 向四周土体扩散传递， 在半径为，的圆周面上的分布为f p ) ，即 f ( ，) = q ，2 胛 ( 2 - 2 ) f p ) 与，是倒数关系，离土钉愈远，r 越大；f ( ，) 愈小，土体的抗剪强度r 在同一 深度处是与，无关的常量，于是在，最小，即土钉与士体的交界面上首先发生破坏， 因此，可认为破坏滑移面产生在土钉界面处，极限抗拔力p 是以界面摩阻力f 的形式 向四周土体扩散传递的。 界面摩阻力值以似摩擦系数，( ，= 摩阻力值，垂直压力) 表示。按照弹性介质中土 钉复合体的工作特性进行有限元分析，结果表明土钉中应力分布的特点取决于土钉杆 模量e 。与土体模量e 之比。对于注浆型土钉，e 。e 大于l o ，可认为摩阻力沿土钉 长度的分布是比较均匀的，太原煤炭设计院通过对实测数据的分析，认为对长度在 3 1 0 州的土钉，界面摩阻力近似地可按均匀分布考虑。实测土钉的似摩擦系数，及 8 塑兰兰堡塑 苎三童堡壁垄墨鱼圭笪塞茎塑三堡竺丝 摩阻力值f 见表2 - l 。 表2 1 实测土钉的似摩擦系数，及摩阻力值f 垂直士钉土钉 极限抗拔力摩阻力似摩擦系数 压力直径长度 ( 砌)( m m )( 埘)( 埘)( 肼切) ( ，) 5 1 2 03 o o5 8 05 2 10 9 5 6 3 1 2 03 o o6 1 05 3 9o 8 6 8 31 2 03 0 06 2o 5 4 8o 6 6 8 31 2 07 o o 1 4 2 o5 2 oo 6 4 8 52 0 07 1 02 3 7 65 3 20 6 3 8 52 0 0 4 2 81 4 6 o5 4 - 3o 6 2 8 82 0 01 0 0 03 4 0 o5 4 1o 6 2 9 52 0 09 0 01 5 0 05 3 1o 6 0 1 2 l2 0 09 0 03 0 2 o5 3 4o 4 3 1 4 82 0 09 0 03 0 6 05 4 1o 3 7 对于采用一次压力灌浆的土钉，在不同土质中的摩阻力值如表2 2 所示。 表2 2不同土质中的摩阻力实测值 土类名称 f ( 船) 口) 粘土1 3 0 1 3 8 弱胶结砂土 9 0 - 1 5 0 粉质粘土 6 5 1 0 0 黄土类粉质土 5 2 5 5 杂填土 3 5 4 0 e l i a s 与j u m 综合多处发表的试验数据提出回转钻孔注浆钉的极限摩阻力为( 单 位：砌) ： 填土 2 0 3 0 粉土 2 5 1 0 0 粘士2 0 4 0细砂 8 0 _ 2 4 0 砂性粘土2 0 0 3 0 0砂与砾石3 0 0 4 5 0 国外也有实测得出的土钉粘结强度值，见下表【1 3 1 。 9 硕士学位论文第二章 预应力复合钌支护的工作特性 表2 3一组国外根据实刺得出的土钉粘结强度值 施工方法土体类别 界面摩阻力f 翰) 回旋钻粉细砂 1 0 0 2 0 0 粉土 6 0 8 0 残积土 7 5 1 2 5 打入套管砂3 0 0 密实砂 4 0 0 密实冰渍土 4 0 0 6 0 0 砂性崩积土 1 0 0 一2 0 0 细砂 5 0 1 0 0 高压注浆砂 4 0 0 砾石 1 0 0 0 螺旋钻软土 2 0 3 0 硬粘土 4 0 6 0 粘性粉砂 5 0 1 0 0 粉砂回填层 2 0 3 0 2 1 3 土钉墙的工作性状 一土钉墙的破坏形式 土钉置入现场土体后，如果土体不发生变形，土钉不会受力。随着往下开挖或地 表上施加荷载，土体发生变形，于是通过士钉与土体间韵界面作用使土钉参与工作。 试验表明，土体只要微小的变形就可使土钉受力。为能充分发挥土钉的作用，土钉的 设置方向宜与土体可能发生的剪切滑移面呈一定角度。使土钉受拉并能充分提高土体 抗剪强度；如果土钉设置方向与土体剪切滑移面之间的角度不当，可能使土钉受压， 甚至会降低土体的剪切强度。 土钉墙的可能破坏形式有： 1 密集的土钉与周围土体形成一个加固的整体，若可能发生剪切滑移破坏，则呈 整体破坏形式( 图2 1 ) ，这时的土钉墙就如一个重力式挡土墙，在墙体内部，土钉沿 全长受拉。 硕士学位论文 第二章预应力复合土钉支护的工作特性 | | | | ，一 图2 1土钉支护的破坏方式体外破坏 2 可能滑移面穿过土钉加固土体的全部或下部( 图2 2 ) 。这时的土体被滑移面分 割成主动区和抗力区两部分。前者向外运动，与土钉之间的界面摩擦力方向向里，使 士钉的拉力从端部起逐渐增加并在滑移面上达到峰值。这一峰值拉力依靠土钉传到抗 力区内，所以抗力区内土体与土钉之间的界面摩阻力方向与主动区相反。于是可发生 两种类型的土钉破坏，或者是土钉在最大受力截面处拉断，或者是士钉被拔出。已有 的工程经验标明，土钉破坏一般都是拔出破坏。土钉的受拉破坏还在一定稷度上受到 其他因素的影响，如在滑移面上，土钉不可避免地还会受到剪力和弯矩的作用。 封，2 时，矗取0 5 日： 一 o ”p 了昂q 9 6 0 ” 图2 3土钉面层上土压力分布 l 一实测土压力2 一主动土压力3 一计算土压力 k 土压力系数厝= ( 邑+ k ) 2 ，蜀，e 分别为静止、主动土压力系数； 印作用于土钉面层上的压力，船口。 土钉墙的简化滑动面如下图所示： m 9 日 7 6 5 ， 2 工 硕士学位论文 第二章 预应力复合土钉支护的工作特性 i ! ：兰竺 i 图2 4 土钉墙的简化滑动面形式 三土钉墙的工作性能 1 土钉墙工作性能的有限元分析 有限元方法作为一种求解微分方程的数值方法，已在土工分析中得到广泛应用。 由于涉及到土的问题非常复杂，要得到精确的计算结果是相当困难的。但是，只要适 当选取计算模型及输入参数，对土工问题也能得到令人满意的结果，对问题的定性分 析更是如此。 1 ) 美国加州大学删 嚣分校的沈智刚教授等人曾用有限元法分析土钉墙体系中 的一些参数对其工作性能的影响。他们开发的有限元程序采用平面变形假定，并 可模拟基坑开挖和土钉墙体系的建造过程，对土钉加固区采用一种复合模式来综合考 虑土、土钉及其界面的共同作用。土的应力应变关系用邓肯一张模型来描述。计算 表明，土钉的倾角以1 5 。2 0 。为佳。影响体系变形的主要有施工过程、基坑深度、 土的性质以及钉的长度、直径和间距等。如支护设计合理，则基坑的变形可以得到 较好控制。 他们所给出的一个算例表明，在开挖深度较小时，基坑地面有少许回弹，坑壁变 形呈倾斜直线。随着开挖深度的增加，坑壁变形呈略微下凹的曲线，坑口水平交位与 坑深之比随深度增大而显著增加。这也表明土钉长度和坑深之比三倡减小时支护效果 降低。 基坑附近地面的沉降随着距坑壁距离的增加而很快衰减当距离等于基坑的深度 时则沉降接近于零。基坑周围地表水平应变的最大值开始位于坑壁罔譬近，但随着开挖 深度的增加，这个最大值的位置会外移一段距离，其位置一般对应于的开裂部位。 土钉主要受拉力工作。在土钉抗弯刚度对其工作性能的影响上曾有一些争论。有 限元分析表明，如果水平设置土钉则弯曲刚度的大小对于土体的变形以及土钉所受的 最大拉力和剪力均无明显作用；但当土钉向下有倾角时。剐性较大的土钉可明显减少 土体最大位移并使受到的最大轴力增加。为使设计计算简化，仅考虑土钉受拉是合适 的。不计土钉的抗弯不致引起很大误差，对安全系数的影响不会超过1 5 。 硕士学位论文 第二章预应力复合土钉支护的工作特性 2 ) 清华大学的分析 清华大学宋二祥与荷兰n 啪工业大学合作开发了一个土工有限元程序 爿二如嚣。该程序适宜于地下结构、土工结构及基坑支护体系的内力及变形分析。它采 用平面假定，有界面单元用以模拟两种不同材料( 如土钉和士) 之间的界面，可模拟开 挖和建造的过程，并可计算体系的破坏荷载。 他们的分析结果主要有：护坡面层混凝土厚度对支护体系性能的影响不大： 顶层土钉长度增大可减小基坑的变形；土钉与土的相对刚度越大，土钉能承受的轴力 也越大，且单位竖向面积土体平均加给土钉的最大轴力也相应增加；土钉的轴力随着 开挖深度的增加而增加；土钉墙体系破坏时的滑移面比索土边坡要大得多。 2 土钉墙工作性能的试验研究 为了揭示土钉墙的工作性态，并为土钉墙的设计提供有关依据，德国和法国等国 家对大型土钉墙工程进行了大规模的量测工作，有的还建造了大型足尺模型进行试验 研究，获得了许多有价值的资料”“。 2 1 4 土钉墙的作用机理 土体的抗剪强度较低，抗拉强度几乎可以忽略，因而土坡只能以较小的高度，即 l 缶晃高度，直立存在。当土坡直立高度超过临界高度或坡顶面有较大超载以及其它环 境因素发生变化时( 如：土的含水量改变等) ，将引起土陡坡的失稳。为此常采用支挡 结构承受侧压力并限制其变形发展，这属于常规的被动制约机制的支挡结构。土钉则 是在上体内增设一定长度与分布密度的锚固体，它与土体牢固结合而共同工作，以弥 补土体自身的不足，增强土坡坡体自身的稳定性。 土钉支护是种边坡原位土体加筋技术，属于主动支护技术方法。近年来在高层 建筑深基坑边坡支护中得到了广泛应用。然而，这种不同于以往加筋土挡墙和锚杆加 固的支护结构，其设计计算方法和工作机理都需要进一步探讨。为此，国内外作了大 量的现场和模型试验以及理论研究。法国和德国先后进行了许多模型试验和七个大型 足尺土钉墙试验。研究结果表明，土钉支护工作原理与重力式挡土墙类似“。这 为土钉墙设计理论的建立提供了可靠的实验依据。 对现有国内外实际土钉墙工程的测试资料及大型模拟工程的试验结果的分析，可 以将土钉墙的作用机理归纳为以下几点： 1 土钉墙的变形呈上大下小的形状。最大水平位移发生在结构顶部，越往下水平 位移越小。土钉墙体内的水平位移随离开支护面的距离增大而减小。 2 土钉内的拉力分布是不均匀的，一般呈现中间大、两端小的规律即最大拉力出 现在临近破裂面处。土体产生微小变位才能使土钉受力，在面板附近土钉受力不大， 这表明土钉已将其所受的大部分力传递到土体中去了。土钉的位置越往下，土钉最大 h 硕士学位论文 第二章预应力复台土钉支护的工作特性 受力点越往面板处移。 3 ，采用密集土钉加固的土钉墙结构的性能类似于重力式挡墙。破坏时明显地带有 平移和转动的性质，故设计时除验算土钉墙的内部稳定性( 即局部滑动破坏) ，以保证 它们有足够的钉长、钉径以及合理的间距外，还必须验算其整体稳定性，即验算土钉 墙结构的拭滑与抗倾覆安全性。 4 根据大型足尺寸试验结果来看，在土钉墙整体破坏以前，并未发现喷射混凝土 面板和钉头产生破坏的现象。在实际工程中，也未见钉头有任何破坏现象，故不作特 殊设计，仅满足结构上的构造要求即可。 5 支护面后土压力分布接近三危形，在坡脚处土压力减少，其合力约为库仑土压 力的7 0 ，这种土压力减少可能是土钉将土连成一个整体而造成的，经过多次观察测 量，发现其士压力值至少降低库仑土压力值的3 0 4 0 。 2 2 预应力锚杆的作用机理 2 2 ，1 预应力锚杆的力学作用 基坑在开挖以前，土体处于相对稳定的平衡状态；由于自然的或人为的因素，原 来的平衡状态遭到破坏，地质体过量变形而产生各种各样的地质灾害，为预防此类地 质灾害，工程上常将一种受拉杆件埋入岩土体，用于调动和提高岩土体自身强度和自 稳能力。这种受拉杆件工程上称为锚杆，它所起的作用即为锚周【1 9 1 。 锚固技术是通过埋设在地层中的锚杆，将结构物与地层紧紧联锁在起，依赖锚 杆与地层的抗剪强度传递结构物的拉力或使地层自身得到加固，它的端与工程建筑 物( 结构物) 联结，另一端锚固在山坡或地基的岩层或土层中，以承受由于土压力或水 压力所产生的推力，从而利用地层的锚固力来维持建筑物( 结构物) 的稳定。预应力锚 杆则是在钻孔灌浆后达到一定强度后，通过设备对锚杆进行张拉。张拉后的锚杆对结 构物施加一定的压力。其力学作用主要有以下几点： 1 抵拭倾倒 建筑结构物抵抗倾倒的稳定性取决于作用于其转动边上的正、负弯矩值。一般可 用下列关系式来衡量这种稳定性： m f 一) 埘= 才( 2 _ 4 ) m ( + ) 。 负弯矩等于结构物的重力和该重力中心至基底转动边距离的乘积。结构物的稳定 性一般都可由施加锚固力的方法取得有效的改进。预应力锚图结构可以提高结构物抵 抗倾倒的安全度。 在基坑深开挖设置挡土墙及类似结构物时，由于结构的弯矩大，入土深度大，位 硕士学位论文 第二章预应力复合土钉支护的工作特性 移也大，往往难以满足基坑及其周边结构物稳定的要求。如果基坑支挡结构是用锚杆 固定的，则在开挖过程中可以将拉周桩、墙的锚杆设置在最适当的位置上，其最大的 优越性是基坑内可不设支撑，使挖土机械在基坑内自由活动，从而加快了工程进度。 2 控制基坑变形和防止塌落 基坑开挖会扰动土体原始的平衡状态，导致土体变形、松散、破坏乃至塌落。采 用钢板桩或内环形支护，完全依赖自身的强度被动地承受土体的松散压力来维持坑壁 的稳定。传统支护花费大量的工程费用，但由于其施作迟缓、结构与土体相分离等弱 点，支护结构的破坏与土体的塌落常常发生。 预应力锚杆是采用加固土体，利用土体的自支承原理来稳定土体，它能锁紧土体 介质，对土体主动地、及时地提供径向抗力，使开挖后的土体尽快避免处于单轴或两 轴应力状态，进入三轴应力状态，以保证土体的固有强度，并提高滑移面的抗剪强度。 这种预应力锚同技术既能将基坑表层不稳固土体与未破坏并保持原始承载力的较深 部位的土体联结成为一个整体；又能使表层松动士体转化为加筋的压缩体( 压应力环) 。 该压缩体能够承受自身重量和阻止深部土体的任何松动，能显著改善基坑的稳定性。 3 阻止地层的剪切破坏 在基坑工程中，当潜在滑体沿剪切面的下滑力超过抗滑力时；就会出现沿剪切面 的滑移和破坏。在土层中，砂质土的滑移面多为平面状，粘性土的滑移面则呈圆弧状， 有时也会出现沿上覆土层和下卧岩层的临界滑动的情况。 采用预应力锚杆加固基坑，能提供需要的抗滑力，并能提高潜在滑移面上的抗剪 强度，有效地阻止基坑的位移。在土层中，基坑的稳定问题常用条分法求婀，安设预 应力锚杆后的基坑的稳定安全系数可用下式表达： 珊：! 薹竺墨2 薹丝 ( 2 5 ) a ，墨 式中厶作用在一条剪切面上的重量g 的垂直分力； ，= t a i l 庐剪切面的摩擦系数； c 一剪切面的粘结力； 一条剪切面的宽度； r 一作用在一条剪切面上重量g 的垂直分力； 只一锚固力的垂直分力； 只一锚固力的切向分力； 聊安全系数。 2 2 2预应力锚秆的荷载传递行为 在实际工程中，锚杆可能以下列一种或几种形式发生破坏： 1 6 硬士学位论文第二章 预应力复合土钉支护的工作特性 沿着杆体与灌浆体的结合处破坏；沿着灌浆体与地层结合处破坏；地层岩土体破 坏：杆体( 钢绞线、钢丝、钢筋) 的断裂；围绕杆体的灌浆体的压碎；锚杆群的破坏。 岩土体及杆体的强度特性较易掌握，因而研究秆体与灌浆体、灌浆体与地层间的 结合，即预应力锚杆的荷载传递行为就显得更为重要。灌浆体与杆体间的粘结包括以 下3 个因素： 1 ) 粘着力( 杆体钢材表面与灌浆体问的物理粘结) 。当这两种材料由于剪力作用产 生应力时，粘着力就构成了发生作用的基本抗力。当锚固段发生位移时，这种抗力就 会消失。 2 ) 机械联锁。由于钢筋有肋节、螺纹和凹凸等存在，故在灌浆体中形成机械联锁。 这种联锁同粘着力一起发生作用。 3 ) 摩擦力。这种摩擦力的形成与预应力及钢材表面的粗糙成函数关系。而且摩擦 系数的量值也取决于摩擦力是否发生在沿接触面位移之前( 摩擦系数值较大) 或位移过 程中( 此时表面上残留的摩擦系数较小) 。 大量的试验证实2 0 2 ，随着对锚杆施加荷载的增加，杆体与灌浆体结合应力 的最大值移向固定段的下端，并以渐进的方式发生滑动和改变着结合应力的分布。如 ( 图2 5 ) 曲线表明，随着锚杆内荷载的增加，沿锚固长度以类似摩擦桩的方式转移结合 应力。粘着力最初在锚固段的近端发生作用，而远端则保持原状。当近端的粘着力被 克服时就会产生滑动，大部分结合应力就被逐渐传入锚固段远端，而锚固段近端的摩 擦力只起很小的作用。很明显。粘结抗力并不作用在整个锚固段上。 在此可以引用混凝土与镪筋结合应力的研究成果。假定结合应力的分布呈指数关 系形式”“： 一4 王 f y2 口4( 2 6 ) 式中t 距锚固体顶端距离x 处的结合应力； “锚固体顶端处的结合应力； d 锚杆杆体直径； 爿锚杆中结合应力与主应力有关的常数。 1 7 硕士学位论文 第二章预应力复合土钉支护的工作特性 锚杆荷载p 123 r - 拉力乏弓互芝z 乏乏习 锚索 端 图2 5加荷过程中沿锚杆长度结合应力的变化 沿锚固长度三积分，应用边界条件，施加于锚杆的荷载p 为 p ：型蔓 ( 2 7 ) 爿 由上两式得 ( 2 8 ) 式( 2 1 2 ) 反映了方程中4 的范围对结合应力分布的影响，它清楚地表明。爿值越小 沿锚杆的结合应力分布就越均匀。 由此可知，锚杆杆体的固定长度愈短，愈能发挥杆体( 钢筋、钢绞线、钢丝) 与灌 浆体的结合力。 锚杆的锚固或固定长度必须使杆体与灌浆体的结合力的发挥有足够的储备，以保 证杆体与灌浆体界面上不发生破坏。 此外，要使杆体与灌浆体的结合力得以充分发挥，组成锚杆杆体的钢绞线、钢丝 和钢筋外表面应被足够的浆体所包裹。锚杆杆体制作时，使用隔离架是十分重要的。 2 2 3 预应力锚杆的支护机理 近年来随着计算机技术的高速发展和有限元方法在工程领域的广泛应用，国内外 的学者和专家进行了有限元方法在锚固工程中的应用研究【2 3 卜【2 5 1 ，用杆单元、梁单 1 8 丝。 加 等 硕士学位论文第二章预应力复合土钉支护的工作特性 元或锚杆单元模拟锚杆，经工程实践验证具有较好的仿真能力。在结构。基础的相互作 用问题研究中，结构和岩土体的各种力学问题的研究也日趋深入和完善，作为联结物 的锚杆、锚索等构件的研究和分析在理论、试验和数值模拟各方面也都在不断发展进 步【2 6 】【2 8 】。 在岩土工程中加锚的目的是增加工程的稳定性，大量工程实践表明，岩土加锚的 效果是十分显著的。综合工程应用的效果和加锚岩土体性态，加锚构件的效应一般认 为体现在以下三个方面 2 9 】一 3 2 ： 1 ) 加锚的物理效应。加锚后的岩土体的组织构造变得更密实，裂缝或孔隙率减 少，使得岩土体的材料参数量值变化，如弹性模量、抗压强度、内摩擦系数和凝聚力 有可能提高，渗透系数有可能交小。 2 ) 加锚的力学效应。从工程角度上看，加锚的作用是把稳定性较弱部位的岩土 体通过锚杆和稳定性较好的岩土体相连在一起工作，从而加强了岩土体结构的整体作 用的。从力学分析可知，锚杆的嵌入引起所在区域岩体应力的重分布，一是锚杆本 身承担的支护力，二是岩土体受到锚杆约束后增加了阻滑力，三是通过锚杆约束，阻 止了岩土体相对位移的流变现象，在缝面上相当子施加了止裂力，对裂尖岩桥在增韧 作用，提高了裂缝扩展阻力。 3 ) 加锚的结构效应。岩土体材料本身可看作是由多种介质组合而成的结构，其 中夹有裂隙、断层等给稳定带来不利的软弱结构面，而加锚通常穿过这些结构面，对 这些软弱结构面的滑移起到了抗剪阻滑作用。嵌入锚杆改变了岩土体结构的组成，强 化了连接面的强度。 2 2 4 土层锚杆的特性及试验分析 1 锚杆技术的发展 锚杆技术的使用，可追溯到5 0 年代以前“，当时锚杆只是作为施工过程中的 一种临时措施，例如临时的螺旋地锚以及采矿工业中的临时木锚杆或钢锚杼等等。5 0 年代中期以后，在国外的隧道工程中开始广泛采用小型永久性的灌浆锚杆和喷射混凝 土代替以往的隧道衬砌结构。6 0 年代以来，锚杆技术得到了迅速的发展，不仅对临时 建筑物并在修建永久性建筑物上得到较为广泛的应用，与此同时可供锚固的地层不仅 限于岩石，而且已经有了不少在风化层、松散土层以及砂卵石中进行锚固的经验。1 9 6 9 年第七届国际土力学和基础工程会议上，曾有一个分组专门讨论了关于土层锚杆的技 术”。目前，瑞典、法国、美国、英国、日本等国家中的建筑公司分别研究发展了 多种不同类型的锚杆施工机具，各种专利的灌浆工艺，井制定了锚杆标准，期间召开 过几次地区性的国际会议，出版了关于锚杆技术的报告专集。有关锚杆技术的工艺和 理论研究正在继续发展。 硕士学位论文第二章顶应力复合土钉支护的工作特性 2 土层锚杆的特性 土层锚杼简称土锚杆，是把来自结构或基坑支撑的拉力传递到稳定的土体中，从 而维持结构及土层稳定的构件。1 9 5 3 年首次用于基坑支护口叫，此后随着高层建筑和 地下构筑物的迅速兴起，锚杼作为起稳定作用的构造物得到愈来愈多的应用，丽且随 着锚杆技术经济效果和可靠性的提高，永久性的锚杆已成为今后的发展方向。近年来， 为适应市场及深基坑支护的需要，我国北京、沈阳、南京、天