（岩土工程专业论文）基坑土钉支护的动态设计与开挖过程模拟研究.pdf

论文题目：基坑土钉支护的动态设计与开挖过程模拟研究 专业：岩土工程 硕士生：徐长磊 ( 签名) 逡，遮纽 指导教师：戴俊 ( 签名) g 荟卫垃一 摘要 土钉支护作为一种新的挡土技术，因其经济可靠且施工简便快捷，已在我国得到迅 速推广和应用。但目前土钉支护结构的设计方法不够完善，出现了理论远远落后与实践 的情况。 本文在总结前人研究成果的基础上，考虑到土钉支护是一个边开挖边支护的过程， 这是一个结构与土的相互作用的动态的过程，提出了深基坑工程中土钉支护的动态设计 的概念；针对国家基坑规范方法中的土钉力的计算值与实测值有较大差别的问题，结合 优势面理论，提出了基于优势面理论的土钉力增量计算方法。根据目前的土钉支护研究 现状以及工程的实际需要，利用有限元软件a n s y s 对土钉支护进行了三维非线性有限 元分析。 本文通过理论分析及工程实例的验算，论证了基于优势面理论的土钉力增量计算方 法的合理性，并且数值模拟得到的土钉力也与该方法计算得到的土钉力分布规律一致。 通过对数值结果的分析模拟得到以下结论：土钉轴力沿土钉全长分布规律，土钉轴力随 开挖深度变化规律，承受最大轴力的土钉的位置，各排土钉最大轴力的位置随着开挖深 度的变化规律。这些结论对土钉支护的设计与施工具有一定指导意义。 关键词：土钉；动态设计；增量法；有限元；工作机理 研究类型：应用基础 s u b j e c t ：s t u d yo fd y n a m i cd e s i g nt e c h n i q u e & s i m u l a t i o no fs o i ln a i l i n g i nd e e pe x c a v a t i o n s p e c i a l t y ：g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g n a m e：x u c h a n g - l e i i n s t r u c t o r ：i a ij un ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t s o i ln a i l i n g ，an e w r e t a i n i n gs y s t e mi nd e e pe x c a v a t i o n ，i sm o r ea n dm o r ew i d e l yu s e d i no u rc o u n t r y i t sak i n do fe c o n o m i c ，r e l i a b l et e c h n o l o g ya n di sc o n v e n i e n ti nc o n s t r u c t i o n b u ta tp r e s e n t ，t h em e t h o do fs o i ln a i ld e s i g ni sn o tp e r f e c t ，a n dt h et h e o r yl a g sb e h i n dt h e a p p l i c a t i o ni nt h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c e b a s e do nt h ep a s tr e s e a r c h e s ，t h et h e o r yo fd y n a m i cd e s i g no fd e e pe x c a v a t i o nr e t a i n e d w i t hs o i ln a i li sp r o v i d e di nt h i sp a p e r , i nt h ec o n s i d e r a t i o no ft h a tt h es o i l n a i l r e t a i n i n g s y s t e mi sad y n a m i cp r o c e d u r eo ft h ei n t e r a c t i o no fs t r u c t u r ea n ds o i l t ot h ep r o b l e mt h a t t h e r ei sad i f f e r e n c eb e t w e e nt h es o l ln a i lf o r c e sc a l c u l a t e di nn a t i o n a lc o d ea n dm e a s u r e di n p r a c t i c e ，u s i n gt h ep r e f e r r e dp l a n et h e o r y , a ni n c r e m e n t a lc a l c u l a t i o nm e t h o df o rs o i ln a i l f o r c e sb a s e do np r e f e r r e dp l a n et h e o r yi sg i v e n t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h es o i ln a i lf o r c e s c a l c u l a t e di nt h i sm e t h o dc a nf i tt h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c eb e t t e r t a k i n ga d v a n t a g eo fs o f t w a r e a n s y s ，t h ep a p e ra n a l y s e st h es o i ln a i l i n gw i t h3 dn o n l i n e a rf e m u s i n gt h e o r i e si ns o i lm e c h a n i c sa n dr e s u l t sg o tf r o ma ne n g i n e e r i n gp r a c t i c e ，t h e i n c r e m e n t a lc a l c u l a t i o nm e t h o df o rs o i ln a i lf o r c e sg i v e ni nt h i sp a p e ri sp r o v e d b a s e do nt h e r e s u l t so f n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，s o m ec o n c l u s i o n sa r eg o t t e n ：( 1 ) t h el a wo f s o l ln a i lf o r c e si n w h o l e l e n 酉ho fn a i l s ，( 2 ) t h el a wo fs o i ln a i lf o r c e s v a r i v a t i o ni nd i f f e r e n td e p t h s ，( 3 ) t h e p o s i t i o no fs o i ln a i lw i t ht h el a r g e s tf o r c e ，( 4 ) t h ep o s i t i o no ft h el a r g e s ts o i ln a i lf o r c e si n d i f f e r e n td e p t h s ；a n ds o m eb r i e fe x p l a n a t i o n sa r eg i v e nt ot h e s ec o n c l u s i o n s k e y w o r d s ：s o i ln a i ld y n a m i cd e s i g n i n c r e m e n t a lc a l c u l a t i o nm e t h o d f i n i t ee l e m e mm e t h o d m e c h a n i s m t h e s i s ：a p p l i c a t i o n 妥科技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：伶、火兢日期：岬占r ，罗 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 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、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 、1 学位论文作者签名：徐火孰 指导教师签名：戮 芝t w 歹年厂月，p 日 1 绪论 1 1 选题的依据及意义 1 绪论 随着经济的高速发展，城市建设亦不断高速发展。高层、超高层建筑项目日益增多， 建筑规模越来越大。建筑结构和使用功能上要求的变化使得基坑开挖的深度越来越深， 开挖面积也越来越大，基坑深度由原来的5 m 左右发展到目前的2 0 多米。当基坑的开挖 深度大于6 - 一7 m 时，便可以看作是深基坑。深基坑往往具有深、差、密、紧、多等特点， 即基坑越挖越深；工程地质条件越来越复杂，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；工程事故多等：特别是软土地基深基坑工程还具 有地下水位高，基坑变形的时空效应明显等特点。 目前，我国深基坑支护的方法较多，其分类方法也较多。根据结构受力特点，可将 基坑支护方法划分为以下三类： ( 1 ) 被动受力支护结构其特点是支护结构依靠自身的结构刚度和强度被动的承受 土压力，限制土体变形，从而保持边坡安全稳定。常用的方法多为传统的支护技术，例 如：人工挖孔桩、机械钻孔桩，预制钢筋混凝土桩、钢板桩、钢管桩、支撑维护结构及 地下连续墙等。 ( 2 ) 主动受力支护结构 其特点为通过不同的途径和方法提高土体的强度，使支护材 料与土体形成共同作用体系，从而达到支护的目的。常用的方法有土钉支护技术，树根 桩技术和近几年在软土地区采用的搅拌桩技术等。这些技术又被称为补强类护坡技术。 ( 3 ) 组合形式根据土体的力学性质，将前两种支护方法同时应用于同一个基坑工 程。 被动受力支护结构是传统的支护方法，其应用时间较久，在设计和施工中积累了较 多的经验，但这种支护方法造价较高、工期长、施工难度大，其局限性日渐突出；主动 受力支护结构是当前国内外较为流行的方法，在基坑支护工程中占有主导地位，其最大 特点是在于安全度较高，施工简单方便，工期较短，造价低，噪声污染小，弥补了传统 支护方法的许多不足，其中土钉支护技术是现在得到广泛应用的支护方法之一。 综观我国深基坑围护现状，围护方法的发展有以下趋势： ( 1 ) 传统方法的应用范围和工程应用将急剧减少，特别是在深、差基坑中会十分少见。 ( 2 ) 深基坑土钉支护法将在更大范围内得到推广应用，出现逐步取代传统方法和改良 方法的趋势。尽管人们对该方法的作用原理尚不甚了解持有疑义或异议，还在等待和观 望，尽管该方法从设计计算到施工工艺及专用施工设备尚有若干需要改进和完善之处， 理论落后于应用，尚需编制相应的可资遵循的设计、施工规范和规定等。 西安科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 土钉支护法将进一步受到研究、设计人员重视。由于土钉支护的经济性和对不同 坡面的适应性，在基坑支护正越来越被广泛应用。目前在基坑工程中，在有一定粘性的 砂土、粉土地层中大量的应用该方法，甚至在一些软土、砂层地层中，也正被创造条件 地应用。但目前传统设计方法的主要问题在于一个“静”字，以开挖的最终状态为对象， 进行定值的设计。然而基坑开挖工程与其它工程的最大不同之处在于一个“动”字，在 开挖过程中，包括某些土质参数在内的各种参量都在变化。土钉支护是一个边开挖边支 护的过程，是一个结构与土的相互作用的动态的过程，因此按照传统的设计方法进行设 计不够准确。 1 2 土钉支护概述 1 2 1 土钉支护的概念【2 】 土钉支护( s o i ln a i l i n g ) 是用体开挖工程中稳定边坡的一种新的挡土技术。它由被加 固土、放置于原位土体中的细长金属杆件及附着于坡面的混凝土面板组成。其特点是充 分利用原状土的自承能力，沿全长与周围土体接触，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，通过与土体接触面上的粘结力或摩擦力，使土钉 被动受拉，并主要通过土钉受拉给土体以约束加固，使土体稳定。 土钉的设置方向一般与土体可能发生的主拉应力方向大体一致，通常接近水平并向 下呈不大的倾角。上钉支护用于基坑或边坡土体开挖时，其施工步骤必须遵循从上到下、 分步修建，即边开挖边支护的原则，具体施工步骤为： ( 1 ) 按照设计开挖一定深度； ( 2 ) 在这一深度的作业面上设置一排土钉，布设面层钢筋网并使土钉钢筋与钢筋网连 接牢固，喷射混凝土； ( 3 ) 继续向下开挖一定深度，重复步骤( 2 ) ，直至所需深度。对于注浆钉，一般是先 钻孔，然后置入金属钉体并注浆。 1 2 2 土钉支护的优点和局限性 与其它的挡土技术或支护技术相比，土钉支护有许多独特的优点： ( 1 ) 材料用量和工程量少，施工速度快。与桩支护和连续墙支护比较，土钉支护的土 方开挖量和混凝土工程量少，全部土钉连同面层钢筋网的钢材用量少。在施工速度上， 有的甚至可将工期缩短一半。 ( 2 ) 施工设备轻便，操作方法简单。土钉的制作与成孔不需要复杂的技术和大型机械 设施，施工方法有较大灵活性，施工时对环境的干扰也很小，特别适合于城市地区施工。 ( 3 ) 对场地土层的适应性强。土钉支护特别适合于有一定粘性的砂土、粉土、硬塑与 1 绪论 干硬粘土，即使有局部的软塑粘性土层，在采取一定措施后也有可能采用土钉支护。当 场地同时存在土层和不同风化程度的岩体时，应用土钉支护特别有利。 ( 4 ) 结构轻巧，柔性大，有很好的延性。土钉支护自重小，具有非常良好的抗地震及 抗车辆振动的能力。土钉支护即使破坏，一般在破坏前也有一个变形发展过程，不会突 然发生彻底倒塌。 ( 5 ) 施工所需的场地较小，能紧贴已有建筑物进行基坑开挖，这是桩、墙等其它支护 难以做到的，特别适合城市地区狭小场地的施工。 ( 6 ) 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不大。土钉技术还有 一个非常重要的优点是随时可以根据现场开挖发现的土质情况和现场监测的土体变形 数据，修改土钉的间距和长度，即使出现不利情况，也能及时采取措施加固，避免出现 大的事故。土钉支护施工在与现场量测监控结合的前提下，比其它支护有更高的安全度。 ( 7 ) - i - _ 程造价低。根据欧洲的经验，土钉支护可比一般的锚杆支护节约总造价1 0 - - 一 3 0 ，也有报道说法国应用土钉支护比别的支护方法可节省1 3 1 2 。我国由于人工费 用相对低廉，机械设备的台班费用昂贵，所以土钉支护比起灌注桩等支护约可节约造价 1 3 - - - 2 3 。这就是即使在土钉支护技术与其它支护技术相比，还很不成熟的情况下，也 能够屡屡中标的原因。这也使得国内目前出现了实践超前于理论的现象弘1 。 但土钉支护也还存在缺点和局限性，主要是： ( 1 ) 现场需有允许设置土钉的空间。如为永久性土钉，更需长期占用这些空间。当基 坑附近有地下管线或建筑物基础时，则在施工时有相互干扰的可能。 ( 2 ) 在松散砂土、软塑、流塑粘性土以及有丰富地下水源的情况下不能单独使用土钉 支护，必须与其它的土体加固支护方法相结合。尤其在饱和粘性土及软土中设置土钉支 护更需特别谨慎，土钉在这些土中的抗拔力低，需要有很长很密的土钉，软土的徐变还 可使支护位移显著增加。 ( 3 ) 土钉支护如果作为永久性结构，需要专门考虑锈蚀等耐久性问题。 1 3 土钉支护的发展 土钉支护的诞生和发展应该归功于新奥法( n e w a u s t r i a nt u n n e l i n gm e t h o d ) 的提出 【2 1 。在土中是否有可能找到一种类似岩石地层那样的充分利用土的自承能力且既方便施 工又节约材料的支护形式? 人们按照这个思路去实践，于是边开挖边施工土钉的加固侧 壁的深基坑土钉支护就应运而生了。 对土钉支护的研究，国内外己取得了许多重要的研究成果【3 j 。目前，对土钉支护的 研究包括理论分析和试验研究。实验研究主要有模型墙试验，离心机试验，现场的抗拔、 压力、应力、应变、稳定性试验与长期变形观测等；理论分析主要采用了有限元、边界 西安科技大学硕士学位论文 元数值模拟和解析分析，以及根据工程经验总结的工程经验方法。 试验研究方面工作主要有： 1 9 7 9 年联邦德国建造了第一个永久性土钉工程，并进行了长期的连续测量【4 j 。1 9 8 6 年法国在其国家土钉支护研究基金会g e r m e s 资助下进行了历时四年( 1 9 8 乱1 9 8 9 ) 的 c l o u t e r r e 工程【5 】。b o l t o n 等运用离心模型试验研究了土钉支护在超固结土开挖中的应用， 阐述了施工末期的短期稳定性、土体膨胀以及负孔隙水压力的消散变化情况【5 】。k i m 等 为了研究超载对土钉支护结构破坏的影响，进行了模型试验。研究的主要变量是土钉的 弯曲刚度、抗拉阻力以及所施加的超载水平【6 】。王献忠等通过对深基坑土钉支护的现场 实测，探讨了土钉锚固力的分布规律，侧向土压力的大小及其分布状态j 破坏滑动面的 位置和形状 6 1 。 理论分析方面所作工作主要有： 。 土钉挡墙分析和计算方法是土钉挡墙工程设计的重要内容，也是土钉挡墙应用的理 论基础。归纳起来，目前应用较多的方法主要有极限平衡法、有限元法，工程简化分析 法和经验设计法。 ( 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，也是目前土钉支护理论应 用最为广泛的方法之一。许多国家对其迸行了大量的理论和实验研究。由于有不同的安 全系数定义，不同的土钉挡墙的破裂面形状假定以及不同的钉一土相互作用类型和土钉 力分布的假定，国内外产生了多种与其相应的试验成果一致的方法。 国外工程中应用较多并具有代表性的有以下几种： s t o c k e r 等提出的德国方法。其假定滑移面为双曲线形，并通过土坡坡脚，进行力 的极限总体稳定分析，仅考虑土钉的抗拉作用，土的剪切强度由莫尔一库仑准则确定【7 j 。 沈智刚等提出的d a v i s 法以及后来经过j u r a n 等人改进的d a v i s 法。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 法的区别在 于土强度参数和土钉抗拔力所取的分项安全系数不同，其余内容均相刚7 | 。 s c h l o s s e r 提出的法国方法。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、抗剪和抗弯作用进行力矩极限平衡总体稳定性分析 【7 】 o r j b r i d l e 提出的b r i d l e 方法。其假定滑移面为对数螺旋线并过坡角，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力的经验公式【8 j 。 j u r a n 等提出的机动法和运动法。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) 与静力极限平衡进行稳定分析。这种方法不仅考虑了土体 的整体平衡，而且认为土钉挡墙的失稳分析。这种方法不仅考虑了土体的整体平衡，而 1 绪论 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m j 。 国内在该方面所做的工作主要有： 程良奎、杨志银提出的方法。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【9 1 。 清华大学张明聚、宋二祥、陈肇元提出的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。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1 9 j 。 王宝安、史维汾、王国俊在条分法分析土钉稳定的基础上，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【9 j 。 罗晓辉等采用s a r m a 提出的扰动力概念，建立了考虑土条间作用力影响的土钉挡 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【9 】。 值得说明的是以上各种方法是在不同时期、结合不同的试验观测和理论研究得出来 的，具有一定的价值，在实际工程中起着一定的作用。但也有不足之处： ( 1 ) 不能估计土体的变形，也不能考虑边坡或基坑分步开挖的影响。 ( 2 ) 除机动法能进行土钉的局部稳定性分析，给出特定的较符合实际的土钉内力外， 其它方法则不能给出各土条对于土钉施加的拉力大小，就机动法而言也仅考虑了水平方 向的平衡，没有考虑垂直方向的平衡。 ( 3 ) 上述各种方法都是在特定的试验场地和试验条件下，为简化计算而进行了一些假 定，因此有一定的适用范围和局限性。如s t o c k e r - g a s s l e r 方法的双直线滑移面形状是根 据地面有较大超载的情况所进行的试验面而作出的假定，由此方法确定的滑移面部分延 伸到土钉加固区之外，因此，这种方法对于非粘性土在有限范围内受较大地面超载的情 况较合适。此外s c h l o s s e r 方法中考虑了土钉的弯曲作用，事实上，土钉弯曲刚度的大 小对土体的最大水平位移以及土钉所受的最大拉力和剪力均无明显作用，目前土钉的抗 弯作用对稳定性影响仍然是一个争论的话题。d a v i s 法、s t o c k e r g a s s i e r 法对土体的性态， 如分层、孔隙水压力的考虑都有一定的局限性。j u r a n 的机动法关于土钉内力剪力计算 的假定不严格。b r i d l e 方法计算土钉剪力过程中引用了桩基础的经验公式有一定的欠缺。 因此，实际工程中需要设计者对各种方法的了解，根据实际情况而加以运用。如美 国联邦公路局曾建议对土钉挡墙稳定分析使用修正的d a v i s 法，而对土钉的破坏分析用 机动法。 ( 2 ) 有限元法： 西安科技大学硕士学位论文 有限元法在岩土工程中有广泛的应用前景，国外在这一方面起步较早。由于深基坑 开挖的复杂性和有限元方法的广泛通用性及其灵活性，许多学者都采用有限元方法分析 基坑开挖问题。这一方面的程序主要分为两大类：一是不考虑土单元杆系有限元，即把 支护结构作为梁，利用土压力，从而计算挠度和内力；二是弹性、弹塑性、粘弹塑性有 限元，可用二维或三维，取一定的计算区域，用增量法进行计算。 有限元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，而且可以考虑土体的非均匀性和各向异性的复杂状态。 由于土体的性态和结构的复杂性，这一方法直接用于工程并能得到满意的结果还有一段 距离，但仍不失为目前公认的用来分析不同参数变化时土工结构性能变化规律的较为有 效的一种方法。1 9 8 1 年美国沈智刚等曾用该方法进行了土钉支护体系的内力和变形以及 一些参数对其工作性能影响的研究，并开发了相应的二维有限元程序【7 】。1 9 8 5 年p l a m e l l e 等人也使用过有限元方法【8 】o 德国、法国等也开发了土钉的专用有限元程序，如法国的 t a l r e n 程序、s t a r s 程序、c l o u d i m 程序、德国的b a u e r 程序和英国的n a i l s o i l n a i l 程序等。 我国清华大学的宋二祥与荷兰同事合作开发了p l a x i s 土工有限元程序并进行了土钉 支护体系的计算【1 0 】。此外杨明、邵龙潭在采用极限平衡理论验证有限元边坡稳定分析的 基础上，将其方法用于土工加筋结构( 包括土钉) 进行了土钉面板的型式、刚度对土挡 墙稳定性的影响。 总的来说，目前用于土钉支护的有限元程序对土钉内力的计算结果较为满意，但变 形的输出则不够理想，这与其计算模型及参数的选取有关，也是应用有限元法的关键所 在。 ( 3 ) - v 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直接给定临界滑 移面的位置，直接给定不同部位的土钉的最大拉力。虽然这种方法的计算结果较粗糙， 但作为估计土钉的拉力和有经验者进行土钉的初步设计仍然是较为简便的方法。 在国外j u r a n 曾综合了一些工程实测的结果，提出了不同高度位置上的土钉最大拉 力分布图，土钉的拉力按其分布图确定，如图1 1 所示。 图中： 砂土： 匕= o 6 5 k a t h( c r h o 0 5 ) ( 1 1 ) l 绪论 粘性砂土： 干硬砂土： 公式表示为： 、 。、? 。、， 。、 图1 1 工程实测土钉力分布 只= 砌( 一言击卜 匕= ( 0 2 0 4 ) 7 h 勋( 4 5 0 一割 勿彩幺珍衫趴 彩黝 。 ( 1 2 ) ( 1 3 ) ( 1 4 ) t = 匕s ，s ( 1 5 ) 式( 1 1 ) ( 1 5 ) 中： | s r 矿、s h 一土钉的水平和垂直间距； 只一与土钉高度相应的土压力分布图确定的土侧压力； k a 一主动土压力系数； 7 一土的重度； 丁一土钉力； h 一设置土钉处的深度。 值得说明的是j u r a n 提出的土钉最大拉力的分布图是参考了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，将土钉挡墙的土钉比作支撑，并加以适当的修正，仅 适用于软土和地下水的土体。 在国内目前常用的简化分析方法有【l l 】： 西安科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 我国有色金属工业长沙勘察院提出的二分之一分割法。该方法首先要确定土钉面 板上的土压力图形和土钉的间距s 矿、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，按库仑土压力理论，滑移面的倾角为 4 5 。+ 2 ，与粘聚力c 无关( 为土内摩擦角) ；后者方法是仿照加筋土挡墙滑移面，上 为直线、下为斜线。这两种方法的土钉的拉力均由土体侧向土压力分布求出。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 填土，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 成较大影响的原因，为严格控制变形，往往加大上部土钉长度，但底部土钉长度偏短， 存在不安全隐患；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，滑移面位置s = o 3 h 的假定是比较符合实际，用于土钉设计可能导致上部土钉长度 不够。 ( 3 ) 王步云方法。王步云建议的方法在实际工程中应用较为普遍。该方法也假定滑移 面为双折线，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是由 经验公式确定，其中土钉长度设计公式为：l = m h + s 式中m 为经验系数，一般可取 m = 0 7 1 2 ；s 为止浆器长度，一般为0 8 1 5 m ；h 为基坑深度。土钉间距设计由下式确 定：足s ，k 。d h 。式中s ，、s ，为行列距；d 。为土钉直径；k 。为注浆系数，一次压力 注浆，取k = 1 5 2 5 ；同时按土钉过量伸长或屈服进行土钉直径验算，按界面摩阻力 进行锚固力计算。 ( 4 ) 经验设计法。尽管目前土钉墙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，这些经验为土钉墙设计提供了重要的参考价值。1 9 8 5 年日 本道路公团对修建的7 3 个土钉墙进行了调查，并认为对于小规模破坏( 破坏深度在2 m 左右边坡) 可按表1 1 进行经验设计【l 引。 表1 1 经验设计参数 土钉参数数值 土钉钻孔直径 土钉的长度 土钉的间距 土钉的直径 土钉的倾角 矽4 0 3 - 4 m l 1 7 5 m 彩2 0 - 矽3 0 ，螺纹钢筋 5 。1 0 。 n i l , l 绪论 1 4 本文的主要工作 土钉支护是一个边开挖边支护的过程，支护结构某个断面的最大内力可能发生在开 挖的某个深度与时刻，而整个基坑的最危险情况可能不是最后开挖到设计深度时的状 态。结构与土的相互作用是一个动态的过程。因此其设计思路应采用结构力学中可移动 荷载下的影响线概念，用最大内力的包络线更加合理，而不是简单地采用最后状态设计。 本文将对土钉支护的机理进行分析，充分考虑土钉支护的动态过程，提出一个能够 反映这一动态过程的设计方法；另外，针对国家基坑规范方法中的土钉力的计算值与实 测值有较大差别的问题，在本文中将结合优势面理论，给出一种与实测土钉力相符的土 钉力的计算方法；本文将利用有限元分析方法对基坑开挖及土钉支护的动态过程进行模 拟，在模拟过程中对整个分析区域中划分有限元网格，然后再利用合理的方法来模拟基 坑分步开挖的过程，选取适当的土体本构模型、土钉单元对土体、以及土体与结构的相 互作用的物性关系做出充分的描述，使计算参数的选取能够反映施工工况、应力路径等 因素的影响；然后将对数值模拟结果进行分析，对文中所提出的新的土钉力计算方法进 行验证，最后参考数值模拟结果对土钉支护的作用机理进行深入分析，总结出一些对工 程有指导意义的结论，促进土钉支护设计方法及施工技术的发展进步。 西安科技大学硕士学位论文 2 土钉支护结构设计理论 2 1 支护结构参数及设计的一般原则1 1 3 - 1 5 1 2 1 1 土钉支护结构分类 土钉支护通常由三部分组成，即土钉、面层、防水系统。土钉支护结构与土体特性、 支护面的倾角、支护的功能以及环境安全要求等因素有关。 土钉按施工方法可分为：钻孔注浆土钉、打入型土钉和射入型土钉。其中最常用的 土钉是用变形钢筋与砂浆组成的钻孔注浆型土钉，即先在土中成孔，置入变形钢筋，然 后沿土钉全长注浆填孔，这样整个土钉体由土钉钢筋和外面的水泥砂浆组成。打入型土 钉法国用的比较多，称为h u r p i n o i s es y s t e m 。一般是采用专门的施工机械，如气动土钉 机，将钢杆件直接打入土中。这种形式的土钉由于长期的防腐工作难以保证，在我国主 要用于临时性的支挡工程，而射入型土钉目前在我国的应用尚不广泛。 土钉支护结构设计参数如土钉长度、分布密度、倾角等主要依靠工程经验并经过分 析试算而定。 英国的j o w e l l 和b r u c e 曾归纳国外一些早期工程的数据，提出土钉支护结构的四个 参数指标： ( 1 ) 长深比：l h ，l 为土钉长度，h 为支护高度； ( 2 ) 粘结比：d 三a ，d 为孔径，彳为每一根土钉名义上承担的土体竖向面积，即 水平间距与竖向间距的乘积； ( 3 ) 强度比：d 2 彳，d 为土钉钢筋的直径； ( 4 ) 性能比：万日，万为支护土体向外移动的最大水平位移，发生在支护面层的顶部。 2 1 2 土钉支护结构设计的一般原则 土钉支护的变形不仅与结构设计参数有关，而且在很大程度上取决于施工方法、施 工工序和施工进度。因此其设计与施工应遵循以下原则： ( 1 ) 充分考虑地面径流、地下水管变形后漏水和地下水的影响。设计时必须考虑到支 护在施工和使用阶段中可能遇到的地下水位变化和土体含水量的变化，并设置内部的排 水系统； ( 2 ) 土钉长度三与支护高度之比对饱和土可在0 6 1 2 之间。密实砂土和坚硬粘土可 取低值，对饱和粘土和软土，比值可超过2 。为减少支护变形，顶部土钉的长度宜适当 增加，底部土钉的长度可适当减少，但不宜少于0 5 h ； 2 土钉支护结构设计理论 ( 3 ) 水平间距和竖向间距取1 2 2 0 m ，但在饱和粘土和软土中可小到1 0 m ，而在干 硬性土中可超过2 o m ； ( 4 ) 土钉的倾角宜在o 。2 0 。之间取值，采用重力注浆时不宜小于1 5 。当上层土较软 弱时，允许适当增加向下的倾角，使土钉插入到更有利的下层土中。土钉的倾角不宜过 大，过大则不能充分发挥土钉的抗拉作用； ( 5 ) 钢筋网喷混凝土面层不是主要的受力构件，并不需要很厚，一般满足构造要求即 可。通常厚度取5 0 - - l o o m m ，混凝土强度等级不宜低于c 2 0 ，钢筋为直径矽6 矽8 ， 1 5 0 3 0 0 m m ；土钉端部和面层的连接处可采用螺母、垫板方法，也可将土钉钢筋通过 井字形短钢筋相互焊接到钢筋网上，连接处的喷射混凝土面层内应加设局部钢筋网以增 加混凝土上的局部承压强度，也可以用预制混凝土板作为面层； ( 6 ) 注浆材料常用水灰比不大于o 5 的水泥砂浆，用常用注浆或用o 5 m p a 的压力注 浆，当土层较差抗拔力达不到要求时，可采用二次注浆； ( 7 ) 施工过程中应进行动态信息化施工和测试监控紧密结合，通过变形等量测数据和 施工过程中不断发掘的现场地质情况，及时反馈以修改设计并指导下一步的施工。基于 设计与施工的紧密联系，土钉支护的设计与施工宣统一由支护施工承包单位负责。 土钉支护的稳定性分析是土钉支护结构设计的一项极其重要的内容，它可以验证初 步设计所选的各个参数的合理性、可行性，也可以确定土钉支护结构的安全性与稳定性。 因此，它是土钉支护结构设计的最重要内容。下面分别介绍几种国内外常用应用较多的 并有较为深入的理论与实验研究作为依据的土钉支护结构设计方法。 2 2 常用的土钉支护的设计计算方法【3 ，1 6 2 2 1 工程实践中土钉支护时多凭借经验来确定土钉参数，所用的计算方法也比较粗糙， 一般是凭经验给定一个假定的最危险滑动面，在理论上缺乏足够的证据。在此主要介绍 几种基于整体稳定分析的土钉支护设计方法和和基于局部稳定性分析的极限平衡方法。 2 2 1 土钉支护的整体稳定分析和局部稳定分析 土钉支护的整体稳定包括外部稳定和内部稳定，外部稳定失稳是土钉加固区整体发 生倾覆或滑移，内部整体失稳是破坏滑移面完全或部分穿过土钉加固区。外部稳定验算 与重力式挡土墙类似，内部稳定验算方法则是利用极限平衡法的思想，从土坡稳定分析 方法中发展而来。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 钉支护设计应用最为广泛的方法之一。极限平衡方法的滑移面形状常假定为双折线、圆 弧线、抛物线或对数螺旋线，而且一般假定滑移面的底端通过坡角，另一端与地表相交， 每一个可能的滑动面位置对应一个稳定性安全系数，作为设计依据的最危险滑动面具有 最小的安全系数，极限平衡分析的目的就是要找出这个最危险滑动面的位置并给出相应 西安科技大学硕士学位论文 的安全系数。 整体稳定验算仅给出支护体系的整体安全系数，而不能给出各土钉的最大内力，故 不能验算各土钉的破坏，即体系的局部稳定。而土钉支护的失稳往往是上层土钉或较弱 土层中土钉首先被拔出，再逐步发展为整体失稳。所以有必要估计土钉在工作状态下的 最大内力并进行局部稳定验算。这类方法主要有机动极限方法和b r i d l e 方法。下面分别 介绍几种应用较多并有较为深入的理论与实验研究为依据的土钉支护计算分析方法。 2 2 2 土钉支护设计方法简介 ( 1 ) 德国的s t o c k e r - g a s s l e r 方法1 1 6 j 这种方法由德国k a r l s t r u h e 大学的s t o c k e r 教授与g a s s l e r 等人于1 9 7 9 年提出。他们 假定破坏滑移面为双直线并通过边坡的坡脚( 见图2 1 ) 。土钉仅考虑受拉作用。土的剪切 强度用莫尔一库仑准则确定，并假定在破坏滑移面上达到极限状态。整体安全系数定义 为土钉所提供的拉力毗与保持极限平衡所需要的土钉拉力r 用之比，即： f s = r r 。 ( 2 1 ) 要求r 在1 5 2 0 之间。 土钉所提供的拉力是滑移面以外部分的抗拉拔力，由土与土钉问界面的摩擦力或土 钉本身的抗拉强度决定。而保持平衡所需要的土钉拉力则由滑移土体的平衡条件求出。 如图2 1 所示，滑移土体所受的外力有土体自重。、，土的内摩擦角所提供的抗滑 力、s 妒，土的内聚力所提供的抗滑力5 - 翻、以及穿过滑移面的土钉的拉力。从 而由图2 1 所示的力多边形可以求出保持平衡所需要的土钉拉力，进而求出安全系数。 这里滑移面的倾角按给出的安全系数最小的原则试算决定。g a s s l e r 和g u d e h u s 经研 究指出，当土楔a 的倾角o a = z c 4 + 矽2 且其竖边沿土钉加固区与非加固区的分界线时， 得到的安全系数最小，而臼。则由最小安全系数原则试算决定。 上述双直线滑移面是根据在地面有较大超载的情况下进行的几个试验而假定的。对 于荷载主要是土体自重的情况下，该假定与试验结果不符，按此方法确定的滑移面要比 实际的滑移面大许多。e l i a s 与j u r a n 认为这种方法适用于非粘性土在有限范围内有较大 地面超载的情况，对其他情况则用圆弧形滑移面较好。 ( 2 ) 法国s c h l o s s e r 提出的极限分析方法【1 7 j 这一方法是由法国路桥学院的s c h l o s s e r 教授于1 9 8 3 年提出的。该方法假定体系的 各部位安全系数相等，采用条分法求解，滑移面的形状可以任意，但一般还是采用圆弧 形( 见图2 2 ) 。这里同样假定土钉达到极限状态，但它不只考虑土钉的受拉，同时还考虑 了土钉的受剪、受弯以及土钉与周围土的挤压。因此，法国方法对土钉受力考虑了以下 四个破坏准则： 1 2 2 土钉支护结构设计理论 s 鹋 s 由 图2 1 德国s t o c k e r - g a s s l e r 方法计算图 图2 2 法国s c h l o s s e r 方法计算图不 土的剪切破坏。这里采用莫尔一库仑破坏准则，安全系数不小于1 5 。 土钉的拔出破坏。安全系数为1 5 。 土钉有横向变形与土的相互作用，为估计这种相互作用引起的土钉内力及土压 力，采用w i n k l e r 以弹性地基梁的理论( 或长桩受水平荷载的分析方法) 。这里假定土钉 与破坏滑移面的交点对应于土钉横向变形的反弯点，从而该部位的弯矩为零，而土钉的 剪力则假定在该部位达到最大。由w i n k l e r 弹性地基梁理论有： m 。= 0 3 2 砭厶 ( 2 2 ) 西安科技大学硕士学位论文 其中r c 在滑移面处的剪力，厶为表征土钉与土相对刚度的特征长度( 亦称传递长 度) 。对于耳则要求满足土钉的强度条件。此外，为使土钉周围的土不至于有过大的挤 压变形，要求土所受压力尸小于极限压力墨h 的一半，即安全系数为2 。根据弹性解给 出乃与p 之间的关系式，这相当于要求： 1 r c 悦o ( 2 3 ) 其中：为描述土体变形特征的尸一y 曲线上尸的极限值，d 为孔径。 土钉在拉力丁和剪力q 联合作用下的破坏。对于土钉的材料强度，这里采用 t r e s c a 准则。当拉力r 和剪力q 联合作用时，可用摩尔圆求最大剪应力，并使其小于材 料的允许剪应力。因此有： t 2下2 妥+ 善1( 2 4 ) 彤蟛 其中：尺。、r s 分别为土钉在单一内力作用下的允许拉力和剪力，且r 。= 2 r s 。 法国方法的基本思路是：首先根据土钉本身的强度及抗拔出强度，确定土钉滑移土体 所能施加的最大的作用力；然后，将该作用力用于条分法，考虑滑移土体的极限平衡求 出土体抗剪切破坏的安全系数，并要求所求出的安全系数不小于1 5 。 ( 3 ) 美国加州大学d a v i s 分校沈智刚等提出的极限分析方法【1 8 】 这种方法由加州大学的沈智刚等于1 9 8 1 年提出，同样属于极限平衡方法。滑移面 假定为过坡脚的抛物线( 顶点在坡脚) ( 见图2 3 ) ，对土钉仅考虑受拉作用，并且对土钉和 土均假定达到极限条件。同时假定土内聚力c 的安全系数f c 、内摩擦角的安全系数c 以 及土钉抗拔强度安全系数e 均相等且等于体系的整体安全系数乓，即： f c = 瓦= r = b ( 2 5 ) 确定整体安全系数时，仅将土体分为两个土条。图2 3 给出所假定的滑移面及两个 土条单元的隔离体，对单元1 由相关力的两个平衡条件： n 2 = ( 彬一s 1 ) c o s o r l n ls i n c t l ( 2 6 ) s 2 = ( 一s 1 ) s i n a l + n 1 c o s l ( 2 7 ) 式( 2 6 ) 、( 2 7 ) 中： 彬一单元1 的重量； s 一单元1 、2 间的竖向剪切力； 口一单元l 底边滑移面中点的倾角； 一单元1 、2 间的水平相互作用力。 同理，单元2 所受力的平衡有： n 3 = ( + s 1 ) c o s t z 2 + n ls i n c t 2 s 3 = ( + s 2 ) s