（岩土工程专业论文）复合型土钉支护结构有限元数值分析.pdf

浙江人学硕十学位论文 吴琦琪2 0 0 4 年3 月 复合型土钉支护结构有限元数值分析 摘要 复合型土钉支护技术是在不断改进和完善土钉支护技术并联合其它传统支 护方法的基础上应运而生的。工程实践表明，复合土钉支护技术不仅具有土钉支 护技术施工快捷、经济性好和便于信息化管理等诸多优点，而且突破了普通土钉 支护技术的限制使用范围，具有更广阔的应用领域和前景。 本文从复合土钉支护结构的概念入手，对其结构组成、构造形式以及主要构 件的工程特性、施工方法进行分析研究。在总结前人的研究成果下，针对复合土 钉墙构造的特点，建立了模拟复合土钉墙受力变形的计算模型，并结合工程实测 资料，运用大型通用有限元程序a b a b q u s 对复合土钉墙进行了有限元分析，详细 讨论了复合土钉支护结构开挖过程中的变形特性、地面沉降性状、土钉受力性状； 土钉长度变化、土钉间距变化、搅拌桩桩径变化对复合土钉支护结构的影响；复 合土钉支护结构在不同地基条件下的变形特性。在详细剖析了复合土钉支护结构 变形规律的基础上，对复合土钉支护结构的设计、施工等提出了一些有益建议。 关键词：土钉支护；复合土钉支护；数值模拟；变形分析 浙江人学硕士学位论文 摘要 n u m e r i c a l a n a l y s i s o ft h es t r u tf r a m em a d eo f c o m p o s e d s o i l - n a i l i n g a b s t r a c t t h et e c h n i q u eo fs t r u tf r a m em a d eo fc o m p o s e ds o i ln a i l sc o m e sf r o mt h e c o m b i n a t i o no ft h ed e v e l o p i n gt e c h n i q u eo fs t r u tf r a m em a d eo fs o i ln a i l sa n do t h e r t r a d i t i o n a lm e t h o do fs t r u tf r a m e i ti sc e r t i f i c a t e di nt h e e n g i n e e r i n gp r a c t i c et h a tt h i s t e c h n i q u en o to n l yi se c o n o m i c a le a s yt oc o n t r o la n dc o m p l e t e d ，s u c ha st h eo t h e r m e t h o d so fs t r u tf r a m e ，b u ta l s ob r e a kt h ea p p l i c a b i l i t yo fc o m m o nm e t h o do fs t r u t f r a m e ，w h i c ha s s u r et h ew i d e ra p p l i c a b i l i t ya n df o r e g r o u n do f t h et e c h n i q u eo fs t r u t f r a m em a d e o f c o m p o s e d s o i ln a i l s t h i s p a p e rb e g i n sw i t h t h ec o n c e p to f t h es t r u tf r a m em a d eo fc o m p o s e ds o i ln a i l s ， a n a l y z i n gt h ec o m p o s i t i o n ，e n g i n e e r i n gc h a r a c t e r sa n d j o bp r a c t i c eo f t h et e c h n i q u e o f s t r u tf r a m em a d eo f c o m p o s e d s o i ln a i l s o nt h eb a s i so ft h eo t h e r s ，a c c o r d i n gt ot h e c o n s t r u c t i o n a lf e a t u r eo ft h ec o n s t i t u t i o no ft h ec o m p o s e ds o i ln a i l s ，t h ec o m p u t a t i o n m o d eo ft h eh es t r u tf r a m em a d eo fc o m p o s e ds o i ln a i l sw a ss e tu pt oa n a l y z et h e d i s t o r t i o no ft h eh es t r u tf r a m em a d eo f c o m p o s e ds o i ln a i l sw h e n i ti ss t r e s s e d w i m t h ee n g i n e e r i n gd a t a ，t h es t r u tf r a m em a d eo f c o m p o s e d s o i ln a i l si sa n a l y z e dw i t ht h e p r o g r a ma b a b q u s ，a n d t h ee f f e c t so ft h ed i s t o r t i o nc h a r a c t e r s ，t h ep r o p e r t yo f t h e d e p o s i t i o n o f t h eg r o u n d ，t h em e c h a n i c a lp r o p e r t yo f t h es o i ln a i l s ，t h ev a r i a t i o no f t h e l e n g t h a n dt h es e p a r a t i o no f t h es o i ln a i l s ，a n dt h ed i a m e t r i co f t h em i x i n g p i l e so n t h e s t r u tf r a m em a d eo f c o m p o s e d s o i ln a i l s ，a n dt h ed i s t o r t i o np r o p e r t yo f t h es t r u tf r a m e m a d eo f c o m p o s e d s o f tn a i l su n d e rd i f f e r e n tg r o u n dc o n d i t i o n s o nt h ea n a l y z eo f t h e s t r u tf r a m em a d eo f c o m p o s e ds o i ln a i l s ，s u g g e s t i o n o nt h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no f t h es t r u tf r a m em a d e o f c o m p o s e d s o i ln a i l si se x t r a c t e d k e y w o r d s ：s o i ln a i l i n g ；c o m p o s e ds o i l - n a i l i n g ；n u m e r i c a la n a l y s i s ；d i s t o r t i o n a n a l y s i s h 浙江人学硕i 学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 前言 伴随着经济的高速发展，城市建设亦不断高速发展。城市罩日益膨胀的人口， 逐渐普及的汽车，高架桥、隧道等越来越多，高层、超高层建筑项目日益增多， 建筑规模越来越大，尤其是近十年，高层、超高层建筑层出不穷。由于建筑结构 和使用功能上的要求，基坑开挖的深度越来越深，开挖的面积也越来越大，基坑 深度由原来的5 m 左右发展到目前的2 0 多米之深，规划中的上海地铁某换乘站， 基坑深度甚至达4 3 m 。当基坑的开挖深度大于6 7 m 时，便可以看作是深基坑“1 。 进入2 0 世纪9 0 年代以来，岩土深基坑围护问题已经成为我国建筑工程界的热点 问题之一，总的来说具有深、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即及 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0 1 。 现代大都市寸土寸金，建筑群越来越密集，城市地下空间的开发和利用有着 非常重要的作用，它既是调节城市土地利用机构、扩充城市空间容量的重要手段， 也是建立现代化城市综合交通体系、防灾救灾综合空间体系的重要途径，同时也 是城市基础设施现代化建设的主要方法。而在密集的建筑群中建造的高层建筑深 基坑工程由于场地狭窄等条件所限，施工技术难度越来越大。 目前，我国深基坑支护的方法较多，其分类方法也较多。以结构受力特点来 划分，可将基坑支护方法划分为以下三类。1 ： ( 1 ) 、被动受力支护结构其特点为支护结构依靠自身的结构刚度和强度被 动的承受土压力，限制土体的变形，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、支撑围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， 是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。这些技术又常 被称为补强类护坡技术。 浙江人学坝l 学位论文 第一章绪论 ( 3 ) 、组合形式根据土体力学性质，将前两种支护方法同时应用于同一个 基坑工程忠。这种支护形式已经在许多工程忠得到了成功的应用，表象出很大的 优势和潜力。 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 累了一定的经验，但这种支护方法造价高、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缺点，其中土钉支护技术是现在得到广泛 应用的支护方法之一。 1 2 国内外土钉研究现状 1 2 1 土钉支护技术简介 土钉( s o i ln a i l i n g ) 是2 0 世纪7 9 年代发展起来的一种全新的护坡施工技 术。该法是先以一定倾角在原位土中成孔，然后将土钉( 即细长杆件如钢筋、钢 管等) 置入孔内，在孔内注浆形成土钉体，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、设置在土体中的土钉与坡面伤得钢 筋混凝土三部分组成的土钉加固体称为土钉墙( s o i ln a i l i n gw a l l s ) ，是一种 复合土体结构，能有效的发挥土体自身的强度，和挡土墙相比，土钉是一种主动 加固技术。土钉墙的结构如图1 1 所示。 土钉墙的施工是一种由上而下分步修建的过程，可按下列顺序进行“3 1 按设计要求开挖工作面，修整边坡，埋设喷射砼厚度控制标志； 2 喷射第一层混凝土； 3 钻孔安设土钉，注浆，安设连接件： 4 绑扎钢筋网，喷射第二层砼： 5 设置坡顶、坡面和坡脚的排水系统； 2 浙江人学钡l 学位论文 第一章绻论 图1 1 土钉墙 土钉支护法，以尽可能保持、显著提高、最大限制地利用基坑边壁土体固有 力学强度，变土体荷载为支护结构体系一部分。喷射混凝土在高压气流的作用下 高速喷向土层表面，在喷层与土层间产生“嵌固效应”，并随开挖逐步形成全封 闭支护系统：喷层与嵌固层同时具有保护和加固表层土，使之避免风化和雨水冲 刷、浅层坍塌、局部剥落，以及隔水防渗作用。土钉的特殊孔压注浆可使被加固 介质物理力学性能大为改善并使之成为一种新地质体，其内固段深固于滑移面之 外的土体内部，其外固段同喷网面层联为一体，可把边壁不稳定的倾向转移到内 固段及其附近并消除。钢筋网可使喷层具有更好的整体性和柔性，能有效地调整 喷层与土钉内应力分布。土钉主动支护土体并与土体共同作用，具有以下特点： 用料少、工程量少、施工快；施工设备轻便、操作方法简单、旌工时对环境 干扰小；对场地土层适应性强；结构轻巧、柔性大、油非常好的抗震性能； 随基坑开挖逐层分段作业，不占或少占单独作业时间，施工效率高，开挖完成 时土钉墙就能建好( 这一点对膨胀土边坡尤为重要) ；施工不需单独占用场地， 对于施工场地狭小地工程，该项技术特别有用：安全可靠，土钉数量众多，并 作为群体而起作用，个别土钉出现问题或失效，对整体影响不大，随时可根据现 场开挖出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，万一 出现不利情况也能及时采取加固措旌，避免出现大事故；经济，根据经验，土 浙江人学坝_ i j 学位论文第一章绪论 钉支护比一般的拉锚支护可节约总造价的1 0 3 0 ( 美国工程表明，采用此 项技术可节约3 0 的造价，在我国可节约2 0 左右的造价) 。 有利亦有弊，土钉支护的缺点有：施工时如处理不当，可能会对地下管道 等措施产生干扰；对于软土、无粘结松散砂土以及在地下水丰富的情况下采用， 土钉支护有一定难度；在软土中设置土钉造价高；土钉支护做为永久性结构， 需专门考虑锈蚀等耐久性问题。 土钉支护似乎与加筋土和锚杆等挡土结构一样，然而土钉支护在构造、旅工 受力等方面与加筋土和锚杆有许多不同点o ： 首先，土钉支护与加筋土边坡或挡墙不同，主要表现在： 1 施工方法不同。土钉支护从上到下分步进行修建，边开挖边支护，充分 利用原状土的强度。加筋土结构由下到上分层填土构筑，填料可以选择，密实度 和强度都可以控制。 2 加筋体最大拉力的变化规律不同。在加筋土结构中，一般处于下部的筋 体受力最大。在土钉支护结构中，一般介于中部的土钉受力最大，上部和底部的 土钉受力较小。 3 变形性能不同。土钉支护最大位移发生在支护边坡顶部或接近顶部，加 筋土结构的最大位移在底部。 其次，土钉支护与锚杆支护或挡墙也不相同，主要在于 1 各部分的受力和作用不同。锚杆支护或挡墙中的锚杆一般都有锚固段和 自由段，利用滑动面以外的锚固段提供抗力，设置锚杆一般要施加预应力，自由 段收到均匀的拉力作用，通过锚座传递到坡面的挡土构件上，挡土构件的刚度较 大，主要通过受弯矩提供抗力，是主要的受力部件之一。土钉设景后一般不施加 预拉力，只是在土体发生微小变形后才被动受力，受力的大小沿土钉延长的分布 不均匀，中间大两头小，所作用在面层上的力较小，喷射混凝土面层不是主要受 力部件，其作用是稳定开挖面上的局部土体，防止崩落和受到侵蚀。 2 设置密度不同。在锚杆支护中，单位支护面积上设置的锚杆数量通常较 少，对每根锚杆的施工精度和要求都十分严格。在土钉支护中，支护面上土钉排 列得较密，对单个土钉得施工精度和质量要求相对较低。 3 设计长度不同。在锚杆支护中，设计要求每根锚杆都要达到要求的抗力， 4 浙江人学硕j 二学位论文 第一章绪论 所以锚杆的锚固段需要深入到稳定的土层中，设计长度较长。在土钉支护中，土 钉排列较密。数量众多，与周围土层共同作用，设计长度较短。当然，锚杆有许 多种类，也有不加预应力、长度比一般的土钉还要短，但这种锚杆主要用于隧道 或地下工程的喷锚支护上，长度比一般的土钉还要短，常用只有2 4 米。 1 2 2 土钉支护的发展历史与现状 土钉支护的诞生和发展应该归功于新奥法( n e wa u s t r i a nt u n n e l l i n g m e t h o d ) 的出现。新奥法的基本思想就是充分利用围岩的自承能力。为了达到达 个目的，采用边掘进边用锚杆和喷射进去加固围岩，对于软弱或破碎的岩层甚至 还可用管棚注浆等超前支护。在土中是否有可能找到一种类似岩石地层那样的充 分利用原状土的自承能力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，于是边开挖边施作土钉以加固侧壁土的深基坑土钉支护就应运而生 了。从图1 2 给出，可以看出这两者的渊源关系和思路上的雷同。a ) 是岩层中 开挖洞室采用锚杆和喷射砼加固被节理裂隙切割以及爆破引起的围岩松动圈，构 成一个围岩加固区；b ) 是土体开挖采用土钉和喷射砼加固，形成了一个土体加固 区；c ) 是当洞室断面过大时采用先小断面开挖并及时加固然后逐步扩大至设计断 面：d ) 是土体内边开挖边施作土钉，逐步达到开挖深度。 6 0 年代的加筋土挡墙从结构受力上可以看成是土钉支护的早期雏形。但在 建造此种墙体之前，必须进行完全的开挖，用于深基坑工程是不行的，不过它在 土体中用筋体( 钢筋或纤维均可) 加强的思路则对土钉的发展起了某种推动作用。 法国承包商b o u y g u e s ( 博格斯) 提出了新奥法原理能够用于土质边坡和软岩 边坡，并于1 9 7 2 年与承包商兼专家s o l e t s a n c h 一起在法国的凡尔赛附近的铁路 拓宽中得到成功应用。如图1 3 所示，该工程边坡高1 4 m ，放坡7 0 。，长9 6 5 m ， 最大坡高2 1 6 m ，支护面积1 2 0 0 0 甜，将2 5 2 0 0 根4 m 和6 m 长的钢筋放入预成的 钻孑l 中，并对钻孔注浆加固，这是土钉挡墙有详细记载的首次应用”。博格斯获 得此技术的专利后，1 9 7 4 年在开挖l e s i n v a l i d e s ( 巴黎荣军院) 地铁时，直接 将插筋击入土体，取代了先钻孔再插筋注浆的施工方法，这一施工特点成为 b o u y g u e s 土钉支护系统的核心；同期包括s o l e t a n c h 等在内的法国一批专家也 完成了许多土钉支护工程，并对这项技术进行了改进和完善。 浙江人学坝j 学位论文 第一章绪论 简屡 a 墨老亡，土毽 箍( ：) 捧圭箱壹懿土 c 虽老考先枣睽蠹蠡蜜詹罨擎扩女 d ) 土母虑进开控边盘墨 蠡墅豹士 图l 一2 岩层中新奥法旌工与土钉支护的对比 图1 - - 3 凡尔赛边坡支护 随后，法国、德国、美国等相应开展了土钉支护技术的研究和应用，土钉支 护工程迅速增多。第一个土钉支护大型研究工程于1 9 7 6 年到1 9 8 1 年在前西德完 成，该工程被命名为“b o d e n v e r n a g e l u n g ”，耗资2 3 0 万美金，进行了七个大型 6 浙江大学颁i 学位论文笫一章绪论 足尺土钉墙试验和许多模型试验，另外，还进行了近百个抗拔试验，得到了一些 重要结论。1 9 7 8 年在巴黎第一次将土钉技术用于邻近高层建筑的繁华街道地区 开挖施工。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，获得了许多宝贵数据。3 。最为著名的研究工程是在s c h o s s e r 教授领导 下，在法国土钉支护研究基金会g e r m e s 资助下所进行的历时四年( 1 9 8 6 1 9 8 9 年) 的c l o u t e r r e 工程”1 。该项目是为了研究土钉墙的工作机理、改进土钉墙设 计方法和编写法国土钉墙规范而进行的，工程项目主要模拟了土钉墙两种失稳形 式情况下土钉墙的工作机制土钉拉断及挖方量过大而造成土钉墙失稳时土 钉的轴力分布情况”1 。9 0 年代末，美国联邦公路管理局把土钉技术推广倒公路路 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。法国、德国也编制了相应的技术文件。现在，土钉支护技术在法国、 德国、美国和英国己成为一项常规技术，应用非常广泛，不仅用于基坑开挖的临 时工程，而且用于铁路和公路边坡的永久性挡墙。矩调查，至1 9 9 2 年，法国土 钉墙支护每年仅用于公用工程中就有1 0 万多平方米；德国已建成5 0 0 个土钉墙 工程。 我国土钉支护技术的应用和研究比较晚，首例是山西太原煤矿设计研究院在 1 9 8 0 年将之用于山西柳亚湾煤矿的边坡工程，王步云等曾对此进行过原位试验 和分析。从此之后土钉支护技术逐渐在国内流行起来，并出现了一些有代表性的 工程，例如重庆市望龙门土钉墙工程高达1 8 m 。至9 0 年代中期土钉支护技术在 我国边坡和基坑工程中得到了推广。1 9 9 7 年中国工程建设标准化协会制定了基 坑土钉支护技术规程( c e c s 9 6 ：9 7 ) 。现在，我国已经有了士钉设计的完整规范 体系，包括建筑基坑支护技术规程j g j1 2 0 一9 9 、建筑基坑工程技术规范 y b9 2 5 8 - - 9 7 和一些地方性设计规范( 如广州地区建筑基坑支护技术规定g j b 0 2 9 8 ) 。 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，大型足尺墙试验，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、边界元数值模拟和解析解，以及根据工程 经验总结的工程经验方法。 浙江人学坝l ：学位论文第一章绪论 一试验研究 第一个大型足尺土钉墙试验和许多模型试验是前西德的 “b o d e n v e r n a g e l u n g ”，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。法国于1 9 8 6 年在法国土钉支护研究基金会g e r m e s 资助下进 行了的历时四年( 1 9 8 6 1 9 8 9 年) 的c l o u t e r r e 工程。b o l t o n 等( 1 9 9 0 年) 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，阐述了旌工末期的短 期稳定性、土体膨胀以及负空隙水压力的消散变化情况。k i m 等( 1 9 9 6 年) 为了 研究超载对土钉支护结构破坏机理的影响，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。王增忠等( 1 9 9 6 年) 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、破坏滑动面的位置和形状。 二理论分析 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，主要有极限平衡法、有限元法、工程简化分析法“。”。“1 和经验设计法”1 。 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理论 和试验研究。由于有不同的安全系数的定义，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，国外产生了许多种与其相 应的试验成果一致的方法。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。其假定滑移面为双曲线形，并 通过土坡坡角，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 剪切强度由莫尔一库仑准则确定。 ( 2 ) 1 9 8 1 年由沈智刚等人提出的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。其假定滑移面为圆弧形，根据传 浙江人学坝l j 学位论史第一章绪论 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，出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。 ( 5 ) 1 9 9 0 年，由j u r a n 等人提出的机动法或运动法。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。 在国内主要有 ( 1 ) 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。 ( 2 ) 清华大学张明聚、宋二祥、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。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 ) 罗晓辉等采用8 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。 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。但也有其不足之处： ( 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，其他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 9 浙江犬学硕1 学位论文 第一章绪论 仅考虑水平方向的平衡，没有考虑垂直方向的平衡。 ( 3 ) 上述各种方法是根据特定的试验场地和试验条件，同时为简化计算而进 行了一些假定，因此有一定适用范围和局限性。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。 鉴上，实际工程中需要设计者对各种方法的了解和经验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性分析使用修正的d a v i s 法，而 对土钉的破坏分析用机动法。 2 有限元法 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，而且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，但仍不乏是目前公认的用来分析不同参数变化 时的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。1 9 8 5 年p l a m e l l e 等人也使用过有限元方 法。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。此外杨明、邵龙潭在采用极限平衡理论验证有限元边 坡稳定分析的方法的基础上，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、刚度对土钉挡墙稳定性的影响。 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 l o 浙江人学坝i ：学位论文 第一章绪论 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 工程简化分析方法 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。虽然这种方法是粗糙 了些，但作为估算土钉的拉力和有经验者进行土钉的初步设计仍然是一种较为 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 4 示) 。 l 上i 图1 4 确定土钉拉力的经验方法 图中：砂土( c y h l x l 0 “c m s e c ) 以及无临时自稳能力的淤泥质饱水软弱地层，可优先考虑搅拌桩方案。搅拌桩是 通过特制的深层搅拌机械在地基深处将土和水泥强制搅拌，利用水泥和土之间的 一系列物理、化学反应，使土硬结成整体性、水稳定性和一定强度的桩或墙体。 当水泥掺入b l 1 0 ，搅拌桩墙体抗渗系数可达1 0 一1 0 c m s e c ，起防渗帷幕 的功能；为保证搅拌桩防渗帷幕防渗性的可靠性，除搅拌桩本身的水泥掺入比大 于1 0 外，搅拌桩与桩之间的搭接也是一个关键，一般可采用施工技术措施进 行控制。搅拌桩的施工工艺流程如图2 7 所示。 1 定位。为了保证搅拌桩防渗帷幕防渗性能的可靠性，桩位放线时应力求 准确；深层搅拌机就位时应保证设备的平整度和导向架的垂直度，搅拌桩的垂直 度偏差不得超过1 5 ，桩位偏差不得大于5 0 m m 。 2 预搅下沉。启动搅拌机电机，使搅拌机沿导向架搅拌切土下沉，下沉及 2 l 浙江大学硕士学位论文 第二章复合土钉墙支护概述 转速由电机的电流监测表控制。 3 喷浆搅拌提升。待深层搅拌机下沉到一定深度时，即开始按设计确定的 配合比拌制水泥浆，待压浆前将水泥浆倒入集料斗中。深层搅拌机下沉到设计深 度后，开启灰浆将水泥浆压入土中，边喷浆边旋转，同时严格按照设计确定的提 升速度提升深层搅拌机。 图2 7 搅拌桩施工工艺流程图 4 重复搅拌下沉。深层搅拌机提升至桩体设计顶面标高时，停止供应水泥 浆，为使软土和水泥浆搅拌均匀，再次将搅拌机边旋转边沉入土中。 5 重复喷浆提升。深层搅拌机再次下沉至设计加固深度后，开启灰浆泵， 边喷浆边旋转边提升，至桩体顶面标高结束。 6 关闭搅拌机械。向集料斗中注入适量清水，开启灰浆泵，清洗全部管路 中残存的水泥浆，直至基本干净。并将粘附在搅拌头的土体清洗干净。然后移位， 重复上诉1 5 步骤，进行下一根桩的施工。 当基坑邻近建筑物等时，可预先设置微型桩，并在微型桩钢管内进行高压注 浆，对周围土体进行加固，这样可将邻近建筑物的沉降量及复合土钉墙的水平位 移控制在很小的范围。 二工作面的开挖 合理安排作业顺序和控制每步开挖的高度，使开挖面裸露的搅拌桩体在设置 浙江大学硕士学位论文 第二章复合土钉墙支护概述 土钉支护前保持稳定，对限制复合土钉墙的变形是至关重要的。 与一般的土钉墙相同，复合土钉墙的工作面开挖也是分层实施的，开挖的顺 序是从上往下；没层开挖的高度一方面取决于土层的天然自立能力，另一方面必 须同土钉的竖向间距相适应，以便利于土钉施工，一般位1 2 m 。 位保持坡面稳定以及施工流程的衔接，要采用分段施工。在复杂地层或不良 地层施工中，可以采用跳槽开挖的方法。在完成上层作业面的土钉设置与喷射混 凝土喷层初凝以前，不得进行下一层的开挖。 采用机械挖土时，开挖面到搅拌桩应有一定距离，以免挖土时对桩体产生破 坏，然后人工清理剩余土方；对于设计面层不是紧贴搅拌桩体的坡面或进行放坡 的坡面，辅以人工休整坡面，坡面应平整，并将松动的部分土体予以清除。 三土钉施工 土钉施工包括包括定位、成孔、置入土钉、注浆等工序，一般可借鉴土层锚 杆的施工经验和规范进行。 1 定位 坡面清理后，进行钻孔定位，在钻孔位置打入约l o c m 长的短钢筋做为标志。 2 成孔 指对设置注浆式土钉而言，显然，对设置打入式土钉或射入式土钉不需要预 先成孔。成孔可以式人工成孔，也可以是机械成孔。在士钉成孔过程中，特别对 于砂性较大的地层，成孔速度较慢或成孔后没有及时封闭，会造成水土从孔中流 失，可能导致过大地面沉降，对邻近建筑物产生不良影响。 3 置入土钉 成孔后置钉前，先采用压缩空气将孔内残渣或水清除干净。对于筋体、杆体 制作的钉体，应焊接居中定位器，定位器间距2 3 m ，以便使钉体位置居中与注 浆体中间。与置入钉体的同时可进行编网焊接，土钉与加强筋之间应牢固焊接。 对于淤泥质粉砂地层，成孔后常引起塌孔和流砂，位防止这一现象的发生，多采 用由钢管制作的打入式土钉。对于永久性土钉的支护工程要考虑其腐蚀性和耐久 性，除加大钉体截面外，置钉前要在钉体材料表面涂锌或环氧或塑料波纹套管等。 4 注浆 浙江大学硕士学位论文 第二章复合土钉墙支护概述 注浆使保证钉体与注浆体以及注浆体与周围土体紧密结合的一到关键工序。 注浆浆液可采用纯水泥浆或砂浆。使用纯水泥浆时，通常采用3 2 5 # 普通硅酸盐 水泥，水灰比0 4 5 o 5 ：使用砂浆时，可采用1 ：2 l ：3 的配合比，机械搅 拌，再采用注浆泵进行常压或中压注浆。注浆前，在孔口设置止浆塞，注浆管下 至孔底后旋紧止浆塞。在孔口处将注浆管和注浆泵相连，开启注浆泵，边注浆边 向孔口方向拔管，直至注满为止，放松止浆塞，将注浆管与止浆塞拔出，用水泥 砂浆充填孔口。对于击入式土钉，必须保证设计要求的注浆量，才能保证土钉的 抗拔力。 四挂网喷射混凝土 一般情况下，为了防止土体的徐变、松弛和避免水压力引起搅拌桩墙体过大 的变形，需尽快挂网喷射混凝土。挂网时，网片节点尽量采用点焊，钢筋网与土 钉、联系筋和加强筋的节点必须焊接，为了保证网片与土钉连接牢固，在外侧加 以焊接井型垫块。另外，网片应距坡面活搅拌桩面有一定的间隙，为此，在适当 位置辅以垫块。 喷射混凝土目前常用于干法混凝土喷射。干了为砂石料与水泥，所用水泥为 3 2 5 # 普通硅酸盐水泥，细骨料用中粗砂，粗骨料石子用5 l s m m 的卵石。水灰 比为0 4 5 ，砂率4 5 5 5 ，水泥：砂：石重量比为1 ：2 ：2 。 喷射前，队搅拌机、空压机、喷射机、水管路和电缆线进行检查及试运转， 清理受喷面，检查埋设好的控制喷射砼厚度的标志。 喷射时，应分片依次进行，喷射顺序白上而下，喷头与作业面垂直，保持 0 6 1 5 距离，喷射混凝土的回弹率不应大于2 0 ，喷射混凝土厚度小于l o o m m 时，可一次完成：厚度较大时，可由几次完成，期间应留有一定的时间间隔。为 了与下一道工序的搭接方便，一般每层的下部3 0 0 m e n 暂不喷射，并做成4 5 。的 斜面形状。对于两次喷射混凝土的接缝，须事先清理浮浆、松屑，并用水浇洗。 每层喷射混凝土完成后，一般要待混凝土终凝后2 小时才开始浇水养护，保 持混凝土表面湿润，方可进行下一层的开挖工作。 浙江大学硕士学位论文 第z - 章复合土钉墙支护概迷 2 2 复合土钉墙的受力机理 2 2 1 土钉受力机理 ( 1 ) 在土钉墙体系中，土钉是重要的受力构件，土钉的作用可以分为： 将作用于面层或水泥土桩上水土压力土钉与土体的摩阻力传递到稳定地层 中去，类似于土层锚杆。 ( 2 ) 通过密而短的土钉将墙后土体的变形约束起来，形成由土体、注浆体及 土钉组成的复合土体、复合土体类似于重力式坝受力。这种作用类似于加筋土挡 墙。 ( 3 ) 不管用什么形式施工的土钉( 钻孔法、打入法和顶入法) ，土钉通道同时 也是注浆孔。该注浆不仅形成土钉挡墙与地层之间的摩擦带，同时以努裂、渗透 及压密注浆的形式加固墙后土体。这种作用类似于压密注浆机理。 2 2 2 土钉受力过程 量测表明，土钉的受力过程可分为三个阶段： 第一阶段，土钉安设的初期，完成注浆但注浆体与土层之间的粘结尚未形成， 这时该土钉基本不受力。 第二阶段，注浆体将土钉粘结于地层中、随着开挖深度的增加，土钉逐渐产 生拉力，这时土钉将拉力集中在与面层粘结的部位，这时内力分布类似于无自由 变形段的土层锚杆靠近面层处拉力最大，往后逐渐减小。 第三阶段，开挖足够深度，土钉的大部份处于滑裂范围之内。这时土钉内力 表现为中间部位( 近滑裂面) 最大，两端最小。力的分布类似于加筋土挡墙中的拉 筋( 图2 - - 8 ) 。 浙江大学硕士学位论文第二章复合土钉墙支护概述 ff 卡 ( 1 ) 盯内力为o ，( b ) 土钉内力娄但土话i ( c ) 订内力类似加筋土 图2 8 土钉受力的三个阶段 2 2 3 复合土钉墙受力模式 目前对土钉挡墙的受力机理认识还不清楚。比较典型的几种受力模式为： ( 1 ) 桩锚模式，认为喷层混凝土形成的结构层发挥类似挡板的作用， 承受由水土压力产生的荷载，土钉类似土层锚杆，并将喷层所承受的水土压力传 递到稳定的地层中去。这种模式从计算方面认识还是荷载结构体系。有些单 位针对这种模式编写了相应计算程序。 ( 2 ) 重力坝模式，将士钉、喷层及经过注浆加固的土体看成是一组合的重 力坝，按重力坝的要求验算其稳定性。 ( 3 ) 加筋土模式，该假定忽视了填土及挖方的区别，认为土钉是后置入的 加筋土“拉条”；按加筋土挡墙的理论分析土钉挡墙的受力状态。 ( 4 ) 边坡稳定模式、按边坡稳定理论分析土钉挡墙的极限平衡状态。 以上认识不能很好的统一起来，因而目前的设计计算方法是将以上理论进行 综合，将可能发生的各种破坏形式全部进行分析计算。 2 3 复合土钉墙的破坏形式 工程实例分析及研究表明，复合土钉墙的破坏形式可以分为以下三类： 1 搅拌桩弯折断裂，周围土体倾覆。基坑开挖后，复合土钉墙的挡水结构 混凝土搅拌桩直接经受来自非开挖侧土体的侧向水压力的作用，因而地层开 挖后如不及时施加土钉，搅拌桩将发生弯曲变形，并将有可能因材料抗拉强度不 浙江大学硕士学位论文 第二章复合土钉墙支护概述 足而弯折断裂，从而导致周围土体倾覆倒塌。如图2 9 a 所示。 2 渗流破坏，坑底隆起等。渗流破坏主要表现为管涌、流土和突涌。坑底 隆起主要表现为坑底发生过大的隆起，墙后地面下沉，影响环境安全。如图2 9 b 所示。 3 搅拌桩剪切断裂，周围土体整体滑移。基坑开挖后，复合土钉墙的受力 变形过程中，有可能因抗剪承载力不足而沿边坡滑动面发生整体滑移破坏。边坡 抗滑承载力由搅拌桩一土钉材料和土体抗剪强度共同提供，发生整体滑移破坏时 搅拌桩被剪断，土钉被拔出或弯曲。如图2 9 c 。 以上三类破坏形式中，第一类破坏可通过及时施工土钉防止发生。 尉也蔺 l b ) 桩体酸坏 一1 图2 9 复合土钉墙的破坏形式示意图 琢撇：恤 ( c ) 整体聪i ；l = 浙江大学硕士学位论文 第三章土体本构模型 第三章土体本构模型 本构关系是指材料的应力、应变关系。实际工程中土的应力一应变关系时很 复杂的，具有非线性、弹塑性、粘塑性、剪胀性、各向异性等性状，同时应力路 径、强度发挥度以及土的组成、结构、状态和温度等均对其有影响。事实上，没 有任何一种模型能考虑所有的影响因素，也没有任何一种模型能够适用于所有土 类和加载情况。土的本构理论研究目前有两种倾向，一种是为了建立用于解决实 际工程问题的实用模型，另一种是为了进一步解示土体某些应力应变特性的内在 规律比较精细的理论模型。 土的本构模型大体上可以分为弹性模型、弹塑性模型、粘弹塑性模型、内时 塑性模型以及损伤模型等几类。 3 1 弹性模型 弹性模型中最简单的是虎克定律，即假定材料的应力一应变关系是线性弹性 的。为了考虑土体变形性状的非线性、各向异性以及非均质性，人们采用拟合试 验曲线法，例如用双曲线函数、样条函数等拟合试验曲线，应用变模量的概念对 线性模型进行修正。非线性弹性模型也可以分为三类：c a u c h y 模型、超弹性模 型和次弹性模型。 国内外弹性模型中运用的比较多的是d u n c a n 和c h a n g ( 1 9 7 0 ，1 9 8 0 ) 建立 的e b 非线性弹性模型。d u n c a n 和c h a n g ( 1 9 7 0 ) 根据k o n d n e r ( 1 9 6 3 ) 的建 议采用下述双曲线方程表示由三轴试验得到的土体应力应变曲线( 图3 1 ) ： 旷吧2 孟 式中 s 。轴向应变 ( 盯。一c r 3 ) 主应力差 a 、b 双曲线函数 ( 3 1 ) 浙江大学硕士学位论文 第三章土体本构模型 ，飞 i i 皂 d i 皂 疗 o ( a ) 式3 1 可改写为： ( b ) 图3 一l 双曲线应力一应变关系 ! l ：口+ 6 ( 3 2 ) ( 盯l a 3 ) 1 双曲线参数a 在图3 1 ( b ) 中为竖轴截距，它的倒数1 a 为图3 1 ( a ) 中应力一应变曲线的初始切线斜率。双曲线参数b 在图3 一l ( b ) 中为直线斜率， 他的倒数1 b 为图3 一l ( a ) 中应力一应变曲线的渐近线值。d u n c a n - - c