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浙江大学硕士学位论文 摘要 基坑工程中土钉支护极限高度的数值分析研究 摘要 近年来土钉以及复合土钉支护以其突出的经济性与良好的工作性能在基坑 工程中得到了广泛的应用，各国学者对土钉以及复合土钉支护进行了大量的试 验和理论研究。但是对土钉以及复合土钉支护的性状和加固机理的理论研究却 仍落后于工程实践，特别是土钉及复合土钉支护的极限高度问题，目前现有理 论应用于土钉及复合土钉支护极限高度的计算，将会引起较大的误差。因此开 展土钉及复合土钉支护极限高度的研究具有重要意义。本文利用目前通用有限 元程序a n s y s 对土钉及复合土钉支护的极限高度进行了系统研究，得到了一 些有指导意义的结论。 本文所做的主要工作包括以下几个方面： 1 在总结前人研究工作的基础上，简要介绍采用增量加载有限元法进行土 钉支护极限高度分析的理论基础，并与匀质土体无支护情况下竖直陡坡的临界 高度进行了验证。结果表明：使用a n s y s 程序分析土钉支护极限高度是可行 的。 2 建立土钉支护的有限元模型，利用增量加载有限元方法确定出土钉支护 的极限高度，并对影响极限高度各个因素进行了分析，探讨了土钉支护极限高 度与各个主要支护参数之间的关系，并根据分析结果推导拟合了土钉支护极限 高度的经验公式。 3 建立复合士钉支护的有限元模型，利用增量加载有限元方法确定出复合 土钉支护的极限高度，研究了影响极限高度的主要因素，对复合土钉支护极限 高度与各个主要支护参数之间的关系进行了探讨，最后在分析结果的基础上推 导拟合了复合土钉支护极限高度的经验公式。 4 通过工程实例对土钉支护和复合土钉支护极限高度的拟合公式进行了验 证，结果表明：拟合公式可以应用于实际工程。 关键词：基坑工程；土钉支护；复合土钉支护；极限高度；数值分析 浙江大学硕上学位论文 a b s t r a c t n u m e r i c a l a n a l y s i ss t u d yo nc r i t i c a lh e i g h to f s o i ln a i l i n gi nf o u n d a t i o np i te n g i n e e r i n g a b s t r a c t a l t h o u g hs o i ln a i l i n ga n dc o m p o s i t es o i ln a i l i n gh a v eb e e nw i d e l yu s e di n f o u n d a t i o n p i te n g i n e e r i n g f o rt h e i r p r o t r u d i n ge c o n o m ya n dg o o dw o r k i n g p e r f o r m a n c ed u r i n gr e c e n ty e a r s s c h o l a r sf r o me v e r yc o u n t r i e sh a v ed o n eal o to f e x p e r i m e n t s a n dt h e o r i e s s t u d i e s h o w e v e rt h er e s e a r c ho nt h eb e h a v i o ra n dt h e s t a b i l i z i n gm e c h a n i s mo fi ta l s ol a g sb e h i n dt h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n ，e s p e c i a l l y t h ep r o b l e ma b o u tc r i t i c a lh e i g h to fs o i ln a i l i n ga n dc o m p o s i t es o i ln a i l i n g , i ft h e n o w a d a y st h e o r yi sa p p l i e dt ot h ea n s w e ro fc r i t i c a lh e i g h to fs o i ln a i l i n ga n d c o m p o s i t e 。s o i ln a i l i n g ，i tw i l ll e a dt oal o to fe l r r o r s s oi th a sal o to fg r e a tm e a n i n g s t ol a u n c ht h es t u d i e sa b o u tc r i t i c a lh e i g h to fs o i ln a i l i n ga n dc o m p o s i t es o i ln a i l i n g s t r u c t u r e i nt h i sp a p e r ，t h ec r i t i c a lh e i g h to fs o i ln a i l i n ga n dc o m p o s h es o i ln a i l i n g w c r es y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e db yo n ef e a ( f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) p r o g r a mn a m e d a n s y sa n ds o m ec o n s t r u c t i v ec o n c l u s i o n sw e r eo b t a i n e d t h ef o l l o w i n gs t u d i e sa r ec a r r i e do u ti nt h i sp a p e r ： f i r s t ，b a s e do nt h ep r e d e c e s s o r s r e s e a r c hf i n d i n g s ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h e t h e o r i e 。sf o u n d a t i o no fe l a s t o p l a s t i cf e mt h r o u g hs t e pl o a d i n ga n a l y s i sa b o u tt h e c r i t i c a lh e i g h to fs o i ln a i l i n g ，a l s oi tt e s t e da n dv e r i f i e dt h ec r i t i c a lh e i g h to f u n s u p p o r t e du p r i g h ts l o p eu n d e rt h ec o n d i t i o no fh o m o g e n e o u ss o i l ，a n da sw e l l a n a l y z e dt h ei n f l u e n c ef a c t o r so ft h ec r i t i c a lh e i g h t t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a t ：i ti s f e a s i b l et ou s ea n s y sp r o g r a ma n a l y z i n gt h ec r i t i c a lh e i g h t so f s o i ln a i l i n g s e c o n d ，t h r o u g hf o u n d i n gaf e mm o d e lo fs o i ln a i l i n g ，t h i sp a p e rg e t e dt h e c r i t i c a lh e i g h to fs o i ln a i l i n gb ye l a s t o p l a s t i cf e mt h r o u g hs t e pl o a d i n g , a n da sw e l l a n a l y z e dt h ei n f l u e n c ef a c t o r so fc r i t i c a lh e i g h t ，p r o b e di n t ot h el a w sb e t w e e nt h e c r i t i c a lh e i g h ta n dc h i e fp a r a m e t e r so fs o i l - n a i l e df o u n d a t i o np i t ，a c c o r d i n gt ot h e a n a l y z i n gr e s u l t ss i m u l a t e dt h ec a l c u l a t i n gf o r m u l ao fc o m p o s i t es o i ln a i l i n gc r i t i c a l 浙江大学硕上学位论文 a b s t r a c t h e i g h t t h i r d ，t h r o u g hf o u n d i n gaf e mm o d e lo fc o m p o s i t es o i ln a i l i n g ，t h i sp a p e r g e t e dt h ec r i t i c a lh e i g h to fc o m p o s i t es o i ln a i l i n gb ye l a s t o p l a s t i cf e mt h r o u g hs t e p l o a d i n g , a n d f i t sw e l ls t u d i e dt h ei n f l u e n c ef a c t o r so fc r i t i c a lh e i g h t , p r o b e di n t ot h e l a w sb g t w e e l lt h ec r i t i c a lh e i g h ta n dc h i e fp a r a m e t e r so fc o m p o s i l es o i l - n a i l o d f o u n d a t i o n p i t ，a tl a s t ，o n t h ef o u n d a t i o no fa n a l y z i n gr e s u l t ss i m u l a t e dt h e c a l c u l a t i n gf o r m u l ao f c o m p o s i t es o i ln a i l i n g c r i t i c a lh e i g h t f o u r t h ，t h r o u g ht h ec a s gh i s t o r i e st h i sp a p e rv e r i f i e dt h es i m u l a t i n gf o r m u l a so f s o i ln a i l i n ga n dc o m p o s i t es o i ln a i l i n gc r i t i c a lh e i g h t t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a t ：t h e s i m u l a t i n gf o r m u l a sc o u l d b ea p p l i e dt ot h ea c t u a lp r o j e c t s k e y w o r d s ：f o u n d a t i o np i te n g i n e e r i n g ；s o i ln a i l i n g ；c o m p o s i t es o i ln a i l i n g ； c r i t i c a lh e i g h t ；n u m e r i c a la n a l y s i s 浙江大学硕e 学位论文基坑工程中土钉支护极限高度的数值分析研究 第1 章绪论 1 1 前言 基坑工程是一个古老而又有时代特点的岩土工程课题。放坡开挖和简易木 桩围护可以追溯到远古时代。人类土木工程活动促进了基坑工程的发展。特别 是到了本世纪，随着大量高层、超高层建筑以及地下工程的不断涌现，对基坑 工程的要求越来越高，出现的问题也越来越多，促使工程技术人员以新的眼光 去审视基坑工程这一古老课题，使许多新的经验和理论的研究方法得以出现与 成熟。 由于多数基坑工程集中在人口稠密、建筑物密集、地下与地上管线密布而 又复杂的旧城区，基坑围护体系不仅要保证基坑及围护结构本身的安全，而且 还要确保l 临近建筑物和市政设施的安全和使用。这就需要采用可靠的围护结构 和施工方法。深基坑围护技术已成为高层建筑等工程建设中的难点和热点，越 来越受到工程界和学术界的重视。基坑工程既涉及土力学典型的强度与稳定问 题，又包含了变形问题，同时还涉及到土与支护结构的共同作用。基坑工程又 是一个复杂的系统工程，涉及工程地质、水文地质、工程力学、工程结构、土 力学及基础工程、还涉及工程施工和工程管理，是融多门学科知识于一体的综 合性学科。随着土力学理论、计算分析技术、测试仪器以及施工机械、施工技 术的进步，深基坑围护技术也得到很大的发展。 目前我国深基坑工程的支护方法较多，其分类方法也较多。以结构受力特 点来划分，可将基坑支护类型划分为三类： ( 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 动的承受着土压力，限制土体的变形，从而达到保持边坡安全稳定的施工要求。 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，钢板桩、钢 管桩、支撑围护结构、地下连续墙等支护技术。 ( 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 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 又常被称为补强类护坡技术( 孙家乐等，1 9 9 6 ) 。 ( 3 ) 组合型支护形式：根据土体力学性质将前两种支护方法同时应用于同 一个基坑工程中。这类支护形式已经在许多工程中得到了成功的应用，表现出 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。因此在工程中采用率较高，但这种支护方法造价高、工期 长、施工难度大，其局限性日见突出。 主动受力支护结构是当前国内外较为流行的方法，其最大的特点在于安全 度较高，施工简单方便，工期较短，造价低，噪声污染小，弥补了传统方法的 许多缺点，因此深受岩土工程界的青睐。尤其近些年来，其设计施工经验逐渐 积累，因此发展较快，其中土钉支护技术是现在最受欢迎且最为流行的支护方 法之一。 1 2 土钉支护的研究现状 1 2 1 土钉支护的技术简介 土钉支护的发展可以追溯到6 0 年代初期出现的新奥法，新奥法将喷射混凝 土技术和全长粘结注浆锚杆结合起来，用于隧道断面开挖，使得开挖后的洞体 变形迅速得到稳定，事实证明，这是一种非常有效的、经济的方法。6 0 年代发 展起来的加筋土技术对土钉支护的出现也有一定的推动作用。1 9 7 2 年，法国承 包商b o n y g u e s 成功地将新奥法隧道施工的经验推广到边坡开挖中。在法国 v e r s a i l l e s 附近的一处铁路边坡开挖工程中，他采用了喷射混凝土并在土体中置 入钢筋( 土钉) 作为临时支护，这是有详细记载的第一个土钉支护工程。此后， 土钉支护在法国、德国、北美和日本等国家和地区得到了迅速的推广。我国则 是在8 0 年代以后才开始应用土钉支护技术。 所谓土钉( s o i l n a i l i n g ) 就是置入子现场原位土体中以较密间距排列的细长 杆件如钢筋或钢管等。关于“土钉”一词，目前尚无统一的明确定义，国外对 于基坑土钉支护工程常称之为土钉，又称为原位加筋横向支撑系统。由于土钉 般是通过钻孔、插筋、注浆来完成的，因此有时也称为砂浆锚杆。在国内有 浙江大学硕 学位论文基坑工程中土钉支护极限高度的数值分析研究 被称为锚杆、土锚、锚钉、插筋，土钉支护也有被称为喷锚网支护。为统一名 称、便于交流，在1 9 9 6 年清华大学等单位主持召开的深基坑土钉支护技术研讨 会上，专家推荐使用“土钉”一词，土钉支护的结构如图l 1 。 图1 1 土钉结构图 土钉的构造特点是：水平或近水平布置；通长注浆；不旌加预应力； 布置比较密集；尾部一般挂网和喷射硅。 土钉支护体系的组成：土钉支护是由被加固土体与放置在其中的上钉体和 喷射混凝土面层组成。 土钉支护的工作原理：土钉沿通长与周围土体接触，与周围土体形成一复 合体，在上体中它通过置于土体内短而密的土钉体( 一般为钢筋及注浆体) 并 辅以钢筋网喷射混凝土面层与土体相互作用，充分利用土体的自承能力，形成 一种类重力式挡土结构，以弥补土体抗拉、抗剪强度低的弱点，同时改变了基 坑( 或土坡) 的变形和破坏性状，以提高土体的整体刚度和稳定性。 土钉支护用于基坑支护或边坡土体开挖时的典型做法是：开挖有限的深 度；在这一深度的作业面上设置一排土钉并构筑喷射混凝土面层；继续向 下开挖有限的深度，并重复以上的步骤，直至所需的深度，对于注浆钉一般是 先钻孔然后置入金属钉体并注浆。其旌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。 1 9 9 7 年，中国工程建设标准化协会颁布了由清华大学土木系和总参工程兵 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 科研三所主编的基坑土钉支护技术规程，标志着土钉支护技术已成为我国土 体支护的一个独立技术门类，并开始走上科学化、规范化的道路。 1 2 2 土钉支护的试验研究 试验是研究岩土工程问题的一个重要手段，自从土钉支护出现以来，国内 外己对其进行了不少的大型量测试验，其中也有专门为试验而修建的工程，下 面介绍一些典型的试验结果。 在法国的c l o u t e r r e 研究项目中，进行了三个大型土钉支护试验。试验土体 采用f o n t a i n e b l e a 砂。这项试验研究的主要结论为：( 1 ) 土钉中的拉力沿其长 度变化，最大拉力位置不在端部面层处，而是离开面层一定距离。土钉靠近面 层的端部拉力与钉中最大拉力的比值随着往下开挖而降低。( 2 ) 土钉在使用阶 段主要受拉，土体变形后在土钉中首先出现的是拉力，只在临近破坏时，土钉 的抗弯刚度才起作用，使土钉同时受到弯剪；土钉破坏时的弯剪作用对于提高 支护承载能力的贡献甚少，但对防止快速破坏有好处。( 3 ) 开挖刚结束时最下 排土钉拉力为零，由于土体徐变，开挖后三个月测得的各排土钉拉力值要比开 挖刚结束时增加约1 5 ，下排土钉也开始受拉。( 4 ) 上排土钉拉力接近或超过 静止土压力值，而下部土钉的拉力远低于按主动土压力算出的数值。( 5 ) 增加 挖深在面部引起拱作用，土体变形仍不大，但继续挖下一层土时，土拱失稳而 发生突然破坏。( 6 ) 土钉墙的最大水平位移与最大竖向位移相当。最大水平位 移为开挖深度的1 7 3 o ，且与设计安全系数取值大小密切相关。 德国k a r l s r u h e 大学岩土力学研究所在国际上最早进行了大型土钉支护试 验，该项试验共有7 个墙体，高6 m 或7 m ，试验所用土体包括松砂、中密砂、 粉砂和粘土。试验研究的主要结论有：支护面层背后实测的土压力合力仅为库 仑土压力的5 0 ，当地表加载时，面层增加的压力也较少，约为库仑值的7 0 ， 但继续增加地表荷载作破坏试验时，底部压力突然增大，最下面的一排土钉被 拔出；支护结构的水平位移与相应深度的比值在0 1 5 0 2 2 之间；土钉支护 抗动载性能优良，其稳定性和变形不受振动影响。 德国于1 9 7 9 年在s t u t g a r t 建造了第一个永久性的土钉支护工程，并进行了 长达1 0 年的连续测量。量测结果表明：支护结构的水平变形由土钉“挡土墙” 浙江大学硕士学位论文基坑工程中土钉支护极限高度的数值分析研究 的剪切变形、弯曲变形以及墙体基底以下的土体变形所引起；最大位移在支护 结构的顶部，向下开挖过程中，底面以下的土体也会受到影响而发生水平变位， 受影响的深度约为开挖深度的2 0 6 0 ，具体与底部土体的强度有关；开挖 到不同深度时测得的支护面层变形曲线形状均相似；墙体最大水平位移为开挖 深度的o 1 0 3 6 之间；土体水平位移随着离开挖面距离的增大而减少；士 钉内力随着开挖的进行而增大，当超过一定深度以后，继续向下开挖对上部土 钉内力的影响不是很大。 美国的s h e n 等( 1 9 8 1 ) 在加州大学d a v i s 分校建造了一个土钉支护足尺模 型，试验的主要结论如下：在开挖面后5 f l ( 1 f l - - - - 0 3 0 5 m ) 处，水平位移在地表 位置最大，在开挖面后1 5 f i 处，水平位移的最大点下移；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，靠开挖面处最大，在尾部接近 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 f l 时，最大水平位移仅为o 8 i n ( 2 0 r a m ) ，说明土钉支护结构的抗动载性能 良好。 p l u m e l l e 和s c h l o s s e r ( 1 9 9 0 ) 通过现场足尺试验研究了由于超挖土钉支护 破坏的机理。试验采用了f o n t a i n e b l e a u 沙，每次开挖2 米，坡面是稳定的，每 步开挖3 m 时，发生失稳，对当前开挖面以上的三层土钉受力进行了详细观测， 根据试验加筋力的测试结果，作者推断在基坑开挖中尽管土钉的刚度在维护稳 定方面起重要作用，但加筋轴力对稳定所起的作用是主要的。 k o u j i 等( 1 9 9 8 ) 进行了2 4 组加筋土坡的离心模拟试验，模型墙高2 0 0 m m ， 相当于原型墙6 o m ，施加的初始加速度3 0 8 ，试验研究的主要参数是土坡的高 度，土钉长度，土钉表面的粗糙程度，土钉、面层的刚度和面层的粗糙程度。 土钉破坏时，对作用在面层上的土压力、失稳前的变形进行监测。试验表明， 土钉支护总是发生拔出破坏而不是发生土钉断裂破坏；土钉支护的土体破坏面 为对数螺旋面，根据破坏面进行的极限平衡分析与试验结果符合较好；对作用 在面层上的土压力与按库仑方法计算的结果进行了比较，发现除了墙底以外比 较接近。 t u f e n k j i a n 等( 2 0 0 0 ) 采用离心机模型试验研究了土钉支护结构在地震作 用下土钉支护的性能。他们研究了不同土钉长度、刚度的影响，总共进行了四 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 个模型试验，试验结果表明土钉支护结构的抗震性能良好，土钉长度越长，其 稳定性越好；在地震作用下，土钉支护结构的破坏模式表现为双折线破坏面。 试验结果还表明，土钉的抗弯刚度对整个结构的稳定性和失稳机制没有明显的 影响。 王步云等用模型试验研究了土钉在土体中的作用，并用三轴试验研究了土 钉复合体的强度，试验结果表明，土钉在其加强的复合土体中起着箍束骨架作 用，提高了土坡的整体刚度与稳定性。土钉在超载作用下的变形特征表现为持 续的渐进性破坏，即使土体己出现局部剪切面和拉裂缝，并且随着超载集度的 增加而扩展，但仍可维持很长时间不发生整体坍塌。另外，王步云还研究了土 钉与土体之间的摩擦作用，以及面层土压力问题。 姜振泉等( 1 9 9 6 ) 进行了土钉支护模型的剪切试验，研究了不同土钉长度 和插入角度情况下的补强效果，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。参考横向受力桩所受剪切 力的计算方法，还给出了用于评价土钉横向抗剪作用及其产生的补强效果的理 论计算方法。 俞季民等( 1 9 9 8 ) 进行了土钉支护模型试验，通过不同的钉长、插入角度、 间距、砂密度和不同的支护方式下的l o 组模型试验，探讨土钉支护的工作机理。 在试验中发现：土钉在开始加载时受力较大，随着土体内的应力重新分配，土 与土钉的分担作用逐渐协调，土的分担作用增强，土钉所受的应力逐渐变小， 并趋于稳定值，而且此变化过程较快，一旦达到平衡，土钉应力的波动较小： 土钉的作用只有在加载的情况下才能充分调动起来，中上部的土钉所受的应力 比底层大，土钉所受的最大应力与土钉的设置密度之间存在着一种最优关系， 土钉密度过大或过小都会使土钉的最大应力减小：土钉水平设置的效果较斜向 放置要好；对于砂土而言，大部分位移值在加载的瞬间完成，土钉对侧向位移 有较好的限制作用；最大沉降发生在开挖面处，随着离开开挖面距离的增大， 浙江大学硕p 学位论文 基坑工程中土钉支护极限高度的数值分析研究 沉降减小。 浙江大学龚晓南教授( 2 0 0 4 ) 对土钉支护的工作性能进行了现场试验研究， 主要得出以下结论：土钉的最大拉力并不与土体的水平位移成正比，而是与基 坑边坡的内在滑动趋势有关。基坑边坡主动土压力的分布与随深度增加呈三角 形分布的传统朗肯土压力不同，接近梯形。全长锚固式压力注浆土钉应力分布 存在一个峰值，此峰值即是边坡土体的内在滑裂面，应力由峰值向两侧递减。 随着基坑的向下开挖，上排土钉的最大拉力逐渐向土钉尾部移动。软土地基中 下排土钉端部受力依然较大。软土地基土钉布置宜上长下短，下部土钉问距宜 适当加密，与土钉挡墙的受力状况较吻合。基坑坡角处为剪应力集中区，土体 最易发生剪切破坏，是基坑失稳破坏的突破口。 1 2 3 土钉支护的设计方法 在目前的土钉支护设计中，最为常用的方法还是极限平衡分析法。滑动面 或破坏面的形状通常假定为双折线、圆弧线、抛物线、或对数螺旋曲线中的一 种，而且一般假定破坏面的底端通过坡角，破坏面与地表相交的另一端位置通 过试算决定，每一个可能的破坏面位置对应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，分析的目的就是要找出临界滑动面的位 置并给出相应的安全系数。各国学者对此进行了很多研究。 目前，国外进行土钉墙稳定性分析应用较多并具有代表性的方法有下列几 种： 1 s t o c k e r - g a s s l e r 方法( 德国)s t o c k e r 等( 1 9 7 9 ) 提出的这种方法与土 层锚杆稳定性分析的k r a n z 方法极为类似，e l i a s 和j u r a n ( 1 9 9 0 ) 认为这种方 法仅适用于非粘性土在有限范围内受较大地面超载的情况。另外，该法考虑 体分层和孔隙水压的影响时较不精确。由于分步开挖的影响，土体强度在开挖 过程的较早阶段就发挥出来，后续开挖荷载主要由土钉承受，即土的强度一般 全部发挥出来而强度储备主要由土钉提供。所以，德国方法按土钉的内力来定 义安全系数比较符合实际。 2 d a v i s 方法( 美国)c k s h e n 等( 1 9 8 1 ) 假定滑裂面为过坡角的抛物 线；对土钉仅考虑抗拉作用，并且假定土钉和土都达到极限状态，这样土钉对 浙江大学硕上学位论文第l 章绪论 滑移土体所提供的总抗力在滑裂面位置假定后即可求出。d a v i s 法仅适用于地 表水平、坑壁垂直的情况。j u r a n 等( 1 9 8 8 ) 提出了改进的d a v i s 法，克服了上 述局限， 3 s c h l o s s e r 方法( 法国)s c h l o s s e r 等( 1 9 8 3 ) 根据传统边坡稳定性分析 的条分法并考虑穿过潜在滑裂面的土钉的抗拉、抗剪、抗弯以及土钉与周围土 的挤压，假定滑裂面为圆弧形，进行复合土体的力矩平衡分析。s c h l o s s e r 方法 的显著特点是考虑了以下几个破坏准则：土的剪切破坏；土钉的拔出破坏；土 钉横向变形与土的相互作用；土钉体的破坏( 土钉在拉力和剪力联合作用下的 破坏以及土钉在抗弯联合作用下的破坏) 。 4 j u r a n 机动极限方法土钉挡墙的失稳往往是上层土钉首先被拔出再逐 步发展为整个挡墙体系的破坏。所以有必要估计土钉在工作荷载下的最大内力 并进行土钉的破坏验算。j u r a n 等( 1 9 9 0 ) 提出的机动法正是为着这个目的。该 法既能对土钉支护的整体平衡进行分析，也能对土钉最大内力的局部稳定进行 计算。机动法可以考虑有地下水存在以及分层土的情况。j u r a n 的机动法在滑裂 面的上端切向方向以及土钉内剪力计算上的一系列假定不严格。 5 b r i d l e 方法( 英国)b r i d l e ( 1 9 8 9 ) 根据w a i f a h c h e n 对一般土坡的 研究认为对数螺线滑裂面的解和实际试验结果最为符合，并且取对数螺线方程 r - - - - a t k q 中的常数k = t g 巾( 巾为土的内摩擦角) 。他又假定滑裂面通过土钉墙的 墙脚。b r i d l e 方法的优点在于滑裂面的形状和位置确定，无需试算，但是在计 算土钉剪力的过程中引用桩基础的经验公式，而计算土钉横向变形对土的挤压 应力时，按沿土钉长度指数分布，而且土体所能承受的压力用泰沙基浅基础承 载力公式计算，理论和实验的依据都不太充分。 6 通用极限平衡法包括s p e n c e r 法( 1 9 6 7 ) 、美国陆军工兵部队法( 1 9 7 0 ) 和l o w e & k a r a f i a t h 法( 1 9 6 0 ) ，它任意假定破裂面，仅考虑土钉的抗拉作用， 进行力的极限平衡总体稳定性分析。 国内也有许多单位进行土钉墙的研究和应用，其设计计算方法主要有：太 原煤矿设计院方法、洛阳总参科研三所方法、清华大学方法、北京工业大学方 法和北京冶建总院方法( t d q 程序方法) 等。 1 太原煤矿设计院方法太原煤矿设计院王步云等( 1 9 8 0 ) 根据原位试验 浙江大学硕士学位论文基坑i 程中土钉支护极限高度的数值分析研究 和理论分析，假定滑移面为双折线，提出作用子土钉支护面层上的土压力简化 分布形式，从而可以计算土钉的拉力。 2 北京冶建总院方法程良奎等( 1 9 9 4 ) 假定破裂面为圆弧形，破坏是由 圆弧形破裂面确定的准刚性区整体滑动产生的，破坏时，土钉的最大拉力和剪 力在破裂面处，土体抗剪强度( 由摩尔库伦破坏准则定义) 沿着破裂面全部发 挥，假定小土条两边的水平作用力相等，土体强度参数取加权平均值，土钉的 抗拉作用简化为土钉与破裂面交点处的拉力，通过力矩平衡求解最危险滑移面。 3 清华大学方法清华大学张明聚等( 1 9 9 7 ) 提出的与瑞典条分法类似的 计算方法，钉土问的作用仅考虑土钉的抗拉作用，其抗拉能力由其拔出、拉断 强度条件决定。 4 洛阳总参科研三所方法王宝安等( 1 9 9 7 ) 提出的条分法结合复形调优 法的方法，假定破裂面为圆弧形，不计土钉的抗剪力和面板的阻力，只考虑土 钉的抗拉作用，以稳定安全系数为目标函数，把目标函数最小值的破坏面作为 临界破坏面。 5 陈昌富等( 1 9 9 9 ) 对王步云法作了相应的改进，墙体破裂面形式考虑了 土体强度参数和墙体坡角的影响：土压力计算采用库仑主动土压力系数，可反 映坡角对土压力的影响，导出了设计计算公式，并对土钉墙内部稳定可靠性分 析方法进行了探讨，分析了土质参数变化对可靠指标的影响。 1 2 4 土钉支护的有限元分析 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。 在现有的土钉支护结构有限元分析中，一般采用以下两种模型，复合式模 型和分离式模型。在复合式模型中，土钉加固区用一种复合模型处理，在单元 分析时，分别求得土体、土钉及两者之间的粘结性能对单元刚度矩阵的贡献， 组成一个复合的单元刚度矩阵；在分离式模型中，土钉和土体被视为不同的材 浙江大学硕上学位论文 第1 章绪论 料，用不同的单元分别模拟。复合式模型只能考虑土钉支护结构的整体破坏情 况，而分离式模型还可以分析土钉与土体相互作用，考虑土钉支护结构的内部 破坏机制( s m i t ha n ds t b l 9 9 7 ) 。 虽然深基坑开挖属于三维问题，但目前一般只作平面应变分析，以往的研 究表明：在大多数情况下，特别是当基坑的长宽比较大时，其分析结果与三维 分析结果差别不大。二维有限元分析把土钉支护结构简化为平面应变问题，土 钉按刚度相等的原则等效为单位宽度的薄层。 s h e n 等( 1 9 8 1 ) 采用平面有限元法模拟基坑开挖的过程，分析了土钉支护 中的一些参数对其工作性能的影响。计算结果表明：影响体系变形的因素主要 有施工过程、基坑深度、土的性质以及土钉的长度、直径和间距等。当开挖较 浅时，水平位移分布呈三角形，在基坑顶面最大；当开挖较深时，水平位移分 布呈鼓形，位移最大点位于地表以下。基坑附近地面的沉降随着离开坑边距离 的增加面很快衰减，当距离等于开挖深度时，沉降接近于零。 c a l a b r e s i 等( 1 9 9 1 ) 用有限元方法研究了超固结粘土中隧道开挖的土钉支 护结构，土体本构关系采用剑桥模型，计算结果表明土钉支护能有效地减小开 挖边界附近的塑性应变，减小水平位移，提高施工期闻的稳定性。 孙家乐等( 1 9 9 2 ) 采用平面有限元分析了基坑开挖和土坡中插筋的补强效 果。分析结果表明，插筋补强可以有效地减小土体的侧向位移，提高承载力； 插筋长度对水平位移有明显影响，一般插筋加长可以使变形减小；插筋密度是 影响水平位移的重要因素；超载作用位置对水平位移有重要影响，靠近边缘会 使变形迅速增大而导致局部破坏，不能发挥补强效应。 宋二祥等( 1 9 9 6 ) 采用平面有限元程序分析了土钉支护的工作性能。计算 结果表明，面层混凝土的作用主要是防止坑壁土的松动和局部塌落，由于土钉 的分布较密，面层的力学作用并不重要，其厚度对支护体系性能的影响不大； 加长顶层土钉的长度对减小变形比较有效；随着开挖深度的增加，土钉的轴力 迅速增大，其最大值的位置也逐渐外移。 z h a n g 等( 1 9 9 7 ) 采用f l a c 程序分析了当地下水位上升时土钉支护边坡 的破坏过程。分析结果表明，破坏从最下面一层土钉开始，逐渐向上扩展。同 时，分析了土钉长度不同情况下的破坏情况，根据计算结果，z h a n g 认为在设 浙江大学硕士学位论文基坑t 程中士钉支护极限高度的数值分析研究 计中应该限制土钉的长度，并给出了其上限值。 b a n g 等( 1 9 9 7 ) 研究了土钉的设置角度、长度对土钉支护变形的影响，计 算结果表明，当土钉水平设置时，支护结构的水平位移最小，随着土钉倾角的 增大，水平位移增加，但土钉的倾角对沉降影响不大；土钉长度越长，支护结 构的水平位移越小。 秦四清等( 1 9 9 9 ) 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土体的拉应力区、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土体部分应力，并通过应力扩散作用 将应力传递到周围土体中，减小了土体应力集中，因此减小了土体破坏几率， 充分发挥了周围土体的承载力。由于土钉对土体的侧向约束作用，减小了基坑 变形，并且由于土钉的复合作用，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。 t a b r i z i ( 1 9 9 6 ) 率先采用局部三维有限元研究了土钉支护结构，分析了开 挖深度、土钉长度、士钉水平间距等因素对水平位移、土钉内力的影响，研究 了开挖后土体应力的分布。 s m i t h 等( 1 9 9 7 ) 模拟了土钉支护结构中土钉的局部三维作用，计算结果 表明，在没有超载或超载较小时，最大沉降点位于面层后，当超载较大时，最 大水平位移的位置在地表以下l m 左右，最大沉降点离面层有一定的距离；除 了最下面一排土钉，其余土钉中均产生了较大的轴力，而且数值比较接近；土 钉支护结构的破坏模式与超载有关，土钉的抗弯和抗剪作用与超载有关，在超 载为零的情况下，当开挖刚结束时，土钉中的弯矩非常小，但是随着超载的增 加，土钉中的弯矩变大，第一排土钉承受的弯矩最大。 张明聚等( 1 9 9 8 ) 也考虑了土钉的局部三维作用，模拟了基坑开挖和土钉 支护的施工过程，分析了开挖引起的支护结构位移、土钉轴力、土中应力的分 布和变化规律。 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 1 3 复合土钉支护的研究现状 土钉支护对地层的依赖性很大，通常仅适用于地下水位较低的、自立性较 好的地层中，基坑土钉支护技术规程( c e s s 9 6 ：9 7 ) 第1 o 2 条规定，土钉 支护适用于下列土体：有一定胶结能力和密实程度的砂土、粉土和砾石土、素 填土，坚硬或硬塑的粘性土，以及风化岩层等。 我国经济建设最活跃的地区多集中在东部沿海，东部、南部沿海地区除少 数城市地层条件较好外，主要是海相沉积的软地层如天津、上海、杭州、福州 等城市的地层以淤泥及淤泥质土为主，且地下水位很高。以上海为例，地下水 位距地表仅0 5 1 。0 m ，地层为饱和的粉质粘土、淤泥质粉质粘土、粉土等。 这样的地质条件肯定属于土钉规程排斥范围之外。 针对软土地层中出现的土钉支护问题，9 0 年代提出了复合土钉支护的概 念，它是由普通土钉与一种或若干种单项轻型支护技术( 如预应力锚杆、竖向钢 _ 管、微型桩等) 或截水技术( 深层搅拌桩、旋喷桩等) 有机组合成的支护截水体系， 分为加强型土钉支护，截水型土钉支护，截水加强型土钉支护三大类。 对于复合土钉支护的施工方法，工程界已积累了一定的经验，但对它的加 固作用机理、开挖后基坑的稳定性评价等方面还研究较少，使得目前的设计计 算比较盲目。鉴于此，本文作者在前人实践、研究的基础上，采用有限元方法 对复合土钉支护系统的极限高度以及变形发展规律进行研究，得出了一些对设 计、施工有指导作用的结论。 1 3 1 复合土钉支护的技术简介 复合土钉支护就是把土钉与其他支护形式或施工措施联合应用安全稳定的 同时满足某种特殊的工程需要，如限制基坑上部的变形、在保证支护体系阻止 边坡土体内水的渗出、解决开挖面的自立性或阻止基坑地面隆起等。最具代表 性的例子是以水泥一土搅拌桩等超前支护措施解决软弱土层的隔水、自立以及 与喷射混凝土面层的粘结等问题；以水平方向注浆及二次压力灌浆解决土体加 固及土钉抗拔力问题；以辅助支护结构较长的插入深度解决坑底的隆起、渗流 以及管涌等问题。 浙江大学硕士学位论文基坑工程中土钉支护极限高度的数值分析研究 复合土钉是近年来城市建筑深基坑支护实践中发展起来的一种具有中国特 色的土钉支护技术。这种技术不但保持了传统土钉支护的优点，而且由于支护 位移小，适用范围广( 可适用于有松散砂土、软土、地下水补给充裕、坡顶负 荷较大的场地) ，在城市地区基坑支护工程中具有广阔的发展前景。 常用的复合土钉支护有三种基本形式： ( 1 ) 土钉与搅拌桩联合( 止水型土钉支护) ( 图1 2 ( a ) ) 。为防止地下水 位降低引起建筑物及道路沉降，在基坑开挖前，用相互搭接的单排或双排具有 一定强度的水泥土搅拌桩或高压旋喷桩( 摆喷) 沿基坑开挖线通长布置，作为 止水帷幕。 ( 2 ) 土钉与微型钢管桩联合( 图1 2 ( b ) ) 。在基坑开挖前，在开挖线外侧 垂直打入钢管，在钢管内注入水泥浆，形成沿基坑开挖线以一定间距分布的一 排微型桩，然后分层开挖土体、设置土钉和喷射混凝土面层，并与微型桩连接 成整体。适用于土质松散、自立性较差的地层情况。对于限制基坑的变形、增 加边坡的稳定性是十分有利的，但不能起到止水隔水的作用。 ( 3 ) 土钉支护与预应力锚杆联合使用的技术( 图1 2 ( c ) ) 。在土钉支护上 部设置1 2 排预应力锚杆，对主动区土体施加初始拉力，大大减少了土钉支护 的位移。适用于一般的地层条件，可满足不同实际工程的需要。 ee 芑一乞黼麴一 猫 桩( 制i 嘎多 j 射 ( b ) 钉与鳆壁铮睹( c ) 土钉变沪与预应 桩联合力锚杆联合 图1 2 复合土钉支护的几种常见形式 1 3 2 复合土钉支护的作用机理研究 同济大学李象范等( 1 9 9 9 ) 对复合土钉墙的基本性状做了试验研究，试验 表明复合型土钉墙表现与一般土钉墙不周的变形性状：一般土钉墙顶水平位移 随着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 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 有前倾的趋势，复合型土钉墙由于事先施作了水泥土桩，开挖后桩顶位移较小， 特别当墙顶锚钉较长时。水平位移更小，但随着深度的增加，深部土体有较明 显的水平移动趋势。开挖完成后，底部的墙体位移大于墙顶位移，墙体有向前 凸起的趋势。墙后地表的沉降也有不同形式。用水泥土桩作为止水帷幕超前支 护的土钉墙，墙后的地表沉降比较小，一般为o 3 的开挖深度；靠近开挖面的 水泥土桩沉陷非常小，通常为几毫米：最大沉陷位置距开挖面( o 5 1 o h ) ， 沉降量为3 0 5 0 m m ，约为( 0 3 o 5 ) h 。 浙江大学龚晓南教授( 2 0 0 1 ) 对锚管桩复合土钉支护的应用进行了研究， 定性得出以下结论： ( 1 ) 槽钢作面层整体性好、强