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复合土钉墙的水平位移分析与预测 摘要 土钉墙支护技术在我国的应用得到了快速的发展，并取得了很多 ：程经验与 研究成果。但对土钉墙位移的研究分析相对较少，这与目前基坑工程中对位移控 制要求越来越严格的趋势不符。本文对复合土钉墙水平位移进行了分析，将智能 化思想引入到土钉墙的信息化施工中：并针对复台土钉墙的变形特性，提出了一一 种复合土钉墙水平位移的计算方法。 本文首先阐述了基坑工程的特点、常用基坑支护结构的类型、计算理论和方 法以及各自的适用范围。 接着介绍了b p 人工神经网络的基本理论及其在岩土工程中的应用和研究现 状。对目前采用的b p 建模方法作了改进，以便考虑设计参数、施工参数以及士 层参数的影响在m a tl a b 6 5 环境下利用此方法预测土钉墙水平位移。通过工程 实例验证了本文预测模型的合理性及其相对于传统方法的优点。 由于复合土钉墙水平位移的分布与内撑式支护结构具有相似性，因此将弹性 地基梁法引入到复合土钉墙的位移计算中。结合复合土钼。墙自身的特点，提出了 简化的土压力分布模式和土钉支承刚度计算方法，建立了复合土钉墙水平位移的 计算方法。通过工程实例的反分析计算，得出该方法中土钉刚度的变化规律，并 采用多个工程实例对分析结果进行验证。结果表明本文提出的方法具有较好的精 度和适用性。 关键词：复合土钉墙：水平位移；神经网络：弹性地基粱法 h o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n ta n a l y s i sa n dp r e d i c t i o n o fc o m p o s i t es o i l n a i lw a l l a b s t r a c t t h ea p p l i c a t i o no fs o i l - n a i lw a l li no u rc o u n t r yi sh a v i n gar a p i dd e v c l p m e n t 1 0 t s o f e n 舀n e e r i n ge x p e r i e n c e sa n dr e s e a r c h r e s u l t sh a sb e e np r e s e n t e d h o w e v e r , r e s e a r c h e sa n da n a l y s e so nd i s p l a c e m e n to fs o i l n a i lw a l la r ec o m p a r e l yn o te d o u g h t h i ss i t u a t i o nd o e s n tm e e tt h en e e do fm o l ea n dm o r es t r i c td i s p l a c e m e n tc o n t r o li f l e x c a v a t i o n e n g i n e e r i n g s t oa g a i n s tt h i s ，t h i sp a p e ra n a l y s e s t h eh o r i z o n t a l d i s p l a c e m e n to fs o i l n a i lw a l lb yi n t r o d u c i n gt h ea r t i f i c i a li n t e l l i g e n c ei d e a a n da l s o c r e a t sam e t h o dt ot o m p u t et h eh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n to fc o m p o s i t es o i l n a i lw a l l a c c o r d i n gt ot h ed i s p l a c e m e n tc h a r a c t e r i s t i co ft o m p o s i t es o i l n a i lw a l l f i r s t l y , t h ea u t h o rr e p r e s e n t st h ec h a r a c t e r i s t i co fe x c a v a t i o ne n g i n e e r i n g s s t y l e s ， c o m p u t i n gt h e o r i e sa n da p p l i c a b i l i t yo ff r e q u e n t l yu s e dr e t a i n i n gw a l l sa r ea l s o i l l u m i n a t e d 1 1 l e ni n t r o d u c e st h eb a s i ct h e o r i e so fb pa r t i f i c i a ln e u r a l n e tw o r ki t s a p p l i c a t i o n sa n dp r e s e n tr e s e a r c hs t a t ei ng e o t e c h n i ce n g i n e e r i n g s m o d i f i e sc u r r e n t l y u s e dm o d e l i n gm e t h o d s ，s oa st oe a s i l yt a k ei n t oa c c o u n to ft h ei n f l u e n c eo fd e s i 曲， c o n s t r u c t i o na n ds o i l l a y e r sp a r a m e t e r s u n d e rm a t l a b 6 5 ，u s et h i sm e t h o dt op r e d i c t h o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n to fs o i l - n a i lw a l l b ye n 西n e e r i n ge x a m p l e ，t h i sm e t h o di s p r o v e dt ob er e a s o n a b l ea n de o m p a r e l yb e t t e rt h a nt r a d i t i o n a lo n e s b e c a u s et h ed i s p l a c e m e n to fc o m p o s i t es o i l n a i lw a l ii ss i m i l a rt ot h en o r m a l i n t e m a l s t a y e dr e t a i n i n gw a l l ，e l a s t i c f o u n d a t i o nb e a mm e t h o di si n t r o d u c e di n t ot h e m e t h o do f c o m p u t i n gc o m p o s i t es o i l n a i lw a l l sd i s p l a c e m e n t s i m p l i f i e ds o i l p r e s s u r e d i s t r i b u t i o nm o d e la n ds o i l - n a i l s s t a y i n g s t i f f n e s sc o m p u t i n gm e t h o dw h i c ha r e a s s o c i a t e dw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i co fc o m p o s i t es o i l n a i lw a l la r ea l s op r e s e n t e d ，t h e na m e t h o do fc o m p u t i n gc o m p o s i t es o i l n a i lw a l l sh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n ti sc r e a t e d _ b v b a c k - a n a l y s i s u s eb pn e u r a l - n e tw o r k t h ec h a n g e r e g u l a r i t y o fs o l l n a i 】s s t a y i n g - s t i f f n e s si nt h i sm e t h o di so b t a i n e d f i n a l l yt h ea n t h o tp r o v e st h er e s u l ta n d i n d i c a t e st h a t t h i sm e t h o dh a sa g o o dp r e c i s i o na n da p p l i c a b i l i t yb y s e v e r a l e n g i n e e r i n gp r o j e c t s k e yw o r d s ：h o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n t ；c o m p o s i t es o i l - n a i lw a l l ；n e u r a l n e t w o r k ； e l a s t i c f o u n d a t i o n b e a mm e t h o d 浙江人学2 0 0 6 届硕士毕业论文 第一章绪论 深基坑支护是岩土工程的一个典型而又古老的课鼷，它是一个将挡土支护、止 水或降水、挖土紧密结合为一体的系统工程，涉及到工程地质、水文地质、 ：程结 构、施工管理等诸方面的知识。随着社会经济的发展，高层建筑不断增多，根据建 筑构造及使用要求，基础埋深不断加大。特别是近年来，出现了众多超高层建筑， 使有的地下室理深达2 0 m 以上。同时，由于城区用地的紧张，建筑物在向高处发展的 同时地下空间的利用也越来越引起人们的重视，地下商城、地下车库、地铁车站 等大量涌现，加上人民防空的需要，地下人防设施不断增多。我国的深基坑 i ：程逐 年增加，基坑规模也不断加大，加之许多基坑工程位于繁华城区内，周围苛刻的环 境条件，对基坑支护技术提出了更高、更严的要求。基坑支护不仅要保证边坡稳定， 还要满足变形的要求，以保证周围建筑物、地下管线、道路的安全。所有这些，促 进了我国摹坑支护技术的发展，深基坑支护技术成t s o 年代以来人们普遍关注的热 门课题。 基坑支护虽然是施工期间的临时性支护结构，但其选型、设计和施工是否证确， 对旌工的安全、工期和经济效益有着巨大的影响。加之我国幅员辽阔，各地耻各工 程的地质情况各不相同，土质类型和土的性状复杂多变，即使在同一地区的不同：【 程，其条件也千变万化，因此基坑支护型式多种多样，目前基坑支护的 ：要结构型 式有：悬臂式围护结构，重力式围护结构，肉撑式围护结构，掩锚式围护结构，土钉 墙围护结构，沉井围护结构等等，选用何种结构裂式必须结合各个工程的实际情况 进行设计和施工，这是基坑工程的特点和难点。 1 1 基坑支护的主要类型 摹坑开挖可分为放坡开挖和支护开挖两大类。放坡开挖是最早的基坑开挖方式， 需要有空旷的施工场地，且开挖：_ l 二方量大。放坡开挖的关键是选择合理的基坑边坡 以保证在开挖过程中边坡的稳定性，包括坡面的自立性和边坡整体稳定性。放坡开 挖适用于地基土质较好，开挖深度不深，以及施工现场有足够放坡场所的工程。放 浙江大学2 0 0 6 届硕士毕业论文 坡开挖般费用较低，在条件允许的情况f 应尽量采用。有时虽有足够放坡的场所， 但挖土及回填土方量大，从工期、工程费用等方面考虑不合理时，也不宜采用。存 放坡开挖过程中，为了增加基坑边坡稳定性，减少挖土土方量，常采用简易围护。 如在坡脚采用草袋装土或块石堆砌挡土或在坡脚采用短桩隔板围护。对处于建筑物 较密集，或周边环境要求较苛刻，或开挖深度大于4 m 的软土地区的基坑工程，般 采用支护开挖。基坑支护体系一般包括挡土体系和止水降水体系两大部分。有的支 护结构本身也起着止水帷幕的作用，称为止水型围护结构，如水泥土重力式挡墙和 地下连续墙等。有的支护结构仅起挡土作用，需要有独立的止水体系，如排桩支护 结构等。由于基坑支护结构型式多样，受力特点、施工方法备不相同， _ 前国内尚 未有统一的分类方法。常用的基坑支护型式的丰要特点及适用范围简介如下文。 1 1 1 支挡型支护 1 悬臂式支护结构 悬臂式支护结构常采用钢筋混凝土排桩墙、钢板桩、钢筋混凝土板桩、地下连 续墙等形式。依靠足够的入土深度和结构的抗弯能力来维持整体稳定卿结构的安全 如图1 1a 所示。悬臂结构所受土压力分布是开挖深度的一次函数，其剪力是深度的 二次函数，弯矩是深度的三次函数，水平位移是深度的五次函数。故悬臂式结构对 开挖深度很敏感，容易产生较大的变形，对相邻建( 构) 筑物易产生不良影响。悬臂 式围护结构仅适用于土质较好、开挖深度较浅的基坑工程。 2 内撑式支护结构 内撑式支护结构由支护结构体系和内撑体系两部分组成，如图1 1b 所示。支护 结构体系常采用钢筋混凝土排桩墙和地 f 连续墙型式。内撑体系可采用水平土钉和 斜土钉。随开挖深度的不同，又可分为单层水平支撑、二层水平支撑及多层水平支 撑。当基坑平面面积很大，而开挖深度不大时，宜采用单层斜支撑，一一般采用空间 结构体系，如图1 1 c 所示。内撑常采用钢筋混凝土支撑和钢铃( 或型钢) 支撑两种。 钢筋混凝土支撑体系的优点是刚度好、变形小，而钢管支撑的优点是钢餐，可以回收， 且加预压力方便。内撑式支护结构适用范围广，可适用各种土层和基坑深度，及变 形控制严格的基坑工程。但该支护型式造价高，且内支撑占据了一定的空间，不便 浙江大学2 i 0 6 届硕士毕业论文 于采用机械进行大面积的土方开挖，影响了基坑工程和地下结构的旌工效率，对工 期和工程造价均有影响。因此，在布置内支撑时，应特别注意考虑后续施工的方便 程度。 3 挣锚式支护结构 拉锚式支护结构一般由支护结构体系和锚固体系两部分组成，支护结构体系等 同于内撑式支护结构，锚固体系由受拉锚杆与锚固体组成，如图lld 所不。受拉锚 杆的一端通过冠梁或腰梁与支护体相联结，另一端为锚固体。锚固体系可分为锚杆 式和地面拉锚式两种。地面拇锚式需要有足够的场地设置锚桩或其他锚固物， 般 应用较少，常用的是锚杆式。锚杆式的锚固体设在基坑外的稳定土层中，利用稳定 土层提供锚固力，随基坑深度的不同，锚杆式也可分为单层锚杆、：二层锚杆和多层 锚杆。拉锚式支护结构在受力性能方面具有与内撑式支护结构相类似的优点，可适 用不同深度的基坑工程，支护结构变形小。但设置锚杆时需伸入邻地，有障碍时不 能设置。同时锚杆需要地基土提供较大的锚固力，较适用于密实的砂土、粉土、粘 性土或岩层中，在软粘土地基中使用时，要求软弱土层埋藏较浅，厚度较小，使锚 杆能够穿过软弱土层，锚固到上述土层中。拉锚式支护结构与内撑式支护结构相比， 最大的优点是不占基坑范围内的宅间，方便基坑工程施工，因此它的应用得到迅速 推广，在条件许可的情况下，成为优先选用的支护型式。 4 地下连续墙结构 地下连续墙( 曾又称为槽壁法) 是区别于传统施工方法的一种较为先进的地下 程结构形式和施工工艺。它是在地面上用特殊的挖槽设备，沿着开挖工程的周边， 在泥浆护壁的情况下，开挖一条狭长的深槽，在槽内放置钢筋笼并浇灌水f 混凝土， 筑成。一段钢筋混凝土墙段。将若干墙段连接成整体，形成一条连续的地卜墙体。地 下连续墙可起到止水和挡土的作用。其丰要优点是对邻近建筑物和地下臀线的影响 较小，施工时无噪声、无振动，结构强度高，刚度大，能兼作临时设施和永久性地 下结构，可采用逆筑法施工。但由于它的造价高，且需要专用的施工机具和较高技 术水平的专业队伍，对施工工艺的要求高，应用受到了限制。一般说来，对处于软 弱地基的深大基坑，周围又有密集的建筑群或重要的地下管线，对摹坑1 程周陶地 面沉降和位移值有严格限制的地下工程，才考虑使用地下连续墙结构。 浙江大学2 0 0 6 埔硕士毕业论文 1 1 2 加固支挡型支护体系 1 水泥士搅拌桩支护结构 目前在工程中用得较多的水泥土搅拌桩支护结构，常采用深层搅拌法形成，有 时也采用高压喷射注浆法形成。为了节省投资，常采用格构体系。水泥土搅拌桩支 护结构是利用水泥作为主同化剂，通过特殊的搅拌机械在软弱土层内就地将软粘j 二 和固化剂强制拌和，经过土和固化荆产生一系列物理化学反应，形成具有定强度、 整体性雨i 稳定性的加固土休。施工时将桩体相互搭接，连续成桩，形成具有一定强 度和整体结构性的水泥土壁墙或格栅状墙，水泥土与其包围的天然土形成重力式挡 墙，主要依靠其自重、墙底与地基之间的摩擦力以及墙体在开挖丽以下受到的被动 土压力来平衡墙后的水土压力和维持边坡稳定。其优点是造价低，适t j 于软粘土地 区，无需内支撑及拉锚，便于地下室的施工。但由于水泥土的抗拉强度低，变形量 大，仅适用于开挖深度较浅的基坑工程，一般用于软粘土地区开挖深度6 m 以内的纂 坑工程。同时搅拌桩挡墙一般厚度较大，基坑周边需要有较大的空间布置桩体。随 着水泥土搅拌桩的推广应用，目前出现了水泥搅拌桩与预应力锚杆联合使用的新型 支护型式。其做法是设置3 4 排水泥土搅拌桩，桩顶以下设置至两摊锚杆，以槽 钢为腰粱，施加一定的预应力。这种支护结构能有效提高挡十能力，减小变形量， 可用于开挖深度较大，变形控制严格的基坑工程，且造价低。 2 土钉墙 以土钉为主要受力构件的边坡支护型式，由密集的土钉群、被加固的原位土体、 喷混凝土面层和必要的排水系统组成。其施工特点是边开挖土方边设置支护最适 合用于填土、粘性土以及地下水位以上的砂土、粉土基坑中，当在软土雄坑中使j = | j 时，必须采取超前支护或与微型桩等组成复合土钉墙。其主要优点是工艺简单、造 价低、进度快，因而在我国的应用得到迅速推广。本章第二节中将对十钉墙作洋细 介绍。 1 1 3 其他型式支护结构 其它形式支护结构主要有门架式支护结构、拱式组合型支护结构、加筋水泥一 ： 墙支护结构、沉井支护结构和冻结法支护结构等。 4 浙江大学2 0 0 6 届硕士毕业论文 门架式支护结构目前工程中常用钢筋混凝土灌注桩、压顶梁和联系粱形成空间 门架式围护结构体系，如图1 1 e 所示。它的围护深度比悬臂式围护结构深。常f ；= | 于 开挖深度已超过悬臂式围护结构的合理围护深度，但深度也不是很大的情况。 拱式组合型支护结构一般用钢筋混凝土桩同深层搅拌桩水泥土拱组合形成的嘲 护结构，如图1 1f 所示。 加筋水泥土墙支护结构在水泥土中设置型钢以克服水泥土抗拉强度低的缺点。 沉井支护结构采用沉井结构形成围护体系。 冻结法支护结构利用冻土抗剪强度提高，止水性能好的优点通过冻结基坑四周 土体保持坑边坡稳定的围护体系。 |_ 【 臻，i 。 口雠桩l 、_ ”；l”三l t t 一 + 。1 i i j b 内撑式尉护结构示意图 。型l h j 鞴捌冈厚作系_ i 总图 二v i 一 水泥搅拌桩 i卜后排桩、r7 ，j 摹- “一t i 钻孔灌注桩 d 锚桩与锚榔 e 门架式围护结构示意图 f 拱式维台围护结掣蚋i 意图 图1 1 围护结构示意图 由于基坑工程的复杂性和多变性，在具体的工程中往往会根据实际情况采用多 种支护结构型式联合应用的方法来做到安全性和经济性的平衡。 1 2 土钉墙技术及其发展研究现状 1 2 1 土钉墙的概念 二t 钉墙结构是7 0 年代发展起来的用于土体开挖和稳定边坡的种新擅的挡土结 浙江人学2 0 嘶橘硕士毕业论立 门架式支护结构目前工程中常用钢筋混凝土灌注桩、压顶梁和联系梁形成空问 门架式围护结构体系，如图1 1 e 所示。它的围护深度比悬臂式围护结构深。常削于 开挖深度已超过悬臂式围护结构的合理同护深度，但深度也不是很大的情况。 拱武组台型支护结构般用钢筋混凝十桩问深层搅拌桩水泥土拱组合形成的嘲 护结构，如图1 1f 所示。 加筋水泥士墙支护结构在水泥土中设置犁钢以克服水泥十抗挣强度低的缺点。 沉井支护结构采用沉井结构形成围护体系。 冻结法支护结构利用冻土抗剪强度提高，止水性能好的优点通避冻结基坑明周 土体保持坑边坡稳定的围护体系。 d 锚耻与锚嗣 e 门絮式踊护结柳小意例f 拱式蛆台圈护结构示意型 圈l _ l 圈护结构示意图 由于摹坑工程的复杂性利多变性，在具体的工程中往往会根据实际情况采用多 种支护结构型式联合应用的方法来做到安全性和经济性的平衡。 1 2 土钉墙技术及其发展研究现状 1 2 1 土钉墙的概念 一t 钉墙结构是7 0 年代发展起来的用于土体开挖和稳定边坡的种新犁的挡j ：结 七钥墙结构是7 0 年代发展起来的用于土体开挖和稳定边坡的一种新捌的挡土结 浙江大学2 0 0 6 届硕士毕业论文 门架式支护结构目前工程中常用钢筋混凝土灌注桩、压顶梁和联系粱形成空间 门架式围护结构体系，如图1 1 e 所示。它的围护深度比悬臂式围护结构深。常f ；= | 于 开挖深度已超过悬臂式围护结构的合理围护深度，但深度也不是很大的情况。 拱式组合型支护结构一般用钢筋混凝土桩同深层搅拌桩水泥土拱组合形成的嘲 护结构，如图1 1f 所示。 加筋水泥土墙支护结构在水泥土中设置型钢以克服水泥土抗拉强度低的缺点。 沉井支护结构采用沉井结构形成围护体系。 冻结法支护结构利用冻土抗剪强度提高，止水性能好的优点通过冻结基坑四周 土体保持坑边坡稳定的围护体系。 |_ 【 臻，i 。 口雠桩l 、_ ”；l”三l t t 一 + 。1 i i j b 内撑式尉护结构示意图 。型l h j 鞴捌冈厚作系_ i 总图 二v i 一 水泥搅拌桩 i卜后排桩、r7 ，j 摹- “一t i 钻孔灌注桩 d 锚桩与锚榔 e 门架式围护结构示意图 f 拱式维台围护结掣蚋i 意图 图1 1 围护结构示意图 由于基坑工程的复杂性和多变性，在具体的工程中往往会根据实际情况采用多 种支护结构型式联合应用的方法来做到安全性和经济性的平衡。 1 2 土钉墙技术及其发展研究现状 1 2 1 土钉墙的概念 二t 钉墙结构是7 0 年代发展起来的用于土体开挖和稳定边坡的种新擅的挡土结 浙江大学2 0 0 6 届硕士毕业论文 构。它是由被加固土、放置于原位土体的细长金属杆件及附着于坡面的混凝土面板 所组成。土钉墙结构施工时一般先以一定的倾角成孔，然后将钢筋置入孔内，在孔 内注浆形成士钉体，随后在坡面设置钢筋网，并与土钉连接，最后在坡面喷射混凝 土，使其连成整体。土钉也可通过直接打入较粗的钢筋或型钢形成。所谓土钉墙就 是以土钉作为主要受力构件的边坡支护技术，它由密集的土钉群、被加固的原位上 体、喷射混凝士面层和必要的防水系统组成，由土钉、面板、原位土体共同工作， 形成一类似于重力式挡墙的支护体系，从而提高边坡的稳定性。土钉墙的示意图如 图1 2 所示。 土钉的设置方向与士体可能发生的主拉应变方向大体一致，通常接近水平并向 下呈不大的倾角。 图i 2 士钉墒不意图 土钉墙用于基坑或边坡土体开挖时，其施工步骤必须遵循从上到一t - - 、分步修建， 即边开挖、边支护的原则，典型做法如卜- ： ( a ) 挖有限深度，修整坡面：( b ) 在开挖面上成孔，并送入土钉( 或打入、射入土 钉) ，并以一定压力向孔内注浆：( c ) 壁面挂钢筋网、设置或焊接锚头、 次或分次喷 射混凝土至设计厚度：( d ) 继续向下开挖有限深度，重复上述步骤，宜到所需的深度。 土钉墙的施工顺序见图1 3 。 6 浙江人学2 0 0 6 届硕士毕业论文 卜开挖：2 - 钻孔、置筋、注浆：3 - 喷混凝土：4 - 下步开挖 图l 3k 钉端施f 顺序 1 2 2 土钉墙的发展 从历史上看，最早应用这种概念的重大工程实例也许可以上溯到一百多年前 ( 1 8 3 5 ) 英国建设世界上第一条水下隧道，即泰晤士河隧道的施工开挖中。为了用新 的盾构置换旧的盾构，设计人m i b r u n e l 采用土钉作为盾构工作面挡板的辅助支护 并且在以后的开挖中当遇到较弱地层时就用士钉来减轻挡板 ：的土压。这时所用的 土钉是4 英寸宽、t 2 英寸厚、8 英尺长的扁铁，丽作为面层的挡板是3 英寸厚的木板， 土钉从木挡板之间的缝中击入土中，端部用楔块固定，当时还作了抗拔试验，并且 比较了用扁铁筋和圆铁筋这二者作为土钉的效果。 现代土钉技术是从7 0 年代出现的，而且法国、德国和美国等许多国家几乎都在 同一时期内各自独立地开始了这种支护方法的研究和应用。出现这种情况井非偶然， 因为土钉技术在许多方面与隧道修建的新奥法施工类似，可看成是新奥法概念的延 伸。6 0 q ：代 初期出现的新奥法施工，将喷射混凝土技术和全长粘结注浆铺杆结合起 来并首先用于硬岩中的隧道断面开挖，使得开挖后的洞体变形很快得到稳定。另外， 土钉墙与加筋土挡墙也十分相似，而加筋土挡墙技术也是从6 0 年代初期发展起来的。 现代士钉技术应用最早是在法国。1 9 7 2 年，法国著名的承包商b o u y g u e s 当时将 新奥法隧道施工的经验推广于边坡开挖以保持边坡稳定，在法国凡尔赛附近为拓宽 一处铁路路基的边坡开挖工程中，采用了喷混凝土丽层并在土体中置入铡筋作为临 浙江大学2 0 0 5 俑硕士毕业论文 时支护，这是有着详细记载的第一个士钉工程。1 9 7 4 年，上述承包商又在法国l e s i n v a l i d e s 地铁车站工程中首次采用不注浆的击入钉，这是将上钉技术第一次用于城 区，并在邻近商层建筑和繁华街道地区开挖施工。用角钢代替钢管作为击入钉是因 为击入过程中排除障碍的性能要优于钢管。接着，士钉技术很快在法国各地得到推 广。土钉技术除用于新建工程施工外，也用于原有土体的修理和加固。法国的工程 界认为土钉墙可用小型机具，最适合城市地区施工，为了减少基坑开挖中的支护变 形，避免对邻近的建筑物或设施造成不良影响，强调上排土钉宜加长或改用预应力 锚杆，如1 9 8 5 年在一处深2 1 m 的基坑开挖临时支护中，采用角钢击入钉，上部加一排 锚杆，1 9 9 0 年在一个高速铁路隧道入口2 8 m 高的边坡支护中用l o 排长1 5 m 的注浆土钉， 上部加用二排3 0 m 长的锚杆。 开发应用土钉墙仅次于法国的是德国。1 9 7 9 年，德国在s t u t g a r t 建造了第一个 永久性土钉工程，高1 4 m 。1 9 9 2 年调查，德国当时至少已建成5 0 0 个土钉墙，所用i 钉几乎全为注桨钉，采用二次挤裂注浆的也有不少，其中也有采用先击入而后注浆 的方法，这种不需钻孔的特殊土钉带有扩大的端部。 现在土钉技术在法、德二国的应用非常广泛，已成为一种常规技术，不仅用于 基坑开挖，而且用于铁路和公路边坡的永久性挡墙。在北美，早在6 0 年代末期己经 用过土钉作为房屋基础开挖的临时支护，其深度有达1 8 m 的。在7 0 年代应用土钉的国 家还有西班牙( 1 9 7 2 年) 、巴西、匈牙利、日本等，以后在印度、新加坡、南非、澳 大利亚、新西兰等均有应用和研究土钉墙的报道。 1 9 7 9 年在巴黎召开了一次关于土体加固的圈际会议，由于信息的交流，使土钉 墙技术得到迅速发展和广泛应用，受到各国士木工程界的极大重视。1 9 9 0 年在美国 召开的挡土结构国际学术会议上，土钉墙已作为一个独立的专题与锚杆并列，成为 一个独立的土体加固学科分支。 我国在土钉墙技术方砥的应用和研究起步较晚。1 9 8 0 年太原煤矿设计研究院的 王步云，在山西晋中柳湾煤矿调度房边坡加固中，在国内首次应用土钉技术成功地 完成了黄土边坡支护工程，并对二t 钉边坡进行原位试验和分析。之后在公路和铁路 的边坡加固中，也有土钉墙的个别工程实例。近年来，国内高层建筑和基础设施的 大规模兴建，采用土钉墙的深基坑开挖项目越来越多，深基坑土钉墙己经构成了我 浙江人学2 0 0 6 届硕士毕业论文 国土体支护的一个独立的技术门类，土钉墙己开始走向科学化、规范化的轨道。 l2 3 土钉墙的应用范围 土钉墙的应用范围甚广，丰要有： 1 ) 作为土体开挖的临时支护，用于离层建筑、地下结构等深基坑开挖，土坡开 挖等。 2 ) 作为永久性挡土结构，一般与施工开挖时的临时支护柏结合，如隧道洞门的 j 二端挡墙和洞口两侧挡墙，路堑路堤的| 二坡挡墙、桥台挡墙等。 3 ) 现有挡土墙的修理加固和各类临时支护发牛失稳时的抢险加固。 4 ) 边坡加固。 1 2 4 土钉墙的优点与局限性 与其它的挡土技术或支护类型相比，土钉技术具有许多独特的优点： 1 ) 材料用量和工程量少，施工速度快。土钉墙的土方开挖量和混凝。 ：工程量较 少，全部土钉连同面层钢筋网的用钢量也甚为有限，材料用量远低于桩支护和连续 墙支护。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复杂的技术和大型机 械设施，施j e 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范围较广。土钉墙特别适合于有一定粘性的砂土、粉土 和硬塑与干硬粘土。但即使有局部的软塑土层，在采取一定的措旌后也有可能采用 土钉墙。当场地同时存在土层和不同风化的岩体时，应用土钉墙特别有利。 4 ) 结构轻巧，柔性大，有很好的延性。士钉墙自重小，不需作专门的基础结构， 并且有非常良好的抗地震及抗车辆振动的能力。土钉墙即使破坏，一般也不至于发 生彻底倒塌，并在破坏前有一个变形发展过程。 5 ) 施工所需的场地较小，能紧贴己有建筑物进行基坑开挖，这是桩、墙等其他 支护难以做到的。在广州地铁折返段深基坑开挖中，由于地面场地受限，土钉蠕埔 面甚至做成向里倾斜。 6 ) 安全可靠。土钉墙施工采用边挖边支护，安全程度较高：由于上钉数量众多并 浙江大学2 0 0 6 脯硕士毕业论文 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，万一出现不利情况，也能及时采取措施加固， 避免出现大的事故。土钉墙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 ) 工程造价低，经济效益良好。根据欧洲的经验，对开挖深度在l o m 内的基坑， 土钉墙可比一般的背拉锚杆支护节约总造价1 0 一3 0 。法国应用土钉墙比别的支护 方法可节省1 3 1 2 。美国修建的第一个土钉工程表明可节约总造价3 0 ，而工时则 为通常支护的5 0 7 0 。国内统计姿料表明，土钉墙可比排桩法、钢板桩节省投资 2 5 4 0 ，比灌注桩约可节约造价t 3 2 3 。 二l e 墙也有其缺点和局限性，主要是： 1 ) 现场需有允许设置土钉的地下空间，如为永久性土钉，更需长期占用这螋地 下空间。当基坑附近有地下管；线或建筑物基础时，则在旌工时有相互干扰的可能。 2 ) 土钉墙对施工场地土层性质的的依赖性较大，一般而言，适宜采用士钉墙的 土层为有一定胶结能力和密实程度的砂土、粉土和砾石土、索填土及坚硬或硬塑粘 性土等，在松散砂土、软塑、流塑粘性土以及有丰富地下水源的情况f 不能单独使 用土钉墙，尤其在饱和粘性土及软土中设置土钉墙更需特别谨慎，土钉在这些土中 的抗拔力低，需要有很长很密的土钉，软土的徐变还可能使支护位移量疆著增加。 在国外，不建议在软土中设置土钉墙。 3 ) 土钉墙如果作为永久性结构，需要专门考虑锈蚀等耐久性问题。 1 2 5 复合土钉墙技术 针对上述土钉墙的缺点，为了扩大土钉墙使用范围，我国在发展土钉墙技术上， 取得了一些独特的成就，并逐渐形成了“复合士钉墙技术”。复合土钉墙是在土钉 墙基础上发展起来的、用于基坑支护或提高边坡稳定性的种新技术。该技术突破 了钉墙不能应用的禁区，同时继承了土钉墙的许多优点。复合土钉墙是指基坑支 护中，除采用土钉作为主要加固体外，还采用其它地摹处理技术作为辅助于段与之 联合，并协同工作。复合土钉墙主要是针对软土、流砂、强膨胀土、厚杂填土、厚 浙江大学2 | 1 0 6 届硕士毕业论文 砾石层等不良地质提出的，采用超前支护措施来解决土体的自稳性、隔水性以及喷 射面层与上体的粘结等问题，以水平向压密注浆和二次压力灌浆解决土体加固及j ： 钉抗拔力问题，以相对较大的插入深度解决坑底的隆起、管涌和渗流等问题，构成 由防渗帷幕、超前支护及土钉等构件组成的复合型士钉墙。通过对土钉墙结构中的 部分构件进行改进或在土钉墙的基础上添加辅助构件，使土钉墙结构能够在更为广 泛的地层中使用。 复合土钉墙在工程中的利用丰要表现在下列几个方面“”“： ( a ) 为了防止地下水位降低，日i 起建筑物及道路的沉降，出现了一种止水型土钉 墙( 图1 4 a ) ，这种土钉墙施工前先做止水帷幕，然后分层开挖施工土钉和喷射混凝土 面层。止水帷幕常采用相瓦搭接的单排或双排深层搅拌桩、高压悬喷( 摆喷) 桩和控 制压力注浆技术。这样就使土钉墙在不做降水的情况下得到应用。 ( b ) 对于难于成孔的砂层和软土地层，开发了一种打入注浆式土钉，解决了难j 二 成孔这一难题。打入注浆式土钉就是将4 8 - - 6 0 m m 的钢管利用专用的设备直接打入二t 中，在钢管上按一定规律布置直径5 m m 的钻孔，并焊接小角钢倒刺予以保护，在将带 有倒刺的钢管打入土中后，高压注浆，高压浆液通过钢管上钻的小孔渗入管体外：l ： 体中，从而形成土钉。这种土钉的特点是施工速度快，适用范围广，尤其是对于粉 细砂层、松散回填土、软弱土层等难以成孔的土层，更显示出其优越性。 ( c ) 为了限制土钉墙的位移，开发了士钉墙与预应力锚杆联合使用的技术( 图1 4 b ) ，即对于变形要求严格的工程在土钉墙中上部设置l 2 排预应力锚杆，对土钉 墙施加初始背抟力，这样大大减少了土钉墙的位移，满足了不同工程的需要。 ( d ) 对于开挖土层较差，自稳时间短，来不及按常规步骤进行本层支护时，开发 了多种超前加固技术( 图1 4c ) 。常采用的超前加固技术有下列几种： 超前微型桩加固。包括钢管桩和混凝土树根桩，钢铃桩采用直径4 8 1 5 0 m m 的 无缝钢管或焊接钢管，间距0 5 - 1 o m ，桩端宜深入基坑底部l 3 m ，钢管桩通过钢筋嘲 和加强筋与之焊接连成整体。树根桩即为小直径钻孔灌注桩，直径1 0 0 2 5 0 m m ，问 距0 5 - 1 o r n ，桩端深入基坑底部宜l 3 m ，利用加强钢筋和喷射混凝将其连接成整 体。 超前注浆加固。沿开挖面竖向钻孔注浆，利用水泥浆渗透固结上层，使开挖 浙江火学2 0 0 6 届硕士毕业论文 工作面具有临时的自稳能力，以便施工。 超前土钉加固。即沿开挖面施工竖向土钉，其长度不宜小于该层开挖深度的 两倍，间距易取3 0 0 5 0 0 r a m ，超前土钉的上部应与已完成的支护连成一体。 其他超前加固的措施。有打入角钢、糟钢、螺纹钢筋、预制混凝土杆件、木 桩、竹桩等，目的均是为了保证开挖坡面的临时自稳能力，以便有足够的时间施作 土钉墙，一旦土钉墙形成，其安全性即大大提高。 全 、 ( a ) 【 ：水跫土钉墙( b ) - 钉与预应力锚杆联合支护( c ) 超前微型桩十钥端 卜十钉2 一挂嘲喷射混凝十层3 一l ：水雌幕4 一预应力锚杆5 一器种微型桩 图1 4 复合土钉类型 利用上述复合土钉墙新技术对于超深基坑( 深度大于1 2 m ) 、高难度摹坑( 坑边很 近有建筑物或构筑物) 和软土基坑( 淤泥质土) 进行了有益的尝试，取得了初步的经 验，但也存在不少失败的侧了。 1 2 5 1 复合土钉墙的应用前景 对地下空间的迫切需要，使得复合士钉墙有着广泛的应用空间，特别是复合一卜 钉墙概念、设计方法的建立和完善，在未来的几年里，复合土钉墙应用将有以下特 点： ( 1 ) 土层的适用范围更宽： 复合土钉墙突破了现有有关规定的应用祭区，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。随着对复合土钉墙设计 方法的不断深入，复合土钉墙会应用到更多的不良地质中。 ( 2 ) 应用地区更广： 目前，复合土钉墙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 浙江大学2 0 0 6 脯硕士毕业论文 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。复合土钥会作为一种成熟的技术应用到更广泛的地 域中 ( 3 ) 应用领域更大： 复合土钉墙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应用。 1 2 5 2 复合土钉墙研究现状 迄今为止，国内外学者对深基坑土钉墙进行了广泛的研究，做了大量的工作， 取得了不少研究成果。 在模型试验研究上，国外的有德国的原形试验、法国的c e b t p 原形试验：国内的 有原煤炭部太原设计研究院的模型试验、武汉水利电力大学的模型试验，同济大学 的模型试验、浙江大学的离心模型试验、总参工程兵科研三所相似模型试验。 同济大学通过复合土钉墙挡墙试验研究，得出复合型士钉墙与一般土钉墙在边 壁侧移形状和支护面后边的地表沉降都有不同形式，并根据复合土钉墙的变形、受 力机理研究，以及可能产生的破坏状况，提出复合土钉墙设计可咀分成网个方面进 行在每个方面的设计中，给出了相应的经验数据和计算公式，但没有考虑土钉与水 泥土搅拌桩的协调工作。 总参工程兵科研三所与清华大学土术工程系联合进行的土钉墙弹论设计 二 法应用研究中，着重分析了水的影响及复合土钉墙的内部稳定性计算问题原冶金部 新型复合土钉墙技术的研究。该研究的稳定性分析中，将水泥土搅拌桩等超前支挡 结构的抗剪强度计入到抗滑因素中，如果有预应力锚杆，将锚杆归并到土钉的抗滑 力矩中，并取较大的经验系数，而土钉的经验系数取小值。 在有限元数值模拟计算研究上，清华大学土木系采用土工有限元软件p l a x l s 分 析土钉与水泥搅拌桩联合的复合土钉墙的工作性能，并讨论了卸载条件下土体变形 模式、模型参数选用及开挖过程模拟等有限元分析中应注意的问题。 解放军理工大学工程兵工程学院采用非线性平面应变有限元方法对软弱十层中 复合土钉墙的变形性能进行分析，模拟分步开挖与支护的施工过程，得到支护体系 浙江大学2 0 0 6 膈硕士毕业论文 的变形发展规律 中国地质大学工程学院采用杆系有限单元法，结合土钉墙的旋工动态分析，来 求解施工超前桩墙的复合土钉墙结构的水平位移，考虑较密土钉的作用，对丰动二1 ： 压力进行折减，对施工全过程中钢管受力和变形进行了分析 钟正雄、李象范利用有限元方法对复合土钉作用机理进行了研究( 1 9 9 9 ) ：宋二： 祥等讨论了复合土钉的有限元分析方法，丰要是卸载条件f 土体变形模式，模型参 数的选用以及开挖过程的模拟等，并通过计算分析了水泥搅拌桩与土钉联合形式的 复合：t 钉墙的工作性能，并对其设计提出初步看法( 2 0 0 1 ) 。土钉及复合土钉墙的有 限元分析模型及模型参数取值进行了较深入的讨论。宋二祥、邱弱通过计算探讨了 预应力锚杆土钉、超前微桩土钉两种复合土钉墙的变形特性，并就其设计计算方法 提出建议( 2 0 0 1 ) 。“。“。杨志明、姚爱国采用杆系有限单元法对坑外侧丰动土压 力考虑折减计算讨论了复合土钉的位移计算( 2 0 0 2 ) 。杨茜、张明聚进行了复合土钉 的模型试验，认为：复合土钉墙能够充分调动周围土体共同作用，有效地控制基坑 变形：复合土钉墙中止水帷幕的插入深度和强度对控制边坡变形与失稳有较大作用； 复合土钉墙效果明显优于一般的土钉墙( 2 0 0 4 ) ”。 郑志辉、贺若兰对杂填土内土钉的受力特点及边坡的位移特性进行了现场试验 研究，首次测得并分析了杂填土中土钉的双弓形应变分布形态，测得并分析了土钉 临界锚固长度( 2 0 0 5 ) 。朱家平对影响复合土钉墙体系变形的主要因素进行探讨，总 结复合土钉在软弱土层的变形性状( 2 0 0 5 ) “。 综上所述，复合土钉墒的研究现状、成果及发展趋势有如下特点。 l 研究表明复台土钉墙与一般钉墙有着不同的工作机理，不同型式的复合二l 。 钉墙的工作机理也有一定的差异，工程应用中要注意复合土钉墙各种型式的特点。 2 对软弱土层复合土钉墙整体变形模式有较为明确的认识，即由于复合钉墙 中土钉与其它支护构件相联合，支护结构的刚性增加，所以其变形形态与。般土钉 墙不同，水平变形沿基坑深度呈弓形分布，地表沉降沿支护面后的距离呈凹曲线形 分布。 3 对不同构件在极限状态下破坏模式的概念较为明确，但缺乏具体计算模式和 方法。如对于土钉与微型钢管桩或搅拌桩联合支护的型式，在滑动商上_ j 体利钢管 浙江大学2 0 0 6 桶硕士毕业论文 桩或搅拌桩不可能同时达到抗剪强度的极限状态。由于钢管桩或搅拌桩的强度较高， 其极限抗力不是桩的抗剪能力所控制，而是桩身周围土的挤压强度控制。因此，存 研究复合土钉墙的极限平衡方法时，不能简单地假设在滑动面上复台土钉墙体系的 构件同时达到极限状态，应考虑多种型式的破坏形态。 4 虽然对复合土钉墙设计分析方法进行了一。些研究，为这项技术的应用提供了 一定理论基础，但目前对复合土钉墙的受力情况的认识还不十分清楚，缺乏必要的 设计分析方法，没有形成较完整的理论体系。由于复合土钉墙的型式各异，不可能 采用一个统一的模式进行分析，应针对不同型式建立不同的分析方法。 5 虽然对复合土钉墙进行了些试验或现场测试，但测试内容不够全面，试验 数据不够丰富，规律性较强的试验结果不多。现场测试是复合土钥+ 墙研究的有效于 段，也是保证施工安全的重要措施，应予足够重视。 复合土钉墙就象其