（地质工程专业论文）深基坑土钉支护试验研究及其数值模拟.pdf

摘要 摘要 土钉支护是近年来在国外发展起来的一种用于土体开挖、维持基坑稳定的新 型挡土结构，我国自九十年代引进以来，现在己得到了广泛应用，但是当基坑底 部存在砂层时，其工作性能和土层均匀的基坑有很大不同。 本文对土钉支护的支护机理、工作性能和稳定性分析计算做了较全面的论述。 以一个具有代表性基坑土钉支护工程为实例，对土钉拉力进行应力应变现场测试， 分析了土钉拉力的分布规律。在此基础上采用f l a c 软件模拟探讨了不同地质条 件基坑稳定性问题，取得以下主要认识： 1 土钉应力应变的现场试验测试结果表明，土钉的拉力与其所处的位置和基 坑边坡潜在的滑动趋势有关，土钉在基坑的中部受拉力最大，上、下部受力较小。 潜在滑动面处土钉拉力最大，出现在距离面层2 0 m 处，通过土钉最大拉力作用点 的位置，初步确定了滑动面的位置。 2 在研究传统的主动土压力和实测现场土压力的基础上，建立了土钉支护中 间大、上下小的四边形分布的侧向土压力的计算模型。该计算模型更准确地描述 了石家庄地区土钉支护的侧向土压力的分布，简洁实用，便于计算。 3 根据石家庄地区常见的场地工程地质条件，建立了一种较为适合本地区特 点的滑动面和土压力模型。在此模型基础上，对土钉支护结构提出了一种基于极 限平衡原理的内部稳定性分析方法，该方法适用于基坑下部存在砂层的工程情况。 4 根据实测资料和f l a c 2 d 计算结果的分析表明，相对于土质均匀的基坑， 石家庄地区底部存在砂层的典型基坑土体最大水平位移约增大1 0 0 e m 左右，剪切 塑性屈服区发展得范围更大，坡脚的最大剪切力增大幅度达5 0 。相比于底部无 砂层的基坑，本地区底部存在砂层的基坑稳定性更差。 图【7 0 】表【2 0 】参考文献【5 6 】 关键词：石家庄地区；滑动面；土压力；稳定性；现场测试；土钉拉力 分类号：t u 4 7 6 9 安徽理工人学硕士学位论文 a b s t r a c t s o i ln a i l i n gi sal l e wt e c h n o l o g ya n dr e t a i n i n gs t t l l c t u r ed e v e l o p e df r o ma b r o a di n r e c e n ty e a r s ，t ob eu s e di ne x c a v a t i o no fs o i l ，s t a b i l i t yo f d e e pe x c a v a t i o n t h em e t h o d h a db e e nw i d e l yu s e di nn i n t i e sa f t e rt h et e c h i q u ei n t r o d u c e d b u t , i ti sv e r yd i f f e r e n t f r o mo t h e ru n i f o r ms o i la tw o r k i n gp e r f o r m a n c ew h e nt h e r ee x i s t ss a n dl a y e ra tt h e b o t t o mo ff o u n d a t i o np i t t h i s p a p e rc o m p r e h e n s i v e l y d i s c u s s e s s u p p o r tm e c h a n i s m ，w o r k i n g p e r f o r m a n c e ，a n ds t a b i l i t ya n a l y s i so fs o i ln a i l i n g t a k eat y p i c a lf o u n d a t i o np i t e n g i n e e r i n go fs o i ln a i l i n gf o re x a m p l e ，a n a l y s e dt h ed i s t r i b u t i o n l a w so fd e 印 e x c a v a t i o ns o i ln a i l st e n s i l ef o r c e sa n dt h es l i ps u r f a c et h r o u g ht h ef i e l dt e s to fs t r e s s a n ds t r a i n b a s e do na l lt h ea n a l y s i sa b o v e ，w ed i s c u s st h es t a b i l i t yo fd e e pe x c a v a t i o n o nd i f f e r e n tg e o l o g i cc o n d i t i o n sb yf l a c 2 ds o f t w a r e m a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h et e n s i o no fs o i ln a i l i n gi sr e l a t e dw i t l li t sp o s i t i o na n dt h ep o t e n t i a ls l i d i n g s u r f a c eo fd e 印e x c a v a t i o n t h et e n s i o ni st h e b i g g e s t i nt h em i d d l eo ft h e e x c a v a t i o n , s m a l lo nt h et o pa n da tt h eb o t t o m t h eb i g g e s tt e n s i o ni sa tt h ep o t e n t i a l s l i d i n gs u r f a c e ，w h o s ed i s t a n c ei sa b o u tt w om e t e r st os u r f a c ec o u r s e t h es l i d i n gs u r f a c e i sf i x e di n i t i a l l yt h r o u g ht h ep o s i t i o no ft h eb i g g e s tt e n s i o n 2 o nt h eb a s i so ft r a d i t i o n a la c t i v ee a r t hp r e s s u r em e t h o da n de x p i r i c a le a r t h p r e s s u r em e t h o d , a n dc a l c u l a t i n gm o d e lo ft h el a t e r a le a r t hp r e s s u r ew h i c hi sat e t r a g o n 、析t l lt h el a r g e s tv a l u ei nt h ec e n t e rs i d ei sa d d r e s s e d t h i sn e wm o d e lp r e s e n t st h e d i s t r i b u t i o no fl a t e r a le a r t hp r e s s u r eo fs o i ln a i l i n gm o r ea c c u r a t e l ya n d c o n c i s e l y 3 a c c o r d i n g t ot h en o r m a l g e o l o g i c a l c o n d i t i o n so ff o u n d a t i o n p i t s i n s h i j i a z h u a n ga r e a , t h i sp a p e rc h o o s e so n ek i n do fs l i ps u r f a c e sa n dt h el a t e r a le a r t h p r e s s u r em o d e l ，s u i t a b l ef o rt h es o i ls t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c si nt h i sa l - e a ap r e d i g e s t e d m e t h o db a s e do nt h el i m i te q u i l i b r i u mm e t h o di sa l s op r e s e n t e di nt h i sp a p e r , w h i c hi s s u i t a b l ef o rs 岣i a z h u a n ga r e a t h em e t h o dc a nb eu s e dt ot h ee n g i n e e r i n g st h a te x i s t s s a n dl a y e ra tt h eb o t t o mo ff o u n d a t i o np i t 4 b a s e do nt h ed a t ao ft h ef i e l dm e a s u r e m e n t sa n dt h ec a l c u l a t i o n sr e s u l t so f n u m e r i c a la n a l y s i sw i t hf l a c 2 d ( f a s tl a g r a n g i a na n a l y s i so fc o n t i n u a i n ) p r o g r a m t h e b i g g e s th o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n to ft h et y p i c a lf o u n d a t i o np i tt h a te x i t ss a n dl a y e ra tt h e b o t t o mi st e nc e n t i m e sm o r ec o m p a r e 、 ，i t ho t h e rc o m m o ns o i l s h e a rp l a s t i cy i e l da r e ai s n - 摘要 m u c hl a r g e r m a x i m u ms h e a rt e n s i o na tt h eb o t t o mo ft y p i c a lf o u n d a t i o np i ti n c r e a s e d f m yp e r c e n t t h e r e f o r e ，t h es t a b i l i t yo fd e e pe x c a v a t i o ni sw o i t h i sp a p e rh a sg i v e n s o m eb e n e f i c i a la d v i e e so nd e s i g na n dw o r k t a k i n gs l o p et o es e r i o u s l ya n dr e f i n e d m o n i t o r i n g ，o v c r c x c a v a t i o np r o h i b i t e d , b r a c i n gi nt i m ei np r o c e s so f e x c a v a t i o n f i g u r e 【7 0 】t a b l e 【2 0 】r e f e r e n c e 【5 6 】 k e y w o r d s ：s h i j i a z h u a n ga r e a , s l i ps u r f a c e ，s o i lp r e s s u r e ，s t a b i l i t y , f i e l dt e s t ，s o i ln a i l t e n s i l ef o r c e c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t u 4 7 6 9 - i l i 独创性声明 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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 以外，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 为获得塞徽堡王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者躲壁生嗍季锥月! 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞盘堡三太堂有保留、使用学位论文的规定，印：研究生在校攻 读学位期间论文工作的知识产权单位属于塞筮堡王太堂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磁盘j 允许论文被查阅和借阅本人授权 安徽理工大学可 以将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、汇编学位论文( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：石沐争 签字日期：步年月，7 日 l 绪论 1 绪论 1 1 研究目的及意义 自2 0 世纪9 0 年代以来，随着我国国民经济的高速发展，城市人口日益膨胀， 城市建设规模越来越大，高、重、深、大建筑物日益增多。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 原来的一般5 m 左右发展到目前的2 0 m 之多，随着基坑越挖越深，工程地质条件 也越来越差，基坑四周已建或在建高大建筑物密集或紧靠重要市政公路及设施， 还有施工工期紧，基坑工程成功率低等特点。深基坑支护问题已经成为我国岩土 工程界的热点和难点l m 】。 土钉支护技术用于基坑支护在我国得到了迅速推广和应用。在基坑开挖中， 土钉支护已经成为桩、墙、撑、锚支护之后又一较为成熟的支护技术。 土钉支护技术对地层的依赖性很大，通常只适用于地下水位较低、自立性较 好的地层中应用。基坑土钉支护设计技术规程 6 1 规定：土钉支护适用于有一定 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，主要原因是土钉支护施工为分层开挖、分层支护，使得坑壁土体 短时间内处于无支护状态，要求土体有一定的自身强度保持其直立稳定状态，故 土钉支护不用于含水丰富的砂层和淤泥质土层，尤其不能用于没有自稳能力的淤 泥等饱和软弱土层。 石家庄市地处我国华北地区，市内地层以黄土状粉质粘土、粉土层为主，局 部含中细砂、砂卵砾石层，而且市区地下水位大部分都在地表3 0 m 以下，这种地 质条件使得在深基坑支护工程中适宜采用土钉支护，目前在石家庄地区数十个深 基坑支护中得到应用，支护效果良好，已成为石家庄地区基坑工程设计人员首选 的支护方案。 但是石家庄地区地表以下在7 2 9 5 m 范围内会出现砂层，砂层厚度从1 5 5 o m 不等，而一般高层建筑基坑的开挖深度一般是在8 1 2 m 之间，砂层一般位于基坑 的下部，极易在坡脚出现剪切破坏，对于基坑的稳定很不利。土钉支护失败的事 故还是经常发生，许多设计问题、稳定性分析问题尚存在不少争议，很多涉及土 钉支护工作机理和破坏机理的问题也迫切需要进一步的研究和解答。 本地区土钉支护存在的问题主要： 1 土钉支护理论尚不完善，还不够深入。对复杂地质条件下土钉支护工作性 安徽理工大学硕士学位论文 能、支护结构的内力和变形的研究仍处于初步阶段： 2 大规模的试验研究非常少，现场全面准确的实测资料也很有限，缺少定量 描述的结果； 3 土钉支护设计方法不适用，设计人员不顾当地实际的工程地质条件直接套 用国家规程，造成浪费或存在安全隐患。 本论文拟通过石家庄市美城国际大厦深基坑土钉支护工程中土钉应力应变的 现场试验和数值模拟，研究土钉拉力分布规律，分析土钉对深基坑的支护作用， 依据现场试验研究成果，使土钉支护设计所选的各个参数更具合理性、可行性， 从而完善土钉支护的设计理论，优化土钉支护设计，充分发挥土钉支护在深基坑 围护中的优点，改变目前按规程进行盲目设计的现状，更好的为工程实践服务。 1 2 国内外研究现状与水平 目前深基坑工程的支护方法较多，其分类方法也较多。按结构受力特点来划 分，可将基坑支护类型划分为三类：被动受力支护结构：支护结构依靠自身的 结构刚度和强度被动地承受着土压力，限制土坡的变形，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，如人工挖孔桩、机械钻孔桩、 钢板桩、钢管桩、支撑围护结构、地下连续墙的支护技术；主动受力支护结构： 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、树根桩技术和近年来在软土 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；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。按支 护结构型式主要可以分为下述几类：放坡开挖；悬臂式支护结构；重力式 支护结构；内撑式支护结构；拉锚式支护结构；土钉支护结构；其它型 式支护结构主要有门架式支护结构、拱式组合支护结构、沉井支护结构、加筋水 泥土墙支护结构、冻结法支护等。 土钉支护是近年发展起来用于土体开挖和边坡稳定的一种新型挡土结构，它 由被加固土、放置于原位土体中外裹水泥砂浆的细长金属杆件及附于坡面的混凝 土面板组成，当土体发生变形时，依靠土体与土钉之间接触面上的粘结力，使土 钉被动受拉，主要通过土钉的受拉和面板的约束作用使复合土体的自稳能力和整 体刚度提高，从而达到制约边坡土体变形、提高边坡整体稳定性的效果。 工程实践中，土钉支护用于基坑支护具有下列优点：材料用量和工程量少， 施工速度快；施工设备轻便，操作方法简单；对场地土层的适应性强：结 i 绪论 构轻巧，柔性大，有良好抗震性和延性；施工所需的场地较小；安全可靠； 工程造价低、经济。 土钉支护作为土体开挖和边坡稳定的一种新的挡土技术，由于其经济、可靠 且施工快速简便，已在我国得到迅速推广和应用。 最早应用土钉支护概念的重大工程实例可上溯到在1 8 3 5 年英国伦敦泰晤士河 水下隧道的施工开挖，该工程是通过4 英寸宽、1 2 英寸厚、8 英尺长的扁铁击入 土体来为隧道开挖作支护，面层是3 英寸厚的木板，端部用楔块固定1 7 1 。加拿大、 法国、德国和美国是最早开始应用土钉技术、并对土钉技术进行系统研究的国家。 在7 0 年代应用土钉的国家还有西班牙、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支护的报道。 相对国外而言，我国的土钉支护技术起步稍晚，但发展的速度是十分惊人的。 应用土钉支护的首例工程是1 9 8 0 年用于山西柳湾煤矿的边坡支护工程。自9 0 年 代以后，国内高层建筑和基础设施建设的大规模兴起，使土钉支护开挖项目越来 越多，土钉支护的规模和支护基坑深度也在不断扩大。以北京为例，1 9 9 8 年就已 经出现了将纯土钉支护技术应用于1 7 m 直立开挖深基坑支护的工程实例。从国内 建设规模看，估计目前我国基坑土钉支护的应用数量已跃居世界第一。除某些不 良地层，如软土和降水量过大的地区外，只要存在允许设置土钉的地下空间，土 钉支护往往成为基坑工程的首选方案。随着土钉支护技术在国内各地基坑工程、 边坡治理工程中的广泛应用，在工法、设计、材料、构造、施工工艺上，都得到 了蓬勃发展，各地的工程师也都积累了丰富的工程经验。 在应用土钉支护技术过程中，为了减少基坑产生的地面变形，可将土钉支护 上部的土钉改用预应力锚杆，如1 9 8 5 年，法国在一处深基坑开挖临时支护中，采 用角钢作为击入土钉，上部加一排锚杆；1 9 9 0 年，法国又在一个高速铁路隧道入 口高边坡支护中采用土钉与锚杆联合应用。1 9 9 3 年在广州0 6 5 工程抢险加固中， 基坑深1 8 m ，从上至下土层分别为人工填土层、淤泥质亚粘土、粘土层、亚粘土 层，总厚度约5 m ，再往下是白垩系红色岩层，支护方案是在土层做了三排土钉， 岩层做了五排锚索。 土钉支护技术的广泛应用，促进了对其作用机理、设计方法、稳定性分析等 方面的研究工作，研究内容包括理论分析、试验或现场测试研究和数值模拟分析， 取得了一些有意义的成果。主要表现在以下几方面： 安徽理工大学硕士学位论文 1 2 1 基坑稳定性分析 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 稳定性分析最为广泛的方法之一。许多国家对其进行了大量的研究。由于有不同 的安全系数定义、不同的滑动面形状假定、不同的钉土相互作用类型和土钉内力 分布的假定，国外发展了许多种与其相应的试验成果一致的方法。国外工程中应 用较多的并具有代表性的有以下几种： 1 s t o c k e r 等( 1 9 7 9 ) 提出的德国方法m 】。其假定滑移面为双直线形，并且通过 坡脚，土的抗剪强度由莫尔库仑准则确定，进行力的极限平衡整体稳定分析， 仅考虑土钉的抗拉作用； 2 沈智刚等( 1 9 8 1 ) 提出的d a v i s 法以及经过j u r a n 等( 1 9 8 8 ) 改进的d a v i s 法 9 1 。 其假定滑移面为过坡脚的抛物线形，仅考虑土钉的抗拉作用。d a v i s 法及改进的 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； 3 s e h l o s s e r ( 1 9 8 3 ) 提出的法国方法【1 0 1 。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、抗剪和抗弯作用来进行力矩 极限平衡整体稳定分析； 4 j u _ r a l l 等( 1 9 9 0 ) 提出的机动法或运动法【1 。其假定滑移面为对数螺旋线，结 合模型试验中观测的机动许可位移( 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，而且认为土钉支护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验算。 近年来，随着土钉支护技术在国内支护工程中的广泛应用，我国学者和工程 技术人员对土钉支护结构的稳定性也做了大量研究，并提出了适合我国地质情况 土钉支护的分析方法。如冶金工业部建筑研究总院程良奎、杨志银1 1 2 j 提出的方法， 假定滑移面为圆弧形，将土钉力简化为土钉与滑移面交点处的拉力，通过力矩平 衡求解最危险滑移面。张明聚、宋二祥、陈肇元【1 3 】等提出的与瑞典条分法( 或修正 条分法) 类似的计算方法，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、拉断强度条件决定。王宝安、史维汾、王国俊【1 4 】提出的条分法结合复形调 优法的方法，滑移面假定为圆弧形，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滑移面作为临 界滑面来进行稳定分析。罗晓辉等【1 5 1 提出的可靠性分析方法，在条分法的基础上， 采用s a r m a 提出的扰动力概念，建立考虑土条间作用力影响的极限状态方程，并 结合可靠性理论，来分析影响土钉支护结构稳定的各随机变量的变异性，以及安 1 绪论 全系数与可靠度问的相互关系。 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，具有一 定的参考价值，在实际工程中起着一定的指导作用，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，其它方法则不能给出各土条对土钉施加的拉力大小，就机动法而言也仅考 虑水平方向的平衡，未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，因此有一定使用范围和局限性。如s t o c k e r 等提出的德国方法，其双 直线滑动面形状是在地面有较大超载的情况下进行的试验而作出的假定，由此方 法确定的滑动面部分延伸到土钉加固区之外，所以，这种方法较适用于非粘性土 在有限范围内受较大地面超载的情况。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 法和s t o c k e r 法对土体的状态，如分层、孔隙水压力的考虑都具有一定的局限性， 如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。 1 2 2 土钉支护的现场试验和监测 岩土工程是实践性很强的学科，现场试验和工程数据对于研究工作具有重大 意义。以法国、英国、德国和美国为代表的很多发达国家都斥巨资开展试验和实 测的研究，包括现场工程实测，土钉支护模型的室内离心机试验、大型抗剪试验 等，得到了直接的经验和可靠的结论。国内的一些工程科研单位也投入了大量的 研究工作，如：冶金部建筑研究总院、总参科研三所等科研机构，以及部分的高 校，如清华大学土木水利学院、同济大学等。目前，国内根据已有研究成果，出 版了与土钉支护有关的规范、手册和专著【幡1 9 1 。 最早对土钉进行系统研究的是德国：1 9 7 5 年，承包商k a r lb a u e r 与k a r l s r u k h e 大学联合开始进行了七个大型足尺试验，为期四年，在砂土中进行了上百次抗拔 试验，研究了土钉内力、面层土压力、支护变形以及土钉长度、间距等参数对支 护稳定性的影响。德国于1 9 7 9 年首先在s t u t t g a r t 建造了第一个永久性土钉支护工 程，高1 4 m ，并进行了长达1 0 年的连续测量，获得了宝贵的数据【2 们。 法国于1 9 8 6 年在国家建筑与公共工程测试中心进行了三个大型土钉支护试 验：土体用级配均匀每隔2 0 c m 厚夯实堆积而成的中密砂，高6 - 7 m ，研究土钉抗 安徽理 大学硕士学位论文 拉强度、超挖对支护稳定性的影响及土钉粘结长度的影响等【2 1 1 。法国还对六个现 场工程详细量测，在研究基础上提出了设计旌工建议陋】。 美国1 9 8 1 年加州大学d a v i s 分校内的现场试验：现场土主要为砂质粉土和粉 质粘土，基坑挖深9 1 m ，钻孔注浆钉间距1 s m ，长6 m ，测量了不同开挖深度的 地表水平位移。s r t h o m p s o n 等于1 9 8 8 年对美国西雅图一处基坑工程用测斜仪测 得了支护水平位移曲线田】，并测量了钢筋的应变，主要反映了钢筋与周围水泥砂 浆保护层之间的应力重分配现象。 b o l t o n 和s t e w a r t 在1 9 9 0 年运用离心模拟试验研究了土钉支护在超固结粘土 开挖中的应用，阐述了施工初期的短期稳定性、施工后土体膨胀以及负孔隙水压 力的消散变化情况，进行了三次试验，研究结果表明土钉支护可以应用于硬粘土 的开挖。g w e m i l l i g a n 等( 1 9 9 8 ) 研究了拉拔试验时土钉与土的相互作用基本机理， 试验和研究结果表明：刚性粗糙土钉与土之间的似摩擦系数取决于土的摩擦角、 剪胀时土体的剪胀率；得出了光滑土钉，粘结阻力小得多，在实际工程中不能应 用的结论。英国w a l e s 大学和剑桥大学也开展了室内大型直剪试验，日本在平面 加荷和离心加荷两种试验条件下分别对模型做了试验研究，新加坡也在应用土钉 支护的同时进行了大量的现场测试和研究工作。 1 2 3 土钉支护数值模拟计算 数值模拟的方法很多，其中有限元方法是用来分析不同参数变化的土工结构 性能变化规律常用的方法。传统的极限平衡分析法只能用于滑动状态的整体和局 部稳定性分析，不能提供支护过程的任何信息，如变形、受力体系各部分的内力 情况。有限单元分析法依据土体的应力应变关系来定义某一临界屈服准则，并应 用数值分析来计算边坡土体的应力和应变分布，依据结果来判断边坡的稳定性， 探讨破坏机理，模拟边坡的破坏过程，通常与土钉支护的工作特性和机理一起研 究。 在国外，沈智刚( c k s h e n ，1 9 8 1 ) 等采用有限元方法分析土钉支护体系中的一 些土工参数对土钉性能的影响【2 4 1 ，他在计算程序中采用平面应变假设，应力应变 关系采用d u n c a n c h a n g 模型，来模拟基坑开挖和土钉支护体系的建造过程，并采 用复合模式综合考虑土钉加固区土体、土钉及接触面的影响。1 9 8 5 年，c p l a m e l l e 等采用有限元方法模拟计算了土钉的最大内力和上钉支护的变形。1 9 9 6 年法国的 e u n t e r r e i n e r 、b b e r t h a m i d a 和e s c l d o s s e r 对一个足尺土钉支护构造过程进行了有 限元模拟分析，模拟计算中土体采用线弹性完全塑性模型，应用m o h r - c o u l o m b 屈 1 绪论 服准则和非关联流动法则，土钉和面板则采用弹性模型，并将模拟计算结果与现 场实测结果进行了对比分析。 在国内，宋二祥1 2 5 乏7 】采用p l a x i s 土工有限元程序对土钉支护进行了模拟计算， 通过减少土层强度系数使土钉支护达到破坏状态，从而得到土钉支护的安全系数， 该安全系数的物理意义与条分法的安全系数相近。东南大学的胡孔国和宋启根【2 明 采用带两个转动自由度的g o o d m a n 单元来模拟土钉支护与土之间的接触作用，推 导了它的刚度阵，并用弹塑性有限元法分析了土钉支护与土共同作用机。张群等 将土体离散为具有平面内旋转自由度的三角形膜，土钉离散为平面梁元，对深基 坑土钉支护做线弹性有限元分析，得出了土体和土钉的内力都获得改善的结论【冽 另外，有不少文章从不同角度对土钉支护工作性能进行分析，并给出了很多 有益的结果【3 0 0 7 l 。 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，这主要与计算模型及参数的选取有关，这就是有限元 法应用于土钉支护计算分析时存在的主要问题。 1 3 研究内容与技术路线 本课题拟以河北省石家庄市美城国际大厦深基坑支护工程为研究对象，主要 开展以下方面研究： 1 土钉支护工作性状的研究，主要包括：对土钉支护的构造和施工方法进 行分析研究；对土钉支护的作用机理和工作性能进行综合分析。 2 石家庄市美城国际大厦深基坑土钉支护工程的现场试验研究：收集分析 石家庄地区工程地质特征；进行工程现场勘察，查明场地的水文地质特性及周 边环境与地下管线；通过室内土工试验，确定主要土层的物理力学性质指标； 通过土钉应力应变的现场试验测试，确定土钉拉力的大小及其分布规律，进一 步研究土钉支护的工作性能。 3 对石家庄地区深基坑土钉支护进行稳定性分析：根据现场试验测试结果， 建立适合石家庄地区工程地质情况的潜在滑动面和侧向土压力模型，从而提供一 种适用性较强的土钉支护设计方法；提出一种合适的极限平衡分析方法进行土 钉支护内部稳定性分析： 4 不同工况条件下深基坑土钉支护结构工作性状的数值模拟研究： 结合工程实例，使用f l a c 2 d 数值模拟软件对深基坑土钉支护进行较为系统的 模拟分析，包括如下内容：不同工程地质条件下基坑开挖过程中土体应力模拟 安徽理t 大学硕士学位论文 结果分析：不同工程地质条件下基坑开挖过程中土体位移模拟结果分析；不 同工程地质条件下基坑开挖过程中土钉拉力的模拟结果分析；土钉拉力模拟计 算值与实测值进行对比。 5 石家庄地区深基坑土钉支护的优化设计原则。 论文采用的技术路线如图l 所示。 土 钉 最 大 拉 力 作 用 点 土 钉 拉 力 大 小 及 分 布 开 挖 过 程 中 土 钉 拉 力 图i 研究技术路线 f i g lt e c h n i c a lr o u t e 8 开挖过程中土体变形工开挖过程中土体位移变化规律开挖过程巾土体应力工开挖过程中土体应力变化规律 土钉轴力模拟值和实测值比较 石家庄地区侧向土压力模型石家庄地区潜在滑动面模型 1 绪论 1 4 论文工作量 从2 0 0 7 年1 2 月起，开始着手论文的准备工作，完成现场勘察、室内土工试 验和土钉应力应变现场测试。具体工作内容及工作量见表1 。 表1 工作内容及工作量表 t a b l e lw o r k i n gc o n t e n ta n dw o r k i n gq u a n t i t y 时间工作内容工作量 2 0 0 8 年7 月至 使用f l a c 软件建模，进行数值模拟计算，整理分析试验结果，撰写论文 2 0 0 9 年4 月 - 9 安徽理工人学硕士学位论文 2 1 土钉支护概述 2 1 1 土钉支护的构造 2 土钉支护的理论分析 土钉支护是近年来发展起来的一种支护技术，该方法是先以一定倾角在岩土 体中成孔，然后将钢筋置入孔内，在孔内全长注浆，钢筋与浆体形成土钉体，随 后在坡面挂钢筋网，并与土钉连接，最后在坡面上喷射混凝土。土钉体与周围的 土体紧密结合，并依靠接触界面上的粘结力或摩擦力，与周围的土体形成复合土 体，通过提高土体的力学强度及土体变形时土钉提供给土体的抗拔力达到支护目 的。 ； 土钉支护通常由三个部分组成，即土钉、面层和排水系统，土钉支护典型剖 面如图2 所示。土钉支护的构造与土体特性、支护面的坡角、支护的功能( 如临时 或永久使用) ，以及环境安全要求等因素有关。 图2 土钉支护剖面图 f i 9 2s e c t i o no fs o i ln a i l i n g 1 土钉 最常用的土钉是用钢筋与砂浆组成的钻孔注浆钉，即先在土中成孔，置入钢 筋，然后沿全长注浆填孔，这样土钉体由土钉钢筋和外裹的水泥砂浆( 有时用细石 混凝土或水泥净浆) 组成。为了保证土钉钢筋处于孔的中心位置，使周围有足够的 浆体保护层，需沿钉长每隔1 5 m 一3 o m 设置对中定位支架。土钉钢筋直径多在 1 6 r a m 3 2 r a m 之问，置于直径7 0 1 5 0 r a m 或更大直径的孔中。 土钉支护的成孔方法在很大程度上取决于被支护土体的工程特性和施工单位 的设备条件。国外在硬粘土和密实粒状土中成孔多用螺旋钻，分为实心钻杆和空 2 土钉支护的理论分析 心钻杆二种。当用空心螺旋钻时，土钉插入空心钻杆内，浆体也从钻杆内泵入， 此时的土钉无法设置对中定位支架，需用较稠的浆体防止土钉下沉。另一种钻孔 是用回转或冲击回转钻杆，孔内土体用压缩空气或水带走，钻孔时用套管或不用 套管，套管用于易塌孔的土体。应避免使用泥浆护壁，除了很难将其洗净外，护 壁泥浆还会使界面粘结力显著降低。另外在无套管的孔中用水冲洗也会降低注浆 后的界面粘结力。套管钻孔的费用高，使用较少。国内现在多用土层锚杆钻机成 孔或手工洛阳铲。 注浆钉的注浆方式也有许多种，最常用的是重力注浆，这时的钉孔需向下倾 斜1 0 0 以上。为了改善土钉与土体之间的界面粘结力，一般情况下宜用低压注浆， 此时需同时设置止浆塞和排气管。与一般的锚杆注浆技术类似，土钉也可用二次 挤裂注浆等各种增大界面粘结力的方法。对于端部做有螺纹并通过螺母、垫板与 面层相连的土钉，在注浆硬结后用扳手拧紧螺母使在钉中产生一定的预应力( 约为 土钉设计拉力的1 0 ，一般不超过2 0 ) ，为此在离孔口处应留有小段( 约3 0 c m ) 的非粘结长度，在这一长度内可用土填孔，或者预留孔隙待拧紧螺母后，再注浆 填满。 除钻孔注浆钉外，其它的土钉类型有击入钉、注浆击入钉、高压喷射注浆击 入钉、气动射击钉。 对于永久性支护，需考虑土钉的防锈和耐久性。作为永久性土钉，需采取的 措施可有： 1 ) 加大钢筋的截面。即根据现场情况，预测钢筋的锈蚀率，按照规定的使用年 限，确定可能的最大锈蚀厚度，并将其加到土钉钢筋的直径上： 2 ) 在钢筋表面上涂锌或涂环氧以增加抗锈能力。但这种方法一样需要考虑锈蚀 率并加大截面，而且这种涂层容易受碰损伤，在连接处较难处理： 3 ) 用水泥砂浆保护层。即采用一般注浆钉，保护层厚度不小于3 0 - 4 0 r a m 。由 于土钉受拉会引起砂浆保护层开裂，所以仍需考虑锈蚀，适当加大钢筋截面； 4 ) 采用封套防锈钉。在钢筋外面加塑料波纹套管，套管壁厚不小于l m m ，套管 与钢筋之间留有不小于5 m m 的间隙并注入水泥浆，而在套管与钻孔之间仍注浆封 填，这种办法最为可靠。 2 支护面层 常见的临时性土钉支护的面层通常用5 0 1 0 0 m m 厚的网喷混凝土做成，一般用 一层钢筋网，钢筋直径为6 - s m m ，网格为正方形，边长2 0 0 3 0 0 r a m 。为确保土钉 与面层的有效连接，土钉端部与面层宜采用挚板或加强钢筋通过螺丝杆端锚具或 安徽理1 ：大学硕士学位论文 焊接进行连接，见图3 。高度不大的临时性支护且无水压作用时，可将土钉伸出孔 口的一端折弯与钢筋网上的附加加强筋焊接；或者紧贴土钉钢筋侧面，沿纵向对 称焊上短段钢筋，再将后者与钢筋网上附加的加强筋焊接。上述连接处的喷混凝 土层内均宜加设局部短钢筋网以增加混凝土的局部承压强度，防止出现面层的局 部受拉破坏。非饱和土中的土钉支护面层不是主要受力部件，不需要很厚，可以 用预制混凝土板拼起来作为面层，但这种做法较为少见。 钢筋同 n 厂 土钉 心、厂一 - 一 厶 仁： 喷射混凝土面屋 一一 卜 图3 土钉与面层连接 f i 9 3j o i n to fs o i ln a i la n ds u r f a c ac o u r 如果土体的自立稳定性不良，也可以在挖土后先做喷射混凝土面层，而后再 成孔置入土钉。 对于永久性土钉支护，面层混凝土的厚度至少取1 5 0 2 5 0 m m ，设两层钢筋网， 分2 3 次喷成。为了改善建筑外观，也可在第一次网喷混凝土的基础上，现浇一层 钢筋混凝土面层或贴上一层预制钢筋混凝土板。 3 排水系统 为了防止地表水渗透对混凝土面层产生静压力和腐蚀，避免岩土体因饱和降 低其强度和土体与土钉之间的粘结力，土钉支护在一般须有完善的排水系统。一 般视具体情况采用截水、浅层排水系统及深层排水三种排水方式。 施工开挖前首先要做好地面排水，设置地面排水沟引走地表水，或设置不透 水的混凝土地面防止近处的地表水向下渗透、沿基坑边缘地面要垫高防止地表水 注入基坑内。随着向下开挖和支护，可从上到下设置浅表排水管，即用直径6 0 m m ， 长3 0 0 m m 的硬塑料管插入坡面，将面层背后的水排走，其间距和数量随水量而定。 在基坑底部应设排水沟和集水井，排水沟注意防渗漏，并宜离开面层一定距离。 在永久性支护中，可以采用深层排水系统，埋设带孔的长管( 直径5 0 8 0 m m ) ， 其长度超过土钉，向外倾斜5 0 - 1 0 0 排水，约每3 m 2 竖向面积设置一根。这些排水 管都要内填粗砂做滤料；这些排水通道在每步开挖施工喷射混凝土面层以前铺设， 到支护底部后横向连通，将水引走。 2 土钉支护的理论分析 排水系统还可起到防止可能发生的冻害的作用。 2 1 2 土钉支护的施工方法 图一困一 图4 土钉支护施工流程 f i 9 4c o n s 仃u c t i o np r o c e s so fs o i ln a i l i n g 1 开挖修坡1 3 8 。3 9 1 1 ) 根据施工方案要求，分层分段开挖修坡，每段开挖深度须符合设计要求，一 般为0 8 2 5 m ，严禁超挖。 2 ) 开挖顺序通常是先开挖基坑周边，后开挖基坑中央。 3 ) 采用挖掘机挖土时，留下距基坑设计边线一定厚度的土层，利用人工开挖、 修坡。坡角大小和坡面平整度应达到设计要求，将松动的部分十体予以清除。 4 ) 基坑一次开挖长度，应视边坡允许变形范围、自稳时间和施工流程相互衔接 情况而定。地质条件好，含水量少，施工速度快，长度可以大些，反之可以小写。 通常控制在2 0 m 以内。土钉支护分层开挖过程如图5 所示。 原地面 了广x _ 订x 预计开挖线i j 土瓤体 【a )( b )( c )【d ) 图5 土钉支护分层开挖过程 f i 9 5s t r a t i f i e de x c a v a t i o np r o c e s so fs o i ln a i l i n g 2 初喷混凝土 1 ) 喷射混凝土前，应对机械设备风、水、电管、电线进行全面检查及试运转； 清理受喷面；埋设好控制喷层厚度的标志： 2 ) 混凝土的强度等级至少为c 2 0 ，配合比通过试验确定，一般采用的配合比为： 水泥与砂石的重量之比为1 ：4 1 ：4 5 ，砂率为4 5 5 0 ，水灰比宜为0 3 3 0 4 5 ； 安徽理j 1 ：= 人学硕士学位论文 3 ) 混凝土用料称量要准确，拌合要均匀，随伴随用；不掺速凝剂时，存放时间 不应超过2 h ；掺速凝剂时，存放时间不应超过2 m i n ； 4 ) 喷混凝土应分段分片依次进行，同一段内喷射顺序应自下而上；段片之间， 层与层之间做成4 5 0 角的斜面，以便混凝土牢固凝结成整体； 5 ) 喷射混凝土时，喷头与受喷面保持垂直，并视情况保持0 8 1 2 m 的距离； 喷射手应控制好水灰比，保持喷射混凝土表面平整，湿润光泽，无干斑或滑移流 淌现象； 6 ) 喷射混凝土终凝2 h 后，应喷水养护，并在至少7 d 内始终保持表面湿润； 7 ) 基坑边坡有渗水或渗水土层时，喷射混凝土前要做排水孔。在用于排水孔的 硬塑料管的管壁上，按一定密度钻孔，然后插入孔中即可( 还可在管内充填粗砂) 。 8 ) 初喷混凝土厚度控制在5 7 c m 。 3 成孔 1 ) 按设计要求定位孔，允许误差+ 5 c m ； 2 ) 孔径允许误差+ 2