（环境工程专业论文）预应力锚杆肋梁和土钉墙复合支护结构的模拟研究.pdf

坑在自重作用下的性状。在基坑的一7 m 、一1 0 m 、一1 5 m 处测出的预应力锚杆的 最大轴力分别为4 0 5 5 k n 、8 2 0 2 4 k n 、7 0 2 0 4 k n ；相对应的模拟值为4 1 5 1 4 k n 、 7 9 0 1 8 k n 、6 8 0 4 6 k n 。基坑支护的纵横肋梁的最大弯矩实测值。纵梁2 4 1 9 k n m 、 横梁1 2 7 8 k n m ；模拟值纵粱2 5 3 6 k n m 、横梁1 4 3 5 k n - m 。测量基坑水平位移 的测斜管是从3 m 处开始测量的，测的一3 m 处的位移2 5 0 3 m m ，模拟的结果 是2 6 0 1 m m 。通过模拟数值和实际测的数据的对比，可以的出下结论，数值模 拟可以准确的计算出预应力锚杆肋粱和土钉墙复合支护基坑的受力、变形情况， 并容易发现设计中的不足和缺陷，直观的进行设计优化，达到设计的最佳效果。 本文的研究工作体现了理论研究与实际应用的有机结合，对基坑的设计方法 ， 进行了尝试性的拓展，为预应力锚杆肋梁和土钉墙复合支护结构提供了方便可行 的设计方法，并用实际测出的数据进行了验证。同时也为相关领域的研究工作提 供了借鉴。 关键词：预应力锚杆肋梁基坑有限元数值模拟变形监测优化设计 t h ef e mn u m e r i c a ls i m u i a t i o no ft h ec o m p o u n ds u p p o r t s t r u c t u r eo fp r e s t r e s sa n c h o rr o da n ds oil - h ai1w ali a b s t r a c t t h ec o m p o u n ds u p p o r ts t r u c t u r eo fp r e - s t r e s sa n c h o rr o da n ds o i l - n a i lw a l li sa r i s i n gn e ws t y l eo ff o u n d a t i o np i ts u p p o r ts t r u c t u r ec o m b i n i n gt h et w ok i n d ss u p p o r t m e t h o d s i ti se s t i m a t e do nt h ep r a c t i c eb a s e ，a n da tp r e s e n t ，t h e r ei sn od e f i n i t et h e o r y b a s ea n da p p r o p r i a t ed e s i g nm e t h o d i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a l c a s eo ff o u n d a t i o np i ts u p p o r t ，t h ef e a s i b l ed e s i g nm e t h o di sc o n c l u d e d s u n a m i n gu pt h ec u r r e n t l yp o p u l a rs u p p o r ts t m c t u r e sa n db a s i n go nt h e s e ，t h e s u p p o r ts t r u c t u r eo f p r e s t r e s sa n c h o rr o da n dr i b g i r d e ri sa n a l y z e de m p h a t i c a l l y , w i t h t h ec a l c u l a t i o nt h r o u g ha s p ，ak i n do ff i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e t h r o u g ht h ec o m p a r i n g b e t w e e nt h i sk i n do fs u p p o r ts t r u c t u r ea n dt h ec o n v e n t i o n a lo n e ss u c ha sp i l ea n c h o r a n ds o i l n a i lw a l l t h er e s u l t sa r e i nt h es r l ef o u n d a t i o np i t , w i t ht h es u p p o r to f p r e - s t r e s sa n c h o rr o d ，t h em a x i m a lp l a n ed i s p l a c e m e n to ft h ep i t i s6 4 9 m m ，t h e m a x i m a lb e n d i n gm o m e n to f2 6 1 9 k n mi so nt h ec a r l i n g ，a n dt h em a x i m a lp u l l o u t f o r c eo ft h ea n c h o rr o di s2 0 5 2 6 k n ；t h em a x i m a lb e n d i n gm o m e n to ft h es t a k e s u p p o s e db yo n l yp i l ea n c h o ri s2 0 4 2 3 k n ma n dt h ed i s p l a c e m e n te x c e p tt h es t a k e c a nn o tb ec a l c u l a t e d c o m p a r i n gw i t ht h et w os u p p o r tm a t e r i a l s ，t h es u p p o r ts t r u c t u r e o f p r e - s t r e s sa n c h o rr o da n dr i b g i r d e rc a ns a v ec o n c r e t eb y2 0 a n dr e i n f o r c i n gs t e e l b a rb y4 0 t h a nt h a to fp i l ea n c h o r c o m p a r i n gw i t ht h es u p p o r ts t r u c t u r e so f p r e s t r e s sa n c h o rr o da n dr i b g i r d e ra n do fs o i l - n a i lw a l l ，t h ef o r m e rc a na c t i v e l y c o n t r o lt h ed e f o r m a t i o na n dh a sag o o di n t e g e rp r o p e r t y ；t h el a t t e rp a s s i v e l yc o n t r o l s a n dt h em a x i m a ld i s p l a c e m e n to ft h es o i l n a i li s7 r a m ，w i t ht h ed i s p l a c e m e n to ft h e s o i lm a s ss u p p o r t e dn o tb e i n gb e e nc a l c u l a t e d t h e s es h o wt h a ta l lk i n d so fp r o p e r t i e s o ft h es u p p o r ts t r u c t u r eo fp r e - - s t r e s sa n c h o rr o da n dr i b - g i r d e ra r eb e t t e rt h a nt w o o t h e rc o n v e n t i o n a lo n e s t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h es u p p o r ts t r u c t u r eo fp r e s t r e s sa n c h o rr o da n d r i b g i r d e ro nt h ea s p e c t so ft h em e c h a n i s m ，t h ed e f o r m a t i o np r o p e r t i e sa n dt h e f u n c t i o no ft h ev e r t i c a la n dh o r i z o n t a lr i b g i r d e ri nt h es u p p o r ts t r u c t u r e ，s u f f i c i e n t l y t h i n k i n go v e rt h ep r o p e r t i e so ft h es o i l n a i lw a l ls t r u c t u r e ，o nt h eb a s eo fd a t e m a t e r i a l sf r o mp r a c t i c a lw o r k i n go nt h eg r o u n dp i ts u c ha st h eb e n d i n gm o m e m t h e a x i sf o m e ，a n dt h ed e f o r m a t i o n ，t h ed i s s e r t a t i o nt e n d st op r o v i d ea a p p r o p r i a t e dd e s i g n m e t h o d o nt h eb a s eo fw i d ek n o w l e d g ea b o u tt h ed e s i g nm e t h o d s ，t h r o u 【g hc o m p a r i n g ， t h en u m e r i c a lm e t h o di ss e l e c t e dt od e s i g nt h es u p p o r ts t r u c t u r eo fp r e s t r e s sa n c h o r r o da n dr i b - g i r d e r i no r d e rt or e s o l v et h ep r o b l e mt h ea n s y s ，ab i gs c a l ef e m s o f t w a r e ，i sa d o p t e d i nt h ep r o c e s s ，t h es o i li ss i m p l i f i e dt oi d e a le l a s t i c p l a s t i cm o d e l ； t h ec o n c r e t ea n ds t e e lb a ri sd i s p o s e da sl i n e a le l a s t i c - p l a s t i cm o d e l t h e nt h e a p p r o p r i a t e du n i tt y p e so ft h es o i l ，t h ec o n c r e t ea n ds oo na r es e l e c t e d ，t h ep r o p e r c a l c u l a t i o nm o d e li se s t i m a t e d ，a n dt h ep r a c t i c a ls i m u l a t i o nt ot h e g r o u n dp i t s u p p o r t e db yt h ec o m p o u n ds u p p o r ts t r u c t u r eo fp r e s t r e s sa n c h o rr o da n ds o i l n a i l w a l li sc a r r i e do u t t h r o u g ht h ec o m p a r i n gb e t w e e nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt h e p r a c t i c a lm e a s u r i n gd a t a ，t h ec o n c l u s i o nc a nb em a d e t h a tt h em e t h o do fn u m e r i c a l s i i n u l a t i o nc a l ld e f t n i t e l yc a l c u l a t et h es t r e s sa n dt h ed e f o r m a t i o no ft h eg r o u n dp i t ， a n de a s i l yf i n do u tt h ed e f i c i e n c yi nt h ed e s i g n , a n do p t i m i z et h ed e s i g ne f f e c t t h er e s e a r c hw o r ki nt h i sd i s s e r t a t i o ns u f f i c i e n t l ys h o w st h eo r g a n i cc o m b i n a t i o n b e t w e e nt h et h e o r ya n dt h ep r a c t i c e b e s i d e s ，t h ed e s i g nm e t h o do fg r o u n dp i ts u p p o r t h a sb e e nd e v e l o p e d ，a n dm o r e o v e r , b e e nv a l i d a t e db yt h ep r a c t i c e t h e s ea b o v ea l l p r o v i d ev a l u a b l es u g g e s t i o nf o rt h er e s e a r c hw o r ki nt h er e l a t e df i e l d s k e yw o r d s ：p r es t r e s sa n c h o rr o da n ds o i l - n a i lw a l la n dr i b - g i r d e r , g r o u n dp i t ， f e mn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，d e f o r m a t i o nm e a s u r i n g , o p t i m i z e dd e s i g n 预应力锚杆肋梁和土钉联合支护技术的模拟研究 u 月u 菁 基坑工程是一个古老而又具有时代特点的岩士工程课题，放坡开挖和简易木 桩围护可以追溯到远古时代。事实上，人类土木工程的频繁活动促进了基坑工程 的发展、特别是在2 0 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，随之出现的问题也越来越多，迫使工程技术人 员须从新的角度去审视基坑工程这一古老课题，导致许多新的经验、理论或研究 方法得以出现与成熟。 预应力锚杆肋梁和土钉墙复合支护是一种新兴的深基坑支护技术，它是在工 程实践的基础上，通过经验总结得出的基坑支护方式，已经在基坑工程中大量使 用，可是由于预应力锚杆肋梁和土钉墙复合支护是涉及土力学和结构力学、混凝 土结构的交叉学科问题，并不能用那一个方面的专业理论对其进行指导，这种基 坑支护的组合是一种多物理场的耦合问题。所以现在还没有合适的预应力锚杆肋 梁和土钉墙复合支护的理论可以指导实际计算。现在的计算方法是借鉴其他支护 方法如土钉支护、锚桩支护的计算公式，再根据经验修订【”。鉴于这种现实情况， 青岛市勘察测绘研究院利用施工的深基坑收集数据，希望总结出一种切实可行的 设计方法来! 本论文在研究实测数据和预应力锚杆肋梁和土钉墙复合支护方式的基础上， 并考虑到目前在计算基坑支护中广泛使用的都是有限元软件 2 1 ，最终选择大型有 限元软件a n s y s 作为工具，利用实际的土体、锚杆、纵横肋梁的参数，建立和 实际支护相同的有限元模型【3 】，计算外力作用支护结构不同组成部分的受力、变 形情况。与实际测量的数据比较，得到比较好的计算结果。可以弥补现在没有合 适的设计方法的缺陷。 回顾我们的工作，在计算预应力锚杆肋梁和土钉墙复合支护的设计方法上作 了一些开拓性的尝试，本文的部分研究的成果在工程地质学报发表。 由于作者水平有限，文中难免有错误与不足，希望同行专家不吝赐教，给予 批评指正。 预应力锚杆肋梁和土钉联合支护技术的模拟研究 l 概述 1 1 基坑支护概述 ( 1 ) 基坑支护的发展过程】 在2 0 世纪3 0 年代，t e r z a g h i 等人已开始研究基坑工程中的岩土工程问题。 在以后的时间里，世界各国的许多学者都投入研究，并不断地在这一领域取得丰 硕的成果。基坑工程在我国进行广泛的研究是始于8 0 年代初，那时我国的改革 开放方兴未艾，基本建设如火如荼，高层建筑不断涌现，相应地基础埋深不断增 加，基坑开挖深度也就不断发展；特别是到了9 0 年代，大多数城市都进入了大 规模的旧城改造阶段，在繁华的城市内进行深基坑开挖，给这一古老课题提出了 的新的内容和挑战，那就是如何控制深基坑开挖的环境效应问题，从而进一步促 进了深基坑开挖技术的研究与发展，产生了许多先进的设计、计算方法，众多新 的施工工艺也不断付诸实施，出现了许多技术先进的成功工程实例。然而，不容 回避的事实是，由于基坑工程的复杂性以及设计、施工的不当，基坑工程发生事 故的概率仍然很高。 任何一个工程方面的课题的发展都是理论与实践密切结合并不断相互促进 的成果，基坑工程的发展往往是一种新的支护形式的出现带动新的分析方法的产 生，并进行实践、认识、再实践、再认识的规律，而走向成熟。早期的开挖常采 用放坡的形式，后来随着开挖深度的增加，放坡面空间受到限制，产生了支护开 挖。迄今为止，支护形式己经发展至数十种。从基坑支护机理来讲，基坑支护方 法最早有放坡开挖，然后有悬臂支护、内支撑( 或拉锚) 支护【1 6 1 、组合型支护 等。放坡开挖需要场地有较大的空间，且开挖土方量较大。在场地周围条件允许 的情况下，放坡开挖至令仍然不失为基坑支护的好方法。悬臂支护是指不带内支 撑或拉锚的支护结构，可以通过设置钢板桩或钢筋混凝土桩形成支护结构。另外， 悬臂支护结构也可以通过对基坑周围土体进行加固改良而形成，如水泥土重力式 挡墙结构，为了改善悬臂式支护结构的受力性能和变形特性，满足较深基坑支挡 土体的要求，发展了内撑式支护和拉锚式支护结构，为了挖掘支护结构材料的潜 在能力，使支护结构形式更加合理，并能适合各种基坑类型，综合利用“空间效 应”发展了组合型支护结构型式。 支护结构最早用木桩，现在常用钢筋混凝土桩、地下连续墙、钢板桩以及通 2 预应力锚杆肋梁和土钉联台支护技术的模拟研究 过加固改良基坑周围土体的方法形成水泥土挡墙、土钉墙等。钢筋混凝土桩设置 方法有钻孔灌注桩、人工开挖桩、沉管灌注桩、和预制桩等。 ( 2 ) 我国深基坑支护的特点 9 0 年代以来，基坑支护问题成为我国建筑工程界的热点问题之一。随着基 坑工程数量、规模、分布急剧增加，同时所暴露的问题也很多。总体来看，目前 我国基坑支护状况具有以下特点： 基坑越挖越深，多大于l o m 。 工程地质条件较以往变得更加复杂。 基坑四周己建或在建高大建筑物密集，或紧靠重要市政设施大兴土木，不 仅要确保基坑本身稳定，更不能殃及池鱼。 基坑支护方法多。诸如人工挖孔桩、预制桩、深层搅拌桩、地下连续墙、 钢支撑、木支撑、拉锚、抗滑桩、注浆、喷锚网支护法，各种桩、板、墙、管、 撑同锚杆联合支护法，以及土钉墙法等等。 ( 3 ) 深基坑支护的目的与要求 确保坑壁稳定，施工安全； 确保邻近建筑物、构筑物和管线安全； 有利于挖土及地下室的建造； 支护结构施工方便，经济合理。 ( 4 ) 深基坑支护结构体系的设计原则 安全可靠：满足支护结构本身强度、稳定性及变形的要求，确保周围环境 的安全； 经济合理：在支护结构安全可靠的前提下，要从工期、材料、设备、人工 以及环境保护等方面综合确定具有明显技术经济效益的方案； 施工便利并保证工期：在安全可靠，经济合理的原则下，最大限度地满足 方便施工，缩短工期。 因地制宜：根据基坑工程周围建( 构) 筑物对支护体系变位的适应能力， 选用合理的支护类型，进行支护结构体系设计。优秀的设计，应能较好地把握支 护结构安全变形量，使支护体系安全，周围建筑物不受影响，费用又小。 ( 5 ) 深基坑支护结构类型【2 1 l 预应力锚杆肋粱和土钉联合支护技术的模拟研究 表1 1 常用的支护类型及特点 适宜地质 特性 施工条件 条件 钢板桩 锁口u 形、z 形钢板桩整体性，刚度较好， 软土、淤 难于打入砂卵石及砾石层，拔 泥及淤泥 桩留有孔洞需处理，重复使用 支护 一次投入钢材多 质土要修整，施工有震动噪音 各种地 地f 连整体性好，刚度好，可以按平面设计成任何质、水位 需有大型机诫设备，现场筑泥 续墙 形状，施工较困难，需有泥浆循环处理条件皆适 浆循环设施，单元接头要处理 好 且 在桩顶浇筑较火截面的钢筋混凝土帽梁加以 柱列式可靠连结，同时在桩间或桩背采用高压注浆， 灌注桩 设置深层搅拌桩、旋喷桩等措施，或在桩后适用于各施工时无震动，场地泥浆处理 排桩支专门构筑防水帷幕，间隔布置包括桩与桩之种土质较困难 护间有一定净距的疏排布置形式和桩与桩相切 的密排布置形式 内支撑 常用的内支撑有钢结构支撑和钢筋混凝土结 适用于各 要有锚杆机械及灌浆设备；支 构支撑两类，锚杆锚入地下，利用土层的锚 和锚杆种土质 撑施工较困难，挖土亦较困难 同力平衡支撑所受土压力 士钉墒 边开挖基坑，边在土坡面上铺设钢筋网，并粘性土、 通过喷射混凝土形成混凝土面板，从而形成粉土、杂 洛阳铲或专用机具施工，应与 支护挖土配合好，深度可筑到l o r e 加筋士重力式挡墙起到挡土作用填土 深层搅用特制的进入土深层的深层搅拌机将喷出的 拌水泥水泥浆固化剂与地基土进行原位强是4 拌合割软土、淤 需深层搅拌机械，施工较容易 土桩支 成水泥土桩，相互搭接，硬化后即形成具有 泥质土 护 一定强度的壁状挡墙 旋喷桩 钻孔后将钻杆从地基土深处逐渐上提，同时 帷幕墙 利用插入钻杆端部的旋转喷嘴，将水泥浆固软土、淤 化剂喷入地基土中形成水泥土桩，桩体相连 泥质土 支护 形成帷幕墙，可用作支护结构挡墙 软土地区 自立式 各种挡结构包括( 钢板桩、h 型钢桩、灌一般悬臂 挡土结 注桩、地下连续墙等) 要据地质条件计算采 为3 m 左 施工比有支撑拉结简单，但灌 = 句( 悬 用悬臂深入地层嵌固多少，抗弯能力等，是右，粘土注桩、双排桩桩顶要筑联结圈 否合作经济，如不宜则需支撑、拉结或用锚砂土地区梁 臂式) 杆等。 达6 m 左 水泥土桩中插入h 形钢，设置 加筋水 在水泥土桩中插入h 形钢( 拉森板桩、钢管 支撑十分方便。为使h 形钢可 等) ，由h 形钢承受侧向荷载，具有良好的 凭借自重顺利下沉至指定标 泥土墙高，一般采用三轴型全深搅拌 挡土和止水抗渗效应 的深层搅拌机，且需提高水泥 掺入比。 4 预应力锚杆肋粱和土钉联仓支护技术的模拟研究 支护结构分挡土( 挡水) 及支撑拉结两部分，而挡土部分因地质水文情况不 同又分透水部分及止水部分。透水部分的挡土结构需在基坑内外设排水降水井， 以降低地下水位。止水部分挡土结构主要不使基坑外地下水进入坑内，如做防水 帷幕、地下连续墙等，只在坑内设降水井。 经过多年的发展，支护类型己发展为数十种。我国常用的支护结构类型见表 1 一l 。 ( 6 ) 深基坑支护结构的计算方法【7 l 现有的基坑支护结构的内力变形计算方法很多，如静力平衡法、等值梁法、 连续介质有限元法以及弹性地基杆系有限元法等h 7 58 1 。静力平衡法是最常用的方 法，其要点是选择一定的入土深度以满足整体的稳定，抗隆起和抗渗要求的前提 下，用经典土力学理论计算主动土压力和被动土压力，然后对重力式刚性挡墙验 算其抗倾覆、抗滑移稳定性，安全系数沿用设计规范中对普通挡土墙的规定；或 者计算柔性挡墙的内力，对墙身和支锚结构进行设计。这种方法对于普通挡土墙 或开挖深度不深的钢板桩是比较成熟的。但对深基坑，特别是软土中的深基坑支 护结构设计就难以考虑更为复杂的条件和难以分析支护结构的整体性。等值梁法 把支护结构简化成两根梁进行计算，虽然不能准确计算支护结构的位移，是典型 的强度控制设计方法，但由于其计算简单，在单支撑的基坑工程中仍然用到这一 方法。随着计算机的普及，有限元兼有广泛通用性和灵活性，可模拟复杂的施工 过程，成为一种很有前途的基坑设计计算方法。但目前连续介质有限元法由于土 的本构关系尚在发展中，缺乏真实反映土的应力一应变关系的本构模型，以及计 算参数难以准确确定，也不能准确计算出支护结构及土体的位移，目前还没有得 到广泛的应用。杆系有限元法作为一种计算方法具有概念清晰，计算简单，计算 参数较少的优点，受到基坑工程设计人员的青睐。但现有的杆系有限元法的计算 参数的取值因为众多复杂因素的影响尚没有较好的计算方法，多凭设计者本人的 经验，因而计算结果与实际差别较大，计算结果不稳定且精度很低，不能满足对 变形要求严格、大型复杂的基坑工程设计要求。总之，现有的基坑工程设计方法 均是从保护基坑工程的稳定出发，属于强度控制设计范畴。 ( 7 ) 深基坑支护技术存在的问题 深基坑工程支护技术虽己在全国不同地区、不同的地质条件下取得了不少成 s 预应力锚杆肋粱和土钉联台支护技术的模拟研究 功的经验，甚至在一些方面达到国际水平，但仍有一些问题需进一步研究和提高。 大量的浅挖工程和无需支护的实践使人们习惯于常规的“加载”土力学方 法r 土中应力与变形均无需作符合开挖边界的调整。但是，深大基坑的开挖与支 护的应力、变形分析则需把卸载问题及其引发的土体应力、强度、变形性质及其 变化进行深入的研究，尤其是深基坑开挖与支护问题对经典土力学提出了新的挑 战，这要求人们应进一步加强理论研究，更好地为工程实践服务。 土压力大小直接影响支护结构的安全度，但要精确计算土压力目前还十分 困难，现在采用的仍是库仑公式或朗肯公式，其虽可用于工程，但误差较大。另 外，土体物理力学参数的选择更是一个复杂问题，尤其在深基坑开挖后，参数是 可变值，因此很难准确计算出支护结构的实际受力。土压力计算的影响因素太多， 例如：土体性质、开挖深度、支护形式、时空效应等。这些因素各自影响的程度 不同，组合又不同，故构成的综合土压力分布亦有所不同。如果进一步分析水对 土压力的影响因素，还要考虑土的微观结构、土体的应力状态和应力途径、孔隙 水压力和边界条件等因素，因此解决土压力问题将成为岩土工程界一个有工程实 践意义和学术价值的重大课题。 排桩、地下连续墙的内力和变形的精确计算是一个比较复杂的问题，其计 算模型应是考虑支护结构、支撑体系和土三者共同作用的空间分析，目前简化为 平面问题计算，难以反映空间效应，今后宜发展适用的是三维计算程序，使之更 能符合基坑空间形体的计算。 深基坑开挖中存在的时空效应目前多采用经验解决，尚无法在理论上精确 计算，如果能够较好地解决这个问题，将对深基坑支护结构的设计具有重要意义。 在建筑物密集地区设计深基坑的支护结构，多以变形控制，即保护周围环 境十分重要。但设计时如何控制周围地面沉降有一定难度，这是由于计算方面尚 难以提供精确值，而且基坑开挖引起周围土体与支护的位移也很难准确预测，通 过工程实践积累得出的经验方法一直是判断变形的基本手段。近年来发展的有限 元方法虽为沉降计算和基坑变形预测提供了可能，但在参数设置上仍需依赖经验 因此，提高沉降计算和基坑变形预测准确度将成为科技人员的攻关方向。 ( 8 ) 深基坑支护技术的发展方向1 4 2 】 2 0 世纪9 0 年代以来，基坑支护结构的设计和施工技术日益进步，不断涌现 6 预应力锚杆肋梁和土钉联合支护技术的模拟研究 了多种符合我国国情的实用的基坑支护方法，而且使得基坑工程的设计理论 5 9 - 6 8 1 、计算方法得到不断改进，施工工艺取得长足的进步。随着各类建筑朝着高、 大、深、重等方面发展，基坑支护技术的各个方面将继续得到全面而深入的应用 和推广。今后深基坑设计施工技术将可能会有如下发展： 根据基坑旋工发展需要及我国综合经济水平的提高，将继续充实深基坑支 护的施工队伍素质及装备，引进国外新技术，增加技术手段。 大力促进与推广动态设计和信息化施工技术，使之在支护结构设计中成为 设计指导思想的基调，用在变更改革岩土工程的总体设计构思。 深基坑开挖与支护问题对经典土力学理论提出了新的挑战，需要迸一步深 入研究。 1 2 研究目的 土钉墙支护技术从二十世纪7 0 年代开始发展，到9 0 年代形成独立的学科分 支。由于其设备简单，利于与土方开挖实行平行作业，工期较短，经济效益好， 近年来逐渐得到了广泛应用，在实践中也针对其变形和稳定性方面的不足发展了 多种加强措施。 目前对土钉墙支护的计算主要侧重于土钉抗压承载力计算和土钉整体稳定 性计算，而对面层等方面基本是参考相关规范进行经验类比设计。实际上是把土 钉和土体作为两部分进行分别设计，对两者的相互作用和影响的实际情况考虑不 足。 预应力锚杆【9 j 和喷射混凝土肋梁是对土钉墙的两种加固措施，他们与传统土 钉墙支护技术相结合，构成一种新的复合土钉墙支护体系，是近几年来形成的基 坑支护新思路，有着广泛的应用前景。这种复台土钉墙支护技术继承了传统土钉 墙支护的优点，同时加强了面层抗弯性能和面层与土钉锚杆之间的连接强度，更 有效的控制基坑变形，进一步拓展了土钉墙的应用范围。 尽管这种新型复合支护技术逐渐得到更广泛的应用，然而与之对应的设计计 算模型，方法研究却相对滞后，还处于实践、认识阶段。设计基本停留在一般性 经验设计阶段，而且鲜有相关的测试与试验数据可供参考。 本论文的研究目的就是通过进一步研究土压力理论，土钉墙支护技术，预应 力锚杆肋梁支护技术2 2 】矧的作用机理和设计方法，提出切实可行的预应力锚杆 预应力锚杆肋粱和土钉联合支护技术的模拟研究 一喷射混凝土肋梁复合土钉墙支护体系的计算模型，和可行的计算方法。同时根 据支护结构和岩土体的相关变形，应力监测与反馈来分析各种支护技术的工作性 态，验证模型的正确性和设计的可行性。 1 3 本文的技术路线和研究内容 2 9 - 3 5 1 为了对预应力锚杆肋梁和土钉墙复合支护基坑进行比较全面、深入的研究， 本文按以下的技术路线开展了大量的研究工作。研究内容基本分为现场测量、室 内资料分析以及数值模拟三个部分： ( 1 ) 依据现有的实际施工的基坑，找出合适的预应力锚杆肋梁和土钉墙复 合支护基坑设计理论和合适的设计方法的实际情况，设置观测点和测孔，配置相 关的测量仪器，现场测量需要的物理量，为基坑的设计提供可利用的第一手资料。 ( 2 ) 根据取得的监测资料，结合现场实际的地质情况，以及预应力锚杆肋 梁支护方法的理论研究，并参考他人的研究成果，确定合适的可以用于预应力锚 杆肋梁和土钉墙复合支护基坑的软件。 ( 3 ) 对研究区域的地质条件进行概化，确定合理的边界条件，利用大型通 用有限元程序，结合土的本构模型和锚杆与土、锚杆与混凝土相互作用时的力和 变形关系，进行数值模拟。对建立模型的位移矢量场、以及自重载荷条件下的位 移场、锚杆轴力、纵横肋梁的弯矩进行模拟计算。 ( 4 ) 把基坑实际监测资料以及数值模拟结果进行对比，说明用预应力锚杆 肋梁和土钉墙复合支护是支护结构各部分的工作情况。证明所选用的模拟方法对 预应力锚杆肋梁和土钉墙复合支护基坑的设计是合适的，方法是可行的可以解决 现在对于预应力锚杆肋梁和土钉墙复合支护基坑中存在的没有合适的设计理论 和方法的问题。 8 预应力锚杆肋粱和土钉联合支护技术的模拟研究 2 基坑支护中的预应力锚杆肋梁和土钉墙支护结构 2 1 土钉墙 5 1 支护结构 土钉墙是由被加固土体、锚固于士体中的土钉群和面板组成，形成类似重力 式的挡土墙，咀此来抵挡墙后传来的土压力或其他附加荷载，从而保持土体的稳 定。 土钉支护是近年发展起来的用于土体开挖和边坡稳定的一种新的挡墙技术。 由于经济可靠，且旌工快速简便，已在大量工程中得到应用，成为继排桩支护、 锚杆支护、地下连续墙支护之后又一项较为成熟的支护技术。 ( 1 ) 土钉的适用土层【1 2 】【1 3 土钉支护适用于有一定粘性的砂土、粘性土、粉土、黄土及杂填土。当场地 同时存在砂、粘土和不同风化程度的岩体时，应用土钉支护特别有利。 应用土钉支护时，地下水位应低于土坡开挖段，否则应采取降水措施。对粘 结力很差或处于软塑状态的土体，在分步开挖的短时间内也难以保持土体稳定， 需对开挖面以上土体预先注浆加固后才能采用土钉支护。 对标贯击数低于1 0 的砂土边坡，采用土钉法一般是不经济的；对不均匀系 数小于2 的级配不良的砂土，不能采用土钉支护 对塑性指数4 2 0 的土，必 须详细评价其蠕变特性，当蠕变性很小时，才能将土钉作为永久性支护。土钉不 适台在腐蚀性土中作为永久性支护结构。 土钉支护深度一般不宜超过1 2 m ，当场地层特别好时，可放宽到1 4 1 6 m 。 当基坑周围有重要建筑物且建筑物距基坑距离在一倍坑深范围内，或对基坑 变形有严格要求时，不宜采用土钉支护。 ( 2 ) 土钉支护的应用范围吲 土钉支护的应用范围很广，主要有：土体开挖时的临时支护、永久挡土结构、 现有挡土结构和支护的修理、改建与抢险加固等。 ( 3 ) 土钉支护的优点 材料用料和工程量少，施工速度快。土钉支护将土体作为支护结构的一部 分，土方开挖量、混凝土用量、钢筋用量较少，远低于桩、墙支护。土钉支护的 施工速度比其他支护快得多，有的甚至可将工期缩短一半以上。 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 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 9 预应力锚杆肋粱和土钉联合支护技术的模拟研究 型机械设备，施工方法比较灵活，施工时对环境的干扰也很小。国内土钉工程用 洛阳铲成孔，取得了很好的效果。 对场地土层的适用性较强。 结构轻巧、柔性大，有良好的抗震性能和延性。土钉属柔性支护，自重小， 不需作专门的基础结构，并具有良好的抗震及抗振动能力。土钉支护即使破坏， 一般也不至于彻底倒塌，并且有一个变形发展过程，反映出良好的延性。 安全可靠。土钉支护施工是边开挖边支护，喷射混凝土和土体开挖面紧密 接触，土体受到的扰动很少。虽然土钉需要土体发生变形后才能工作，但现场实 测表明，土钉支护的位移量与其他支护方法相当。众多的土钉起到群体作用，个 别土钉失效对整体影响不大。土钉技术有一个重要的优点，即可以根据现场开挖 的土质情况和现场监测的土体变形数据，修改土钉间距和长度。如果出现不利的 情况，也能及时采取措施加固，避免出现大的事故。在信息化施工前提下，应比 其他支护施工有更高的安全性。 经济。一般土钉支护比灌注桩可节约造价1 3 2 3 。 ( 4 ) 土钉支护的缺点和局限性 需要较大的地下空间。现场需提供设置土钉的地下空间，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； 土钉支护的变形较大。土钉属柔性支护，其变形大于预应力锚撑式支护， 当对基坑变形要求严格时，不宜采用土钉支护； 土钉不适宜在软土及松散砂土地层中应用； 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。在无特 殊侵蚀作用的土体中，解决这一问题并不复杂。 ( 5 ) 土钉墙的作用机理 复合土体作用。土钉与土共同作用，共同承担外荷载和土体自重应力，形 成了强度较高的复合土体。由于土钉有较高的抗弯、抗剪、抗拉强度，当土体变 形进入塑性变形阶段后，应力逐渐向土钉转移，这样就减少了土体中的应力集中， 避免了塑性区的进一步扩大，提高了土体的承载能力。 类重力墙的作用。由于土钉数量众多，间距较小，土钉与士的共同作用使 之形成了类重力式复合土体挡墙，以抵挡土体侧压力，保持土体稳定。 1 0 预应力锚杆肋梁和土钉联合支护技术的模拟研究 土拱作用。受土钉的约束，邻近土钉的土体变形小，离土钉较远的土体变 形大，土钉与钉问土形成了土拱作用，保持钉问土的稳定。 ( 6 ) 土钉支护的面层 土钉支护的面层不是主要受力构件，并不需很厚，一般满足构造要求即可。 通常5 0 - - 1 0 0 m m ，喷射混凝士强度应在c 1 8 以上。土钉端部与面板的连接可采用 螺母、垫板方式，也可将土钉钢筋通过井字型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的局部承压强度。此外， 还可以预制混凝土板作为面层。 对于永久性土钉支护，面层混凝土的厚度至少1 5 0 2 5 0 m m 。 ( 7 ) 土钉墙的设计方法之王步云方法( 本文对土钉设计使用的方法) 土钉长度 抗拔试验表明，对高度h h 1 2 ，h i 土钥抗拉断裂极限状态验算：在回层土压力作用f ，小便土钥端部严生 过量的伸长或屈服，应满足 璺蔓1 5 4 e i 式中，石为钢筋抗拉强度设计值；e i 为第i 层单根土钉作用范围内面层上的土压 力，e i = g 泐。验算时，应取西最大值，如a d c = 昙k z h s x s ，。 1 2 预应力锚杆肋粱和土钉联台支护技术的模拟研究 i i 土钉抗拔出验算：为使土钉不被拔出，应满足 拿只 e 只= x r d l 。， 式中，一为第i 层单根土钉的有效锚固力：上。为滑面外的土钉锚固段长度；只 为抗拔出安全系数，取1 3 2 0 ；f 为土钉与土的界面摩阻强度，无实测值时， 可用f = c + y h t g p 。 2 2 预应力锚杆 4 1 3 6 - 3 8 肋梁支护结构 ( 1 ) 预应力锚杆肋梁支护结构的诞生 预应力锚杆肋梁支护结构用于代替无嵌入或嵌入不足的排桩支护。排桩支护 结构在分层开挖时支护桩有一定埋深和嵌固性，但竣工后的基坑就其整体稳定而 言，竖向支护桩只是一种圆形肋梁，横向腰梁也可看作肋梁。若把桩改为方形的 喷射砼肋梁并随开挖施工，同时把横向腰梁改为与竖向肋梁钢筋交接连续而形成 的肋梁，这样的挡土护壁结构分层开挖时的受力与挡土桩不同，但基坑竣工后的 整体受力与吊脚排桩类似。 建筑基坑支护技术规程中土钉墙一章中虽未涉及预应力锚杆，但国内大 量资料在介绍土钉墙支护技术时都强调了预应力锚杆6 9 7 印与土钉的结合应用。虽 然预应力集中部位与土钉墙砼面层的连接方法及受力分析都不详细，做法各异， 但锚杆施加预应力的目的是明确的，就是减小基坑的水平位移及其引起的沉降。 土钉墙虽然可以保证基坑整体稳定，但支护后的基坑位移可以高达千分之 三，这个水平位移值及由此引起的沉降足以引起坑顶供水管线、煤气管线及浅基 础房屋的破坏。在这种情况下通过加长锚杆，增加注浆压力提高锚固力，变数量 多的土钉为预应力锚杆；同时把土钉墙砼面层加强为纵横肋梁”剐，通过主动施 加预应力约束基坑位移，这就形成了预应力锚杆肋梁结构。 预应力锚杆 4 4 4 6 】是承载土压力的一种杆件，是支护体系中的一部分，可用在 不同的挡土护壁结构中如排桩、锚墩、地下连续墙、板梁等形成不同的支护体系。 当支护层面由钢筋网喷射砼加强为纵横肋梁传递锚杆预应力时，形成一种类似于 双向板肋梁楼盖结构，因此定名为预应力锚杆肋梁支护结构。 预应力锚杆肋梁和土钉联合支护技术的模拟研究 ( 2 ) 预应力锚杆【1 5 】肋梁支护结构的适用范围 凡土钉墙可以支护的基坑，通过对土钉墙砼面层的纵横肋梁加强，加长锚杆 锚固段，安装自由段，减少土钉数量，最终土钉总的锚固力由预应力锚杆锚固力 替代即可形成肋梁支护结构。 对软土地层因其边坡土体承载力有限，单支锚杆预应力不能施加太大，因此 锚杆密度仍然很大，这时预应力随软土骤变雨丧失，锚杆也变为土钉，预应力锚 杆肋梁近似于土钉墙。此类基坑没有必要设计为预应力锚杆肋梁支护结构。 砂性土、碎石土类基坑中的锚杆可以获得很高的锚固力，只是锚杆成孔困难； 若含地下水时，这种土层分层开挖不能自立，必须预先施工止水帷幕。土钉墙不 能用于这类基坑，因为分层支护开挖时，止水帷幕会因为水平位移剪断造成流砂 从而无法分层自立。预应力锚杆肋梁因为面层喷射砼和肋梁刚度好并且有预应 力，所以可以保证帷幕分层稳定不致破坏。 坑底挖至基岩或进入基岩一定深度的基坑，排桩帷幕很难进入基岩。但锚杆 因有倾角可以进入基岩以获得很高的锚固力；而且因为肋梁支护结构盼明施加预 应力，可以有效地防止坑底基岩开挖爆破时产生的震动对坑壁的影响。 ( 3 ) 预应力锚杆肋梁支护结构的优点 适应范围比土钉墙更广：水位以下的基坑开挖通过提前施工止水帷幕、或随 分层开挖对边坡土体注浆、插筋等加固后，可以采用预应力锚杆肋梁结构进行支 护；而土钉墙支护因为无法与止水帷幕结合使用，水下基坑或流砂层中很少应用。 土钉墙支护一般要求基坑有一定的放坡，而预应力锚杆肋梁支护结构可作到 垂直开挖支护。 支护后的基坑水平位移比土钉墙小：由于锚杆预应力对滑动土体的预先约 束，不像土钉墙要待土体发生一定位移后才受力，因此支护后的水平位移小。 预应力锚杆肋梁支护面层在钢筋网喷射砼基础上加了纵横连续钢筋砼肋梁， 其整体性和刚性更好，有利于减小坑顶位移和沉降。 在可锚性较好的土层中造价比土钉墙低。锚固段进入砂性土或强