（岩土工程专业论文）预应力锚索复合土钉墙内力及变形分析.pdf

ad i s s e r t a t i o nf o rm a s t e r sd e g r e eo f u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y a n a l y s i so fs t r e s sa n dd e f o r m a t i o no fp r e s t r e s s a n c h o rc a b l ec o m p o s i t es o i ln a i lw a l l m a s t e rc a n d i d a t e ：z h uq i n g q u a n s u p e r v i s o r ：p r o f z h a n gj i a n l o n g a p r i l2 0 1 0 f a c u l t yo fc i v i la n dt r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n g g u a n g d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y g u a n g z h o u ，g u a n g d o n g ，p r c h i n a ，5 10 0 0 。、一一、 摘要 摘要 土钉支护以其经济可靠、施工快速简便的优点，近年来土钉支护结构在各种工程项 目中国得到了广泛的应用。但国内外对土钉支护结构的研究还不深入，由于其工作原 理尚有许多不甚明了之处，故存在理论研究滞后于工程应用现象。本文从土钉墙受力 机理着手，在研究生阶段所学的有限元理论和土体本构关系基础上，对某工程复合土 钉墙结构，进行了大量有限元分析计算。 本文主要内容包括： 第一章、第二章通过对土钉支护的概念进行辨析，给出土钉支护定义。介绍了土 钉支护在国内外的发展概况及研究现状，应用范围和优缺点。对土钉支护结构的作用 机理和工作性能进行系统研究。在前人研究的基础上分析土钉抗拔试验的理论机理， 土钉在正常工作条件下的内力、位移，以及土钉的横向抗剪作用，总结土钉支护的工 作机理如摩擦加筋机理、土拱效应分析、似粘聚力理论。 第三章介绍了有限元理论及几种常用的土体本构模型，并选择用m i d a s g t s 大型 有限元软件对本文中某工程实例进行数值计算，同时确定了模型尺寸及边界条件，以 及将莫尔一库伦模型做为本次数值计算的土体本构模型。最后介绍了m i d a s g t s 中用 于计算边坡稳定性的强度折减法。 第四章以某工程复合土钉墙结构为例，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，详细讨论了复合土钉支护结构开挖过程中的变形特性、土 钉受力性状。在此基础上，就土钉长度、土钉间距及锚索预应力大小三个方面对计算 模型进行调整。最后通过对模型调整后的计算结果进行深入对比分析，为工程的设计 和施工提出了一些优化方案。 论文最后对全文进行了总结，说明了主要研究成果，同时指出自己的不足和有待 进一步研究的类容。 关键字：复合土钉墙、作用机理、变形、本构模型、预应力锚索 _ i q l a b s t r a c t s o i ln a i l i n gr e t a i n i n gs t r u c t u r eh a st h e c h a r a c t e r i s t i c so fe c o n o m y ，r e l i a b i l i t ya n d c o n v e n i e n tc o n s t r u c t i o n r e c e n t l y ，i th a sb e e n 、析d e l ya p p l i e di na l lk i n d so fp r o j e c t h o w e v e r , t h ea c t u a lw o r k i n gm e c h a n i s mo ft h es o i ln a i l i n gi ss t i l lu n k n o w n , a n dt h et h e o r y a b o u ts o i ln a i l i n gd o e sn o tm a t c hi t sa p p l i c a t i o ni nt h ee n g i n e e r i n g t h i sp a p e rs t a r t 、析mt h e m e c h a n i s mo fc o m p o s i t es o i ln a i lw a l l ，a tt h eb a s eo ff i n i t ee l e m e n tt h e o r ya n ds o i l c o n s t i t u t e t i v em o d e ls t u d i e dd u r i n gm a s t e rc a r e e r , e m b a r k e dal o to fw o r ko nac o m p o s i t e s o i ln a i lw a l lw h i c ha n a l y s i sb yf i n i t ee l e m e n ts o f 埘a r e t h e m a i nc o n t e n t si n c l u d e ： i nc h a p t e r la n d c h a p t e r 2 ，t h et h e s i sa n a l y s e st h ec o n c e p t i o no fs o i ln a i l i n g ，a n dd e f i n ei t t h et h e s i si n t r o d u c e st h eg e n e r a ls i t u a t i o na b o u tt h es o i l i n gn a i l i n gd e v e l o p m e n to nt h e d i f f e r e n tc o u n t r y ；t h ei n v e s t i g a t i o na c t u a l i t y ；t h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g e t h ew o r k i n g m e c h a n i s ma n dc a p a b i l i t yo fs o i ln a i l i n gr e t a i n i n gs y s t e mi sa l s oi n v e s t i g a t e ds y s t e m a t i c a l l y a tt h eb a s eo ft h er e s e a r c hr e s u l t so ft h el a s t , a n a l y z e dt h et h e o r ym e c h a n i s mo ft h es o i l n a i l i n gp u l l i n g r e s i s t a n c et e s t ；r e s e a r c hi n t e r n a lf o r c ea n dd i s p l a c e m e n to fs o i ln a i l su n d e r n o r m a lc o n d i t i o nw o r k ；a n dt r a n s v e r s ea n t i s h e a r i n ge f f e c to fs o i ln a i l i n g i ts u m m a r i z e st h e f r i c t i o nr e i n f o r c e m e n tp r i n c i p l eo fe a r t h ，s o i la r c h i n ge f f e c ta n da p p a r e n tc o h e s i o nt h e o r y i nc h a p t e r 3 ，t h et h e s i si n t r o d u c e df i n i t ee l e m e n tt h e o r ya n ds o m ec o m m o ns o i l c o n s t i t u t e t i v em o d e l ，a n dc h o o s em i d a s g t sa sc a l c u l a t ep r o g r a mw h i c hi sa p p l i e di na p r o j e c t ，m e a n w h i l es u r em o d e ls i z ea n db o u n d a r yc o n d i t i o n , m o h r c o u l o m bm o d e li sa l s oa s t h es o i lc o n s t i t u t e t i v em o d e lw h i c ha p p l i e di nn u m e r i c a lc a l c u l a t e a tl a s t ，i n t r o d u c e dt h e l i m i t e dd i f f e r e n c e sm e t h o di nm i d a s g t s ，w h i c hi su s e di nc a l c u l a t es l o p es t a b i l i t y i n c h a p t e r 3a c c o r d i n gt o a ne x a m p l eo ft h e d e e pe x c a v a t i o ne n g i n e e r i n g ，t h e c o m p u t a t i o nm o d e lo fc o m p o s i t es o i ln a i lw a sb e e nm a d e c o m p a r i n gw i me n g i n e e r i n gd a t a , d i s c u s s e dt h ed e f o r m a t i o na n ds o i ln a i ls t r e s sc h a r a c t e r d e p e n do nf i n i s h i n gw o r k ，a d j u s t e d t h ev a r i a t i o no ft h el e n g t ha n dt h es e p a r a t i o no fs o i ln a i l sa n dp r e s t r e s sa n c h o rr o d a f t e rt h e c o m p a r i n ga n a l y s i so f t h er e c t i f i e dm o d e la n dt h e m ，g i v i n gs o m es u g g e s t i o na b o u tt h i ss t r u t f r a m eo nd e s i g na n dc o n s t r u c t i o n i i i 广东工业大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：c o m p o s i t es o i ln a i lw a l l ，w o r k i n gm e c h a n i s m ，d e f o r m a t i o n ，s o i lc o n s t i t u t e t i v e m o d e l ，p r e s t r e s s 锄c h o rc a b l e i v 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目录v c o n t e n t s v i i i i 第一章绪论1 1 1 概述1 1 2 土钉墙国内外发展史2 1 3 国内外研究方法及现状3 1 3 1 理论分析3 1 3 2 试验研究5 1 4 土钉墙的优缺点及复合土钉支护技术的特点6 1 4 1 土钉墙的优点及其局限性6 1 4 2 复合土钉墙介绍7 1 5 本文研究内容8 第二章复合土钉墙受力机理1 1 2 1 土钉作用机理概述1 1 2 2 磨擦加筋理论1 2 2 3 土拱效应分析1 4 2 4 土钉横向抗剪作用1 7 2 4 1 最大弯矩点处的横向抗剪作用1 8 2 4 2 零弯矩点处的横向抗剪作用2 0 2 5 似粘聚力理论2 0 2 5 1 加筋土的三轴压缩实验及强度特性2 1 2 5 2 似粘聚力理论的定性分析2 2 2 6 预应力锚索复合土钉墙作用机理2 3 2 7 影响因素分析2 4 2 8 本章小结2 7 v 广东工业大学硕士学位论文 第三章有限元理论和土体本构关系2 9 3 1 有限元理论概论2 9 3 2 有限元分析的基本方法2 9 3 3 土体本构模型3 l 3 3 1t r e s c a 模型3 1 3 3 2v o nm i s e s 模型3 2 3 3 3d r u c k e r - p r a g e r 模型3 4 3 3 4m o b _ r - c o u l o m b 模型3 5 3 4 复合土钉墙建模3 6 3 4 1 土体模型选择3 6 3 4 2 模型尺寸和边界条件3 7 3 5 m i d d g t s 有限元软件介绍3 7 3 6 本章小结3 9 第四章某复合土钉墙有限元计算4 1 4 1 工程概况4 3 4 2 数值计算4 2 4 2 1 施工阶段分析4 2 4 2 2 土体位移分析5 1 4 2 3 土钉内力分析5 3 4 2 4 复合土钉墙布置方案比较5 5 4 3 本章小结6 2 结论与展望6 4 l 结论6 4 2 展望6 5 参考文献6 6 攻读学位期间发表的论文6 9 独创性声明7 1 致谢7 1 v i 。；，；皇；_ 。呈竺望垩坠；。皇。，。阜，。；。，皇。；：；。一 c o n t e n ts a b s t r a c t ( i nc h i n e s e ) - i a b s t r a c t ( i ne n g l i s h ) i i i c o n t e m s ( i nc h i n e s e ) v i i c h a p t e r1 p r e f a c e 1 1 1s u m m a r i z e 1 1 2t h ed e v e l o p m e n to f s o i ln a i lw a l la ta b r o a da n dh o m e 2 1 3t h er e s e a r c hs t s t u sa ta b r o a da n dh o m e j 一 1 3 1t h et h e o r ya n a l y s i s 3 1 3 。2t h ee x p e r i m e n ta n a l y s i s 5 1 4n l ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo fs o i ln a i la n dt h ec h a r a c t e ro fc o m p o s i t es o i l 1 l f d l1 p v ：2 l 1 1 - 6 1 4 1t h ea d v a n t a g eo f s o i ln a i la n di t sl i m i t 6 1 4 2t h ei n t r o d u c t i o no f c o m p o s i t es o i ln a i lw a l l 7 1 5t h er e s e a r c hc o n t e n t s 8 c h a i m e r2 t h ew o r k i n gm e c h a n i s mo fc o m p o s i t es o i ln a i lw a l l i i 2 1t h es u m m a r i z eo f s o i ln a i lw o r km e c h a n i s m 1 1 2 2t h ef r i c t i o nr e i n f o r c e m e n tp r i n c i p l e 1 2 2 3s o i la r c h i n ge f f e c ta n a l y s i s 1 4 2 4n a n s v e r s ea n t i s h e a r i n ge f f e c to fs o i ln a i l i n g 17 2 4 1t h e 舡a l l s v e r s ea n t i s h e a r i n ge f f e c tu n d e rm a x i m u mb e n d i n g 18 2 4 2t h e 佃a r 塔v e r s ea n t i s h e a r i n ge f f e c tw i t h o u tb e n d i n g 2 0 2 5t h ec o h e s i o nt h e o r y 2 0 2 5 1i 沁i n f o r c e de a r t h ，st r i a x i a lc o m p r e s s i o nt e s t sa n dp ro fs t r e n g t h 2 1 2 5 2q u a l i t a t i v ea n a l y s i so f c o h e s i o nt h e o r y 2 2 2 6t h ew o r k i n gm e c h a n i co f p r e s t r e s sa n c h o rc a b l e 2 3 2 7t h ea n a l y s i so f i n f l u e n c i n gf a c t o r s 2 4 v 广东工业大学硕士学位论文 2 8s u m m r i a z e 2 7 c h a p t e r3 ，n l ef i n i t ee l e m e n tt h e o r ya n ds o i lc o n s t i t u t e t i v em o d e l 2 9 3 1t h eg e n e r a l i t yo f f i n i t ee l e m e n t t h e o r y 2 9 3 21 1 1 eb a s i cm e t h o r do f f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 2 9 3 3s o i lc o n s t i t u t e t i v em o d e l 3 1 3 3 1t k s e am o d e l 3 1 3 3 2v o nm i s e sm o d e l 3 2 3 3 3d r u c k e r - p r a g e rm o d e l 3 4 3 3 4m o h r - c o u l o m bm o d e l 3 5 3 41 1 1 ec o m p o s i t es o i ln a i lw a l lm o d e l i n g 3 6 3 4 1t h es o i lc o n s t i t u t e t i v em o d e ls e l e c t i n g 3 6 3 4 2m o d e ls i z ea n db o u n d a r yc o n d t i o n 3 7 3 5t h ei n t r o d u c t i o na b o u tm i d a s g t s 3 7 3 6s u m m r i a z e 3 9 c h a p t e r4 f i n i t ee l e m e mn u m e r i c a lc a l c u l a t ea n da n a l y s i si nae n g i n e e r i n ge x a m p l e 41 4 1p r o j e c ti n t r o d u c t i o n 4 1 4 2n u m e r i c a lc a l c u l a t e 4 3 4 2 1m a n a l y s i si nc o n s t r u c t i o ns t a g e 4 2 4 2 21 1 1 ea n a l y s i so ns o i ld i s p l a c e m e n t 5 l 4 2 31 1 1 ea n a l y s i so ns o i ln a i ls t r e s s 5 3 4 2 4m c o m p a r i n go fc o m p o s i t es o i ln a i lw a l lo f d i f f e r e n tm o d e l 5 5 4 3s u m m f i a z e 6 ：! c o n l u s i o na n de x p e c t a t i o n 6 z l 1c o n l u s i o n ；z l 2e x p e c t a t i o n j 6 5 r e f e r e n c e s 6 6 p a p e r sp u b l i s h e dd u r i n gs t u d y i n gf o rm a s t e rd e g r e e 6 9 o r i g i n a la n n o u n c e m e n t 7 0 a c k n o w l e d g e m e n t 7 1 v i i i 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 随着我国经济建设的飞速发展，高层、超高层建筑如雨后春笋般拔地而起。目前， 岩土工程中深基坑围护问题己成为我国土木工程界的热点问题之一，基坑围护型式由 单一型向复合型发展。深基坑工程支护体系因具有高风险、高投入等特点成为工程 质量和造价控制的一个重要环节。一方面由于设计失误造成的基坑支护结构失效事故 屡见报道造成非常大的经济损失；另一方面，由于过分强调保险和稳妥。而不考虑 支护结构作为一种临时结构与永久结构的区别。在设计中均按现行结构工程设计规范 加以考虑，因此造成的隐性损失相当惊人。据估算目前支护结构费用占工程土建造价 的比例通常达1 0 以上，因此选择经济合理的深基坑支护结构形式，对于确保工程顺 利完工和降低工程造价意义重大。土钉支护技术在我国的应用始于2 0 世纪8 0 年代初， 具有经济环保、施工灵活、施工期短、可靠性高、对邻近建筑物影响小等优点，因此， 土钉支护技术是一种很有前途的深基坑边坡支护方法愈来愈受到重视，被列入1 9 9 8 年 建设部颁布了调整修改后的“建筑业1 0 项新技术之一n 1 。 土钉支护是一种原位土加筋和强化的技术。土钉体与周围的土体紧密结合，并依 靠接触界面上的摩擦力，与周围的土体形成复合土体，达到支护的目的。土钉支护作 为一种经济可靠、快速简便的挡土技术，已在我国高层建筑和地下人防工程的深基坑 开挖施工中得到愈来愈多的应用。复合土钉墙是近年来在土钉墙基础上发展起来的新 型支护结构。它是将土钉墙与预应力锚杆、深层搅拌桩、旋喷桩、微型桩及钢管土钉 等结合起来，形成的一种复合支护技术。复合土钉墙技术弥补了一般土钉墙的许多缺 陷和使用限制，在保证支护体系安全稳定的同时满足某些特殊的工程需要，如限制基 坑上部变形，阻止边坡土体内水的渗流，解决开挖面的自立性以及阻止基坑底部隆起， 安全可靠、造价低、工期短、使用范围广，因此具有更广泛的应用领域和适用范围。 复合土钉墙技术将土钉支护推广到承压水地区，突破了软土地区不宜使用土钉支护的 禁区，近年来我国在广州、上海、深圳、宁波等地的软土中进行了土钉支护的尝试， 并取得了许多工程的成功实践明，在地质条件较复杂的地方，复合土钉墙具有传统土 钉墙无法比拟的优点。复合土钉墙支护技术具有广阔的应用领域和应用前景。 广东工业大学硕士学位论文 1 2 土钉墙国内外发展史 土钉支护技术是2 0 世纪7 0 年代发展起来的一种支护技术。国外最早采用土钉支护 技术的是一些欧美国家。 最早是法国在7 0 年代成功地应用了土钉墙技术作为边坡和基坑支护。1 9 7 2 聆1 年，法 国著名的承包商b o u y g u e s 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，采用了喷射混凝土面层并 在土体中置入钢筋形成临时支护取得了成功。整个开挖和支护工作是分步进行的，开 挖的边坡坡度为7 0 m ，长9 6 5 m ，最大坡高2 1 6 m 。土钉长度为上部4 m ，下部6 m ，共用 了2 5 0 0 0 多根钻孔注浆锚杆，面层的喷射混凝土厚5 0 8 0 m m ，这是有详细记载的第一个 土钉墙工程。之后，土钉支护技术在法国的工程应用中得到普及，与此同时法国也开 始了对土钉支护技术的基础研究。法国政府于8 0 年代开始了一项名为c l o u n t e r r e 璐1 的四 年研究计划，研究在国家建筑与公共工程试验中心进行，并建立了三个高7 m 的大型土 钉墙试验模型。1 9 8 6 年法国又进行了一项包括三个大型土钉墙试验的研究，并在此基 础上，执行了一项研究地震、冰冻以及地表斜坡影响的计划。在设计方法方面法国在 8 0 年代发展了一个口q t a l r e n 的设计程序h 目，得到了广泛的运用，以后还发展了程序 s t a r s 。 对土钉的研究仅次于法国的是德国和美国。德国于1 9 7 9 年首先在s t u t t g a r t 建造了第 一个永久性土钉工程。1 9 8 3 年建造慕尼黑地铁时，在一处1 8 米深的临时性土钉支护中， 采用注浆帷幕对付地下水，并首次在土钉支护中用喷混挂网做面层。1 9 7 5 年，西德承 包商k a r lb a u e r 与k a r l s r u h e 大学进行了长达四年的七个大型土钉墙试验，并总结了三点 结论：( 1 ) 土钉墙的支护机理与重力式挡墙类似；( 2 ) 在无地下水、墙面直立及地表水平 条件下植入的土钉长度为墙高的0 5 n o 8 倍；( 3 ) 面层压力可假定均布，大小约为库伦主 动土压力的0 4 n o 7 倍。美国最早应用土钉支护在1 9 7 4 年，早期称为原位土加筋的侧向 支护体系，并称土钉为锚杆，只是在国际上开展土钉技术交流以后才改称为土钉。有 详细记载的美国早期应用的土钉支护的工程应用是1 9 7 6 年在o r e g o n 州波特兰市一所医 院扩建工程中的基础开挖阳3 。美国早期进行土钉技术基础性研究工作主要在加州大学 d a v i s 分校( 沈智f ls j cks h e n 教授等) ，在美国国家基金委的资助下，进行了包括现场 工程实测，室内离心机试验，有限元分析等研究口1 。北美加拿大，英国在对土钉墙也做 2 第一章绪论 了一些相应的研究以及工程实例。英国从8 0 年代起也对土钉有过较多的研究，包括分 析方法及程序开发，离心机试验，实际土钉工程的内力与变形实测，土钉相互作用的 大型抗剪试验等哺1 。 我国在土钉墙技术方面的研究比较晚。应用的首例为1 9 8 0 年山西太原煤矿设计院 将土钉墙技术用于山西柳湾煤矿的边坡工程，至9 0 年代中期土钉墙技术在我国边坡和 基坑工程中得到了推广。在理论研究方面，山西太原煤矿设计院王步云等较早对土钉 边坡进行原位试验和分析，并根据多年工程实践和系统理论研究，提出了一套简单、 适用的设计理论。解放军总参工程兵在长期对喷锚支护进行研究的基础上，依赖自身 的经验，于1 9 9 2 年首先将土钉墙技术成功用于深圳文锦广场大厦基坑开挖支护上阳1 。冶 金部建筑科学研究总院程良奎、杨志银等也在深基坑的土钉支护技术应用研究上作了 许多工作。1 9 9 7 年清华大学研制了施工现场的s n c 9 7 计算机辅助分析设计软件，在 s n c 9 7 的基础上，清华大学土木工程系在1 9 9 8 年开发了更新版本的应用s c n d 9 8 ，增加 了对施工现场量测监控数据的记录，并建立了土钉支护工程的数据s n d b a s e 。现在， 我国已经有了土钉设计的完整规范体系，包括建筑基坑支护技术规程j g j l 2 0 - 9 9 、 建筑基坑工程技术规范y b 9 2 8 5 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 ) 。 1 3 国内外研究方法及现状 对于土钉支护技术的研究，国内外学者取得了不少研究成果。目前对土钉墙的研 究包括理论研究和实验研究两方面。理论分析主要有极限平衡法、有限元法、工程简 化分析法及经验法n 训。实验研究方法主要是建立大型土钉墙模型、离心试验、现场抗 拔试验、土压力测试、土体侧向变形监测等。 1 3 1 理论分析 极限平衡法是应用较早也是采用较多的方法。由于有不同的安全系数的定义，不 同的土钉墙的破坏面形状假定以及不同的土钉土体相互作用类型和土钉内力分布假 定，国内外计算方法很多，具有代表性的有如下几种： 美国加州大学d a v i s 分校沈智刚方法。c k s h e n 等假定滑裂面为过坡脚的抛物线； 广东工业大学硕士学位论文 对土钉仅考虑抗拉作用，并假定土钉和土体都达到极限状态，这样土钉的滑移土体所 提供的总抗滑力在滑裂面位置假定后可以求出。 1 9 8 9 年，r j b r i d l e 也提出了自己的方法。他认为假定滑动面为对数螺旋线形并通 过坡脚，并有条分法分析滑动土体的平衡，并认为滑动总力矩与抵抗总力矩间的不平 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。 1 9 9 0 年，由j u r a n 等人提出的机动法或运动法1 。该法假定滑动面为对数螺旋形， 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，而且认为土钉墙的失稳往往是上层土钉被拔出，再逐步发 展为整体失稳，并由此引入了土钉最大内力局部稳定验算的内容。 国内学者中，程良奎、杨志银n 2 1 假定滑动面为圆弧形，稳定分析中考虑了土钉墙 外部整体稳定性。清华大学张明聚、宋二祥、陈肇元n 3 1 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。罗晓辉n 钔等采用s 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土钉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。王宝安、史维汾、王国俊n 5 3 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。 曾宪明对土钉技术存在的问题做了如下总结n 引：( 1 ) 土钉支护和岩土介质互相作 用机理的研究还较欠缺：对某些机理的认识更多的还停留在定性描述方面，( 2 ) 我们 知道，由不同介质构成的临空面稳定性不取决于变形的大小，而是取决于变形速率的 大小，因而，它们分别存在着不同的临界变形速率。迄今为止，我们只能对很少的几 种岩土介质的临空面临界变形速率提出相应的判断准则，而对更多的岩土介质尚处于 未知状态。这是个问题。我们知道，在支护条件下，临空面的变形速率的大小，与土 钉支护参数的强弱相关。但这种关系的定量描述，目前还在研究中。( 3 ) 土钉支护临 空面的深度上限问题。这既是一个设计理论的问题，也是一个实际工程问题。总的来 说，目前土钉支护临空面的深度还不大，对一般岩土介质，目前已达2 0 5 m ；对于软土 介质，目前仅为1 0 0 m 。准确回答土钉支护临空面特别是直立临空面的深度上限问题， 4 第一章绪论 目前尚有困难。 有限元法( f e m ) 基本思想是在结构中选择一定数量的离散点，将其离散为小的单元 的等价系统，并为每个单元指定相应的力学模型和参数，这些单元的集合体就代表原 来的结构。对每个组成单元建立平衡公式，然后结合起来，再引入边界条件，求解这 种整体的平衡方程组，就得到原来结构在离散点处未知量( 位移或应力) 的解答。在这方 面沈智刚等进行了土钉支护体系的内力和变形研究以及一些参数对土钉整体工作性能 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专用有限元程序。清华大学宋二祥与荷兰同事合作 开发了p l a x i s 土工程序n 7 1 ，杨明、邵龙潭在采用极限平衡理论验证有限元边坡稳定分 析结果的基础上，将其方法用于土工加筋结果，进行了土钉面板、刚度对土钉墙稳定 性的影响研究。 工程简化法的实质就是直接给定滑动面的位置，直接给定不同部位的土钉的最大 拉力。这类方法在理论上显得较为粗糙，但用于估算土钉拉力，有经验设计者做初步 设计之用任意不失为一种简便可行的方法。国外学者中j u r a n 综合工程实测结果，提出 了不同高度位置的土钉拉力分布图。国内方面，有色金属工业长沙勘察院提出的二分 之一分割法n 8 钔3 ，以及王步云法、假定潜在破坏面法2 刳。经验法是人们通过长期 的工程实践经验，在这些经验基础上总结出的方法。 1 3 2 试验研究 j u r a n ( 1 9 9 0 ) 口3 1 由模型实验观察结果提出了基于塑性力学理论的动极限分析法 ( k i n e m a t i c a ll i m i ta n a l y s i sm e t h o d ) 。该方法假定滑动面为通过坡脚的对数螺，除考虑 了土钉的抗拉作用外，还以w i n k l e r 地基上梁的方式考虑了土钉的抗剪、抗弯作用。认 为在工作条件下滑动面上土体达到极限状态，即强度全部发挥，安全系数取1 。滑动面 上的法向应力和切向应力由k o t t e r 方程解出( 在所看到的文献中未见到针对这一具体问 题的k o t t e r 方程解法) 。此外，还假定土钉的拉力及剪力在与滑动面相交处最大，弯矩 在此处为零。在上述假定的基础上，利用滑动土体的整体力矩平衡，经由不断之迭代， 求出符合平衡条件和边界条件的唯一滑动面，然后再由该正确之滑动面上切片( s l i c e ， 即各个分条) 水平力的平衡条件，求出各层土钉之最大拉力。该方法的一个重要思想就 是认为土体强度首先发挥，在工作状态下己达极限状态，所以对土体的分项安全系数 5 广东工业大学硕士学位论文 取l ，并认为如此求出的土钉内力即为工作状态下的内力。j u r a n 经过大量的计算，还以 图表的形式给出了便于设计应用的确定土钉拉力、剪力的无量纲系数。 t h o m p s o n ( 1 9 8 1 ) 对美国西雅图某基坑工程实测表明：最大水平位移为开挖深度的 o 1 。土钉钢筋应变在九个月持续增加，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，而不是蠕变引起的。钢筋应变突然增加是砂浆受拉开裂将其应力 转移到钢筋上的结果。 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， 阐述了施工的短期稳定性、土体膨胀以及负孔隙水压力的消散变化情况。运用楔体平 衡理论估算了不排水和长期排水的土坡稳定情况，研究结果表明土钉支护可以应用于 硬粘土的开挖。p l u m e l l e ( 1 9 9 0 ) 通过试验研究指出，土钉中的最大张力不是位于墙前， 而是位于墙后一段距离处，最大的连线位于破坏区内。土钉中首先产生的抗力是拉力。 如果一次开挖深度过大，会在土中产生土拱，而土拱上方土的变形依然很小。继续开 挖时土拱会不稳定并很快产生破坏。 姜振泉等瞳钔( 1 9 9 6 年) 在综合分析插筋补强土体剪切试验的基础上，参考横向受力 桩所受剪切力的计算方法，提出了用于评价插筋横向抗剪作用及其补强效果的理论计 算方法，并根据此计算方法对试验条件下插筋在变形不连续面及由此剪力产生的抗剪 补强效果进行了计算。然后将计算结果同实验结果进行了分析，结果表明其理论计算 方法在一定的土体变形下，同试验实测结果符合较好。王增忠等啮3 ( 1 9 9 6 年) 通过对深 基坑土钉墙支护的现场实测，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、破坏滑动面的位置与形状。 1 4 土钉墙的优缺点及复合土钉支护技术的特点