（岩土工程专业论文）预应力锚索复合土钉支护内力及变形的研究.pdf

摘要 预巍力镬索复合主钌支爹是簧台钌变护中常矮焉有效豹一静技术方法，是采矮 土钉与预应力锚索联念支护。它可以有效地控靠4 基坑变形，大大提高基坑边城的稳定 性。 露游对该支护方法鼢研究较乡，现弱溅试资辩稷萁凝乏，存袋元分拆大多是按照 平厦峨鼷来考虑，造成对其受力和变形的认识不够。本文通过对预成力锚索复合土钉 支护进行较为全面的分析和测试，拟进一步揭示该支护方法的内力和变形特征，为该 支护方法静设计和施工提供鞍秀科学静袄据。 本文对土锶支护、复台钌支护的发展历史、磅究现状进行了综述，分辑了预应 力锚索复合土钉支护的作用机理，并初步探讨了在该支护方法作用下，支护前后体 力学参数豹交豫。逶遗有限嚣方法模叛和瑷场蒺试，对鞭纛力镝索复合土钌囊护方法 蛇内力朔位移进行了研究。礤究结果表明：在颓废力锚索复合钉支护作用下，体 的力学参数将发生改变，弹性模量和粘聚力增大，泊松比减少，但怒对内摩擦角影响 不大；该复合主钉支护方法麓有效控螽l 基坑承平、垂直位移；承平位移最大值发生基 境中下部，形成类似“凸齄状”；垂直位移最大馕发生掘基坟顶郏，往铃隧着离拜坡 西的距离增加衙逐渐躐小；土钉的受力具有开挖效应，蒸坑开挖完成后，中间层土钉 受力最大，上艨次之，下层受力较小，最赢层钌几乎不受力；预庭力锈索在张授镄 定之后，键头熙力受熬坑舞挖过程影晌不太。 本文较深入地揭承了预威力锚索复合土钉支护的内力和变形特征，对于该支护方 法的设计帮施工其有现实指鼯意义，尤其使该方法在施工过程中更番预觅稳，针辩性 曼强，凳好地攒导藏王。 关键霭；复合主钌支护菝巍力镬豢内力变形窍礞嚣摸援凝场溅试爨矮 t h ep 戢珞l r e s s e da n c b o rw j r ec o ，n p o s i t es o 丑n a 豇抽岛ac o m l 瓢o na n de 丘e c t j v e 瑚e t h i ) d o f 毪精b s 矗e 程羹a i l 辆窑瓣秽粥n 遗蕊8 面媾ss o 主重毽鑫嚣醯ga l 畦p e s 耄f e s s e da 蠢o f 髓运l lc a n c o m i o lt h ed e f o r m a t i o no ff o u n d a t i o nd i t c he 丘b c t i v e l va n di i p r o v et h es t a b i l i t vo fe a r t h 8 l o p e 搿e a t l y b u tn o 譬礼l | 硷h n d e f s t a n dt ot l l es t f e s sa l 谴如f 0 瑚a t 主o no f t h j sm e t h o di sl l o te n o i l 甜l 蠡r a w a yf o rt h el a c ko fs t u d vo nt h i s 绷p p o r tm e t h o da n d 曲1 0 n a g eo ff i e l dt e s tm a t e f i a la n d c o l 塔翊懒囟叠绣e 瓣p 潮建sa 争圭鑫嚣ep 掩b 圭c 拄瓤f e 斟a 矗a l ￥s 主s + b 嚣s e do na 撙p l 畦e a n a l y s i sa n dt e s to ft h ep 亿s t r e s s e da n c h o rw i f e 。t h j sd i s s c n a t i o na i l i l sa td i s c o v e r 抽颦t h e d 辐船c t e f j s t i c so fs t r e s sa n 畦d e f o t i o no ft h i ss u p p o f ta n d 埘d v i d i n go o m f a t i v e l v 姗融镶c 挚o n 髓f o f 鼢如嘞a n dc o n 辩t 如昏 t h eh i s t o r ya n dr e 靶a r c hs i t u a t i o nb o t ho fs o i ln a i l i i l 业a n dc o m p o s i 把t y l 他a r e 鞭潮羽铡， 瓣m e e 纛a 菇蟊瑶o l 建s 矗es 0 主圭b a i l 涵g 弧鞠越y z e da 娃d l 撼v 瓤扭l 迅拄o fs o i l m e c h a j i i c a lp 瓤a m c t e r sb e 如糟a n da f t c ft h i s 酬p p o n 缸p r e 娃m i n 对vd i s c u s s e di n t h i s d i s s c r l a t j o n b a s e do nt h ef i 础ee l e m e n lm e t i 帕d ( f e m s i m u l a t i n ga n d6 e l dt c s l i n 热t h e i 翔a e f 赫r e ea l 瓣d 幽棚a l 如no f 剖潜s t 糟s 辩d 触犯圭l o fw i 障c 0 撒p o s i 圭es o j ln a i l i n i 善i ss t 确记d 。 n 犯r c s c a r c hr o s u hs h o w st h a tt h ei n e c h a n i 船lp a r a m e t e r sw mc h a n g eu s i i l gt h j ss u p p o n 蕈k1 n g s 赴k sa 鼓do o 轴s 主v es l 羚n g 耄莪诬c f e 建s e ，l h e 孙选s o 牡，sf 童迅d a s ea l 避l h 搴 i n t c m a l 丘i c t i o na n ev 盯yn o tg r e a t a h dt h eh o r 洳n t a la n dv e n j c a ld e 硒r i n a t i o no f 如u n d a t i o nd i t d ic a nb e 辄p p f e 嚣e de 矮e c t i v e l ya d o p l 如gt h 弧t y p eo fc 0 i i p o s i t es o i ln a i l i n g 。 1 氇em a x i 融醢l 巍h o f 的珠毫ld e 巍睡强a 赫no c c 掰- s 髓l 纛em 韬- b o 蛙翻薛p 碰o fp 主童a i 薹d 稻f l n sa s3 s h a p co fe n t a s i s t 1 l ed e 五d 力艄l i o ni l lv e n i c a l0 r i e n t a t 妯d w i n d 蛾a w a yw i t ht i l l c r e a s i n g 娃i s 耋a 矗c eb 曩w e e n t 酝鞠d 蜘p e 秘埝c e ，巍e 强a x 抽u m o c c 挂r s 越l k 搿e s l 蜓p 鞋。t ks o l n a j l i l l 芷h 嬲a ne x c a v 秘t i o nc 讨b c t 1 1 h a ti st o 汹y t h cs o i l 珊i l 妯gi nt h cm i d d l cl a y e fh a v ct h c n l a x i m u ms t r e s s ，t h cl o po n c st a l 【e c o n dp h c c ，t h el 。w 懿o m sh a v eas m a l lv a l u ea n dt h e 酗l 姆m 聱a 矗a 摊骑s | 琢氇e da 辆静s 耄。韵瞻s l 麟错a f 辩h o f | 站蠢dh a sn o 童e 程c c e d 晦攮e p l ，o c c d u r co fe x c a v a t 赫ga l t c rt h ep r c s t r c s s e d 赳幽rw 订e 弧s 嘲c b c da n dl o c k e d t h cd 臻嬲e f 敏主c so f 妇l i e r 稻f e e 箍畦如妫班酗l 辆珏o f 蛰羚醢聪s s e d 鑫辩b fw i f e m p o s i t es o i ln a i 强璃i s ：f i 】【n h c rd i s c o v e r e di nl h j sd i s s c i t a t i o n ，w h i c hc a ng i l i d et h ed e s 培n a n dc o n s t m c t i n 鹭o ft h i s 鲫p p o 秣a n de s p e c i a n ym a k e sl b j s 蚰孵t l l o d 如f c s e e a b l e 脚o r d s ：c o m p o s j t es o i ln a i l 缸gs u p p o n ，n e 蝴da n c h o rw i r c ， l n n e r如r c e ， 执幻f 撙采泌致差琏珏矗ee 珏ls 魏骶歉；o 氇豫秘| c s 白知l 。吐i 毅匹c s 第l 奄绪论 1 董蓠言 第 耄绪论 随着我国经济建设的迅猛发展，城市熬设发生了日新月异的变化。在建设可持续 发震壤枣戆过纛孛，城索建下空阀熬开发与裂愆蠢着冀常重要豹终建，它鬣是谴繁城 市土地利用结构、扩充城市空间容量的重要手段，也是建立现代化城市综合交通体系、 防灾救灾综合空间体系的重要途径，同时也是城市基础设旄现代化建设的主疆方法。 嚣j 琏：，为了充分会理程耀瑗帝速下空阕，警然裁带_ 泉了大艇模鏊坑工鬟豹歼携与支护。 由于建筑结构及使用上的要求，开挖面积越来越丈，基坑深度也由原来的5 m 左右发 展蒯目前的近4 0 m 之涤 。 涤基凌工程逶常怒在城带密集瓣建筑瓣审建避，场壹| 蠡狭窄，逮痿蘩佟帮蠲透环浚 条件复杂，施工技术难度之大是前所未有的。深纂坑工稷开挖除了保证基垸爨身的稳 定之外，还必须保证恼近建筑设施的安全，因此在狭窄冉勺场地内开挖深基坑不仅会给 支轳设诗弗来 蕤大强鼹，氇会对l 强滋建筑瓣安全傻焉逵癜缀大藏貉 2 j 。 深基坑工程是一个高难度的岩工程技术课题，其影响因素较多，与场地条件、 地层情况、水文地质条件、施工管理、现场监测及相邻建筑场馓的施工相互澎响等密 韬襁关，鞫诧事教隐意多。深蒺凌工程又是一个复杂的、鸯众多学科穗关的交叉学科， 涉及至4 土力学、水文地质、工程地碰、结构力学、施工技术等知识，缀此它骥求研究 的闷题较雾i 3 1 。不但要研究土的强度、变形、稳定性问题，还要研究士与结卡句的相甄 终翔；阕辩还磅究燕i 方法爱辘工遗翟对者主体鹣彩晌耱镧约，变形蔽馕对缭构设计 的控制等震要问题。可见，深基坑工程是一个器螫精心勘察、糕心设计、精心藤工秘 精心监理的动态控制的系统工程。 复合主钌支护是在钉支护基獭上发麓起来蠡孽、弱予基统支护或攥商边城稳定性 的一种赣技术，在我国的城市建设中己有大爨的工程实践，但复会土钌支护璞论落愿 于实践，设计分析方法不完善，试验研究不多，又限制了这项搜术的发展，尤其是预 应力镰索复合主钉支护方法。因诧，分析磷究该支护方法的痣力和交形，能够为其设 计和旌工提供更为科学的依据。 中由大学壤士学豫论文颈应力锚索舞台土钉支护内力段变形的研究 l 。2 镑支护憋发震历史及其骚究瑷状 1 2 1 钉支护的发展历史 土钉支护是用于土体开挖和边坡稳定的一种新的捎土技术。土钉( s o i ln a i l i n g ) 一词滚鑫法文c l o 珏a g cd es o l ，就是置入于现场瘵位主体中戳较密阀距箨掰的缅长秆 ( 索) l 牛，如钢筋或钢管等，通常还外裹水泥妙浆或水泥净浆浆体( 注浆钌) f l l 。土 钉的特点是沿通长与周围土体接触，以群体起作用，与周围士体形成一个组合体，在 体茇生变形静条侮下，通过与土俸接触界面上的精缭力或瘁擦力，使钉被动受拉， 篾主要通过受拉王作给体以约束加固藤使其豫定。 现代士钉支护是2 0 世纪7 0 年代发展起来的一种支护技术，许多欧美国家几乎 在目一时期内各自独立提国了这种支护方法并加以开发。出糯这种情况并非偶然，困 淹土钌支护技术在诲多方露与隧邋修建的辑奥法藏工类似，霹看成凝奥法麴延 孛f 2 l 。 法国在工程中_ 陂用土钉支护技术始于1 9 7 2 年，法国著名的承包商b o u y g u e s 将新舆法 淹遒施工的经验攉广于边玻开挖以傈持边竣稳定，在法国凡尔赛附近为拓宽一处铁路 路基匏逑坡开挖王程中，采用了喷射漫凝露鼷劳在体中萋入钢簸形成炼时支护取 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 。，长9 6 5 m ，最 大坡高2 1 6 m ，主钉的长度为上部4 m ，下部6 m ，共用了2 5 0 多根钻孔注浆锚索， 藤层的喷射混凝辱5 0 鼢牲珏。这是考谨缨溅羧豹第一令钌支护工程。德国鞠美 网在7 0 年代中期也开展了土钉技术的应用。美圊最早威用土钉支护在1 9 7 4 年，一项 商名酌土钌支护工程是匹兹堡市的p p g 工娩总部的深基坑开挖。1 9 7 9 年，德豳在 蛙u 蛀鲥建造了第一令采久拣钌工程( 鬻l 妇1 ) 。势进褥了长遮1 8 冬戆工纛照测，获 得了许多有价值的数据。稍后采用土钉支护技术的国家还有英国、两班牙、巴西、匈 牙利、印度、新加坡、南菲和日本簿1 5 1 。 1 9 酾年法翅发表豹报告表明，该重镪年约蠢5 。令z 程慕震钌灌接拳，其中终 脊1 0 用作永久支护设施：据法国1 9 9 2 年的调查，土钉支护在该国每年仅用在公共 工程中就有约1 1 0 5 m 2 ( 拔支护两层的面积计冀) ，此外尚有数以酉计的私人小型建 筑等在攘工时掰了钌。据1 9 蛀调奎，德国己残珐逸采瘸钌支护技术建成5 嘴令 工程。土钉支护技术在法国、德国应用非常广泛，己成为一种常规技术，应用范嗣并 穗推广到用于为铁路和公路的边坡的永久性挡墙。 2 第l 鬻绪论 我蓄程主钉支护技术方蕊的研究和应用起步较晚。1 9 8 0 年的由磷柳湾煤矿的边坡 工程楚应羽主钌支护工裰的曾铡。2 0 世纪9 0 年代，随着城市建设的加快，大量的边 坡、路堤和基坑围护都需由支护加固，使土钉支护技术在我阑开始得以迅速撩广，北 索、深帮l | 、广州和武汉等许多城市都脊许多成功的事例见诸报道。1 9 9 2 年在深蛳l 文锦 广场基统支护中采翔了钉支护，是豳内蓠次士钉变护技术应用于城区的深蘩坑焱护 中。尽管土钉的应朋在我国开始稍晚，但由于阑内的建设规模巨大，土钉支护的应用 数量待计瑰已怒过萁德国家弧 钉支护与其它的挡主技术或支护技术耜沈，商许多独特的优点栩： ( 1 ) 材辩用量和工程量小，施工速度快。不仅可节省钢筋和混凝土的用嚣，而 鬣能改善施工条件和缩短工勰。 ( 2 ) 施工设备轻便，搽作方法简单、作照空闯不丈，备种施工场地都可选用。 ( 3 ) 结构轻巧，柔性大，有很好的娥性，且即使破坏，一般不会彻底倒塌。 ( 4 ) 钳制棒、成孔霸安置均不霈簧复杂技术和大型枫械，擒工时嗓音和髓动 均很小，可以减少对环境酌干抚，特制适台于城市避区施工。 ( 5 ) 蜜全可靠。土钉支护施工采用边开挖边支护工艺，安龛性易于保证，当个 别士钌出魂质爨问题时对整体稳定影响较小。j l ：外士钉壤技米的另一蓬要优点是可以 根据需要随时修改土钉间距和长度，以免出现攀故。 ( 6 ) 工程造价低、经济效益好。国内统计资料表明，土钉支护可比排桩法、钢 授桩节省造价约2 5 4 0 ，可h ：灌拣桩节省造价l ，3 l ，2 。国外资籽表明对开挖深 魔在l o m 以内的基城，土钉比锚索支护可节省造价l o 3 0 ，经济效益良好。 l 。2 。2 黧恣辨研究方法发现状 钌支妒按零虽然应躅辩阕誉妖，经悉在国内辫褥翔速蘧发爨，箕技拳静纛嗣丈 大雄动了该技术豹磺究。瓣翦黠铤支护拽零数疆究，藿蠹终恐取褥了缀多研究成豢。 嚣终彝鞫瘫分裂麸 建鳃粥年代瑟瀚零找开始磺究镑支护技术。最攀对主钌支 妒涟行系绫疆究戆是德国，葵次法、美、英等嚣家落先舔开鼹了这方鬻静磷究。在我 国，最掣磷突钉支妒瓣是煤炭部太爨没谤研究院至步云教授，之螽诲多攀经及离梭 凌稳继投入主钌支护鹣研究。嚣嚣慰钶支护弱：蠹 究奄维试验黟 究和壤论蹬究，试验 磅究方法主曩慧牾室内懿横蘩墙试验、离心试验、瑷溺撬菝试验和压力测试等；疆 谂分幸厅主要蠢叛限平簿法、露陵元法、工程麓 乏分瓠法戳庭羧据王程经验蕊结憝经验 气 巾出夫学赣士学位论交颈穗力锫素复合土钶囊护雨力投查形豹研究 设计法。 l 。2 1 2 1 试验磷究 一、模螫淤试验黟 究 l 、德国的模型墙试验l l l k a r l s m h e 大学的岩土力学研究所在承包商i 加lb a u c r a g 的资助下，从1 9 7 5 年到 1 9 7 9 年进行一磺为鬻瑟年静工程( 该工程被命名为8 b o f l c d v 蹦l a s e k s ”) 研究，菸迸行了 七个大型足尺土钉支护模型墙试验( 离6 戚7 m ) ，另孙在不同埋设条馋下进程了上百 个抗拔试验，试验主骚在砂土中进行。这一研究的主要结论有： ( 1 ) 钉支护静王幸# 穗能与蘩力式撩主墙黉钕。 ( 2 ) 在天地下水、墙馥直立秘地表水平的羧传下所霈的钌长发为墙离的& 5 o 8 倍左右，钉距应小于1 5 m 。 ( 3 ) 两搽压力霹缓定瓣毒，穴枣约为痒仑主动主压力静o 4 o 7 倍。 2 、法国的模型墙试验【1 2 l 法豳在1 9 8 6 年开始执杼了一项名为c 1 0 u t e 黼的四年研究计划，由政府及私人企 激联合滚劲，投资约为4 万美元，有2 1 个单链参魏，包括施工承包商、政府研究 枫掏和糍等院校。这项研究镪蒎三令大型士钌支护横型壤试骏，在国裳建筑与公麸工 穰研究中心( c e b l 瞪) 内进行。1 母墙高7 m ，宽7 5 m ，为研究土钉受拉破坏，士钉 设计褥怒够长，并将撬拉强度静安衾系数降低到l j l 。试验时瓤顶部翱水便主体逐渐 馋秘弓 题破螺。2 号蟪惠6 黻，宽2 瓣，研究超挖鬟重支护稳定蛙的影睫，增加挖深逡成 破坏。3 号墙高6 m ，宽2 m 。研究二匕钉粘络长度的影响，试验时缩小土钉的抗拔带占结 妖度造成破坏。试验体采糟f o n a 妇b l e 勰矽分层夯实，每艨浮2 0 c m ，蠛积后确当 予“中蜜砂”，= 3 铲，c = 3 l 【辩，标壤爨入逡数在l m 深处为8 ，6 搬深处为1 5 。荛保避续 构的乎馘变形，墙体两侧均用双层耀料薄膜与周围隔开。通过每步开挖l m 逐步建成 该土钉壤，钎的水平间距1 1 5 m 。钉与承平方肉的倾角为l 伊，钉长在6 8 m 范围 蠹。这矮 袁验磺究鲍主要结论失： ( 1 ) 钉中的拽力沿长度变化，最大拉力位鼹不在端部而是离开面层一定距离， 土钉靠i 玟面层的端部投力与钌中最大拉力的眈值随着往下开挖而降低。 ( 2 ) 钌在镬熙除段主要受槛，钵变形嚣在主铤孛善先出瓒豹是控力，只有 在临近破坏时土钉的抗弯刚度才起作用，使土钉嗣时受到弯剪，土钉破坏时的弯剪作 4 第l 章绪论 鼹对予提裹支护承载力的黉皴甚少，照j c 重防壹抉邃疆豁骞好处。 ( 3 ) 极限平衡分析方法能够估计土钉支护破坏时的承载能力。 ( 4 ) 施工过耧中每步开挖深度对于支护的稳定穗关重要。 为了进一步扩充这硬黟 究，法国接饕又迸抒了名麓“翻越e 黜2 ”为麓溪年瓣主 钉支护研究项目，投赍约2 5 0 万美元，主要研究地震、冰冻以及地袭倾斜对钉淹护 稳定性的影响。 3 、美国瓣模型壤试验1 1 l 美图的c ks h e n 等于1 9 8 1 年在美国加州大学d v i a s 分校建造了一个土钌支护足 尺模型，试验采用了移质粉和粉粘土。基坑豢直挖深为9 2 m ，分5 步阡挖，每步 挖深1 8 孙钌荛链藐注浆钌，粪径为l & m ，滏涤霾设置5 搽，浚谤长发为6 i 辍， 倾角为2 铲，水平间距均为1 8 m 。试验的主要结论如下；在开挖面盾5 艇蛾一0 3 0 5 m ) 处，永平位移在地表位置最大，程开挖面后1 5 f t 处，水平位移的最大点下移；开挖面 激下熬窳平位移穗对来说魄鞍毒 备屡主钌懿辘力基本致，靠开按霭娃簸丈，惩部 接近于零。此外，在试验中还研究了交通穑载下支护结构的变形情况，当- 开挖深度为 3 0 f t 时，最大水平位移仅为o 8 通2 0 l i 皿) ，说明_ 士钉支护结构的抗动载性能良好。 4 、煤炭酆太愿设毒幸璎究院瓣模鍪l 墙试验强 模型试验士坡高1 5 m ，坡角为8 俨，边坡土体由粉质糕构成，钉长l 。0 5 m ， 通过加栽使支护结构发生破坏，加载距坡顶边缘2 4 c m 。用土钉支护边坡在超载作用 下翡承载方挺对对手索主逸壤懿承凌力戆挺裹，来浚赞钌辩捷离土俸强液豹俸稽。 5 、武汉水利电力大学的模型墙试验【2 l 用商9 0 c m 、长8 0 c m 、宽3 0 c m 的模溅槽进行模拟试验，士坡横型高度和宽度分 剿海8 隗m 帮3 m ，填糕鸯妙士。模型稽燕嚣嵌密透赘有祝玻璃较，耀于测读主体位 移，右侧为1 5 块3 0 5 0 c m 的条，在填砂时俘挡板用，试验时由上蕊下遴层拆除本 条，每拆除一滕就击入一层土钉，以模拟歼挖与支护的施工过程。模拟施工过程之后， 巍】戛蘑分缓热麓至酸舔。荚遗孪亍了1 8 缝模囊试验，磺究钌长发、颁角、闯距帮砂 土的密度等参数的影响。 6 、间济大学的模型墙试验i l l 试验采嗣离耋2 难、长3 c m 、宽c m 戆模型稽，按l ：l o 静磁铡歼挖，歼挖 深度为o 6 m 。试验按实际土钉旌工顺序进每，钉采用击入戏钌。土钌誊才料爻宽 1 1 m m 、厚1 m 的带肋黄铜板祭，面展用o 2 栅涤纶薄膜模拟，模拟士采用常州红砂， 5 中山大学硕士学位论文 预应力锚索复台土钉支护内力及变形的研究 试验分5 缀，分别采用参数不同的两种模型土，通过不同支护参数的对比试验避行定 缝努撬，戮究在软趣蒸士主钌熬受力瓤瑾，笼较不麓主钌毒簧方式对稳定拣戆影确， 分析处于软土层的土钉受力分布，检验土钉支护体系承受超载的能力。 此外，英国从2 0 世纪8 0 年代开贻也对土钉有过较多的研究，包括分柝方法及计 舞翟彦拜发( 牛津丈学、英国运输部簿) 、离；整撬羧整试验、实鼯钌支护王程的内 力与变形突测以及大型的抗剪试验( w h l e s 大学c a d i 董f 学院) 等。其中w 扎s 大学c a d i 仃 学院所做的赢剪试验表明：当剪切位移小于2 0 姗时，未加筋和加簸试样的搿钱位移 将往基本撩经；嚣当赘朔链移大予m m 薅，在鞠鲻链穆下，撩麓土撵溪承受瓣瘩平 荷载大大越过未加筋土样。英国剑桥大学的j c w e l l 和j 0 n c s 也作了类似的大型赢剪试 验，试验的结果和前者潦本相似。 二、凌心模型试验磷究 1 、日本的离心模型试验f 1 1 日本在平面加荷、离心加荷两种试验的条件下分别对模型进行了试验研究，结果 表鞠热翁壤魄来翔黪圭瑗魏承载瑟力凑狠多，嚣疑撩藜越长，加霾效莱越好，煎搐 筋长度超过一定长度，加固效果的增加就不是很显著了，即土钉的设置存在最饿长度。 离心试验表明末加固的坡滑移睦线的端点在坡面的中部，而加筋士坡的破坏曲线形 获豹影穗帮l # 露显著。 2 、b 0 l i o n 等的离心模型试验【1 1 】 b o h o n 簿在1 9 9 0 年运用离心模擞试验研究了土钶支护在越曝结粘土开抡巾的应 穗，麓透了簸工寒颓鹣鬣麓稳定羲、工嚣俸澎酝叛及囊魏豫承藤力簸游教交纯祷撬。 运用楔体平衡理论估算了不排水和长期排水稳定情况，研究结果淡明士钉支护可以应 用于硬粘土的开挖中。 3 、弧蠡渐趣等静褰，办模鳌试验戳 t u e w i a n 等于2 0 0 0 年采用离心机模型试验研究了士钉支护结构在地震作用下土 钉支护的性娆。他们研究了不同土钉长度、刚度的影响，总共逃杼了四个模裂试验， 试验结栗表骥土钉支护络擒麓抗震穗麓蘸好，钉长度越大，其稳定性越簿；在邋震 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，土钢的抗 弯疆4 度对懿个结构的稳定性和失稳机制没有明显的影响。 4 、错溪大学豹离心模鎏试验1 1 2 】 试验使用小模型箱，采用重塑土，试验中选取5 根外径6 m m 、壁厚1 m m 的铝台 6 第l 章绪论 金管终为模型士钌，模型魄秀n 一姻。试验共避孬了4 缀，其中第l 、2 缀不设钌， 即为素士边坡。通过离心模型试验，研究土钉加固边城的变形情况、作用枫理和土钉 应力分布规律。 三、现场测试试验 国内外在开展模型墙试验和离心模型试验的同时，也进行了很多现场测试试验。 美国加州大学d v i a s 分校c a l e n 等在基坑模型开挖j 童= 程中，对地面不同距离 瓣拳乎经移秽士钌接力皴了监测，蟪瑟瘩平位移援经终仪蓬测，建凝痰懿零平霞移疆 测斜仪脏测，土钉拉力用威变式钢筋计j i ；f 测。为了研究土钉的抗拔作用，g u i l l o u x 等 进行了土钉抗拔试验。试验结果表明，当钉土的相对位移达剿o 6 3 om m 时，钉土 阙鳃援隈剪应宠达至# 爨丈，钌黪受豹剪力与豁闼静楣对像移壹搂穗关，并在彼移 达到某一值前，随位移的增大而显著增加。极限剪应力的大小与士钉的埋深几乎没有 关系。试验同时表明钉土间的相互作用与应力成变的美系极为密切。 煤炭部太霖设诗疆究黧王多云教授等结会出莲攒湾潆矿速坡支护工援进行了现 场测试。采用原位抗拔试验测定土钉的极限界面摩阻力，同时还对坡顶的竖向和水平 位移进行了监溯。西安建筑科技大学的壬士川和王安军教授通过现场工程测试，研究 分掇拉力窝势力在钌支护结构孛掰发撵黪不鞠效能，舞掺逡了势力效瑟与钌经是 之间的关系i 。姜振泉等在1 9 9 6 年进行了土钉支护模型的剪切试验，研究了不网土 钌长度和倾角不同情况下的补强效果，得出以下结论：只有在稳定土体内具有一定长 发鞋，主钌方筑发挥斡强穆翘；擎蔟秘藐控替强捧爰等疆蔟密度密韬相关，餐钉密 魔对单筋的抗剪补强效果的影响不如前者魄显，雄矮的抗剪补强作用差要与材料的抗 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 栗显著，餐鲡巢主钌凝有较舞戆抗窍戮魔，整没鸯产叟鞠显静弯螽变形，钶可毅产 生明显的抗剪补强效果。而其它小型的现场测试试验，则是不胜枚举盹 1 2 2 2 理论研究 钌支护分辑帮诗箕方法是铤支护王程设诗豹耋簧疼鬈，也是主钌支妒技零痤 用的理论基础。从大鬃的工程实践中，可以把钉支护可能破坏的形式分为体外破坏 ( 整体侧移、倾覆和躲体滑移) 和体内破坏两种类型。前者在工程实际中极为罕见， 京原位钌支妒结搀豹鑫身稳定弱糖结整体佟鼹褥到操涯条磐下，_ i 程中一般采磺类 似重力撼墙设计方法进行水平滑动稳定、抗倾覆稳定、墙底土承载力和整体抗滑稳定 7 中山大学碗士学位论文预应力锚索复合士钉支护内力及变形的研究 验算；后者迄今为止，尚无各国工程界普遍认同的方法，各国根据各自的试黢研究， 挺鑫了稳疲瓣努羲帮诗舞方法，羟霸麓来，主要鸯掇鞭平饔法、密鞭元法、王程餐耗 分析法和经验设计法1 12 1 。 、极限平衡法 较袋乎餐法莛主玻稳定耪基坑支护理论较晕采穗豹方法，穗怒嚣蓊土舒支护痘蕊 最为广泛的方法之一。就极限平衡法而言，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以及不同的钉土相赢作用类型和士钉内 力分毒豹缓定，发震了许多静与其穰纛熬试验或慕一致秘方法。 在国外，工程中应用较多的并具有代表性的有以下几种【j ： ( 1 ) 1 9 7 9 年由s t o c k e f 等人提出的德国方法。其假定滑动蕊为双曲线形，并通过 缓瑗鬻，迸季亍力静掇黻平囊慧钵稳定分辑，枝考纛圭钌鹣挠羧律疆，熬翦切强度 由莫尔一库仑准则确定。 ( 2 ) 1 9 8 1 年由美国加州大学d 渤s 分校c 磁c 蜘n 等人提出静d a v 括法以及后来 经过j 珏r 黼等久( 1 奎8 8 零) 激进的d a v i s 法。其稷定游韵蘧秀过缓麓豹懿秘线形，仅考 虑土钉的抗拉作用。d a v j s 法和改进的d a v i s 法区别在于土体强殿参数和土钉抗拔力 所取的分项蜜全系数不圊，其余内容均相同。 ( 3 1 9 8 3 年由s c h 融s s c r 夔密虢法国方法。该方法缓定涛韵露为蓬弧形，缀攥传 统边坡稳定分析中的祭分法，并考虑穿过滑动面土钉的抗拉、抗翦和抗弯作用进行力 矩极限平缀总体稳定性分耩。 秘) 1 9 8 9 年，崮薹t 。j ，i d l c 提溺的b r 话l 。方法。该方法黻寇滑动瑶为越数螺旋 线形并通过坡脚，用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艘提供的平徽力矩，进而确定钉的位置势绘出了计算番土钉 剪力的经验公式。 ( 5 11 9 9 0 年，由j u r a n 等人提出的机动法或运动法。该方法假定滑动面为对数螺 旋形，结食模型试验中溉察盼机动诲霹位移( 破坏) 岛静力极限乎锶进行稳定分车斥。这 种方法不仪考虑了钵瀚整髂平衡，褥盈认为舒糖壤翦失稳穰往是上瑶钌被拔 出，再逐步发展为整体必稳，为此，引入了土钉最大内力局部稳定验算的内容。 在国内，随着土钌支妒技术在基城支护工程的广泛应用，钌支护技术的瑗埝研 究也避入了快速发展的辩麓。国内静幸午多学者和工弦技术入员对钌支护结构的稳定 性分析作了很多研究，也提出了不少脊实用价值的分析方法【5 】。 8 第l 章绪论 ( 1 ) 程越奎、糖恚镊撵窭数方法。该方法缓定涛渤嚣爻鼹弧形，稳定分辑中考惠 了土钉墙外部躯体稳定性，但钉土问的作用只考虑土钉的抗拉作用。同时编制了相应 的计算程序。 f 瓣清华大学张嚷聚、宋二群、藩肇嚣提窭类毅逮壤稳定分裁串熬瑞典条分法( 凌 修正条分法) 的计算方法。该方法仅考虑士钉的抗拉作用，其抗拉能力由其拔出、拉 断强度的条件决定。 ( 3 ) 王絮安、变维浚、王霪羧在条努法分糖钌支护稳迩懿基稿上，钟黠条分法 存在犬量试算搜寻墩危险滑动面的缺点，采用优化理论中复形调优法对滑渤西进行了 分析，并建立了搜寻最危除滑动面的计算模式。 罗爨辉等采瘸s a 糯a 提爨熬挽麓力穰念，建焱了考虑圭条蠲作矮力彩酶鹣 钉挡墙支护结构稳定分析极限状态方程，并结念可靠饿理论，允析了影响土钉支护结 构稳定的各随机变薰的变异性以及安全系数与可靠度的相互关系。 毙终，辕瑟富等褥爨能方法耱霹靠设理论鸯撰菇会，对主钶支护辔疯黉抗游穆、 墙体抗倾覆和墙底深层土体抗滑动三种模式下的可靠性作了较详尽的分析。杨商文 簿提出用极限平衡法确定土钉支护中的檄限滑裂面，沿极限滑裂面将士钉捎墙分为主 动区嚣被动嚣，潺裂疆筵俸终兔撵辇毪体，掰区域内土体佟为弹谯俸考虑，瘸边界 元法进行分析l 捌。 以上各种方法魑在不同时期、结合不同的试验观测和理论研究得出来的，具有 宠魏餐穰，雀实舔工辗串起蒺一定酌捧瑙，毽瞧商英不是之她：不铙铬诗体靛整形， 也不能考虑边坡或基坑分步开挖的影响；除机动法能邀褥土钉的局部稳定性分极，绘 出特定的较符会实际的土钉内力外，其它方法则不能给出各土条对予土钉施加的拉力 大夺，簸撬动法覆富迩投考虑承平方蠢豹平黉，没有考虑垂壹方淘静平衡 上述各种 方法是根据特定的试验场地和试验条件，同时为筒化计算两：i 1 5 行了一些假定，因j 比有 一定使用范围和局限性。 二、有限嚣法 有限元法作为一种强有力盼数值计算方法，不仅糍计算土钌支护中土钌的瞧力， 举同土体模型的应力应变关系，模拟开挖过程等，而且可以考虑土体的非均匀性和各 翔弄经等复杂髋态。由予i 俸豹毪态释结构韵复杂毪，将这方法蠹接用予工程并能 得到满意的结聚还有一段距离，但仍不失是耳前公认的建来分亳睡不同参数变纯时敕土 工结构性能变化规律的较为有效的一种方法。到目前为止，很多学者和工程技术人员 9 中山大学硕士学位论文预应力锚索复岔土钉支护内力搜囊形的研究 用有限元方法对土钉支护做过分析，他们在计算模溅、本构关系、旌工过程横拟等方 嚣豹签嚣套不稳嗣l l 。 ( 1 ) c ks h e n 等曾用有限元分析土钉支护中的一些参数对其工作性能的影响。 分析中采用平面平面成变假定的二维模型，模拟熬坑开挖与土钌支护的施工j 遘程，对 钌燕固涎袋曩l 一释复会畜瘫元搂黧缀合考瘩、主钉及萁赛疆熬共嗣终蠲。主靛疫 力应变关系采用d u n c a n c h a n g 非线性e 1 ) 模型，但认为1 ) 变化时对计算结粜影响不 大，所以农分折中t 取常数值0 3 。计算结果表明，影响体系交形的因素主袋有施工 过程、鏊辘深度、静羧震瑷及主钌鹣长度、直径鞠润距等。警歼挖鞍浅辩，承平位 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 点位于地袭以下。基坑驸近地面的沉降随着离开垅边距离的增加丽很快衰减，当距离 等于拜撼深度薅，沉繇羧近予零。 ( 2 ) l j n t e 玎e i n e r 等于1 9 9 5 年对法国c l o u t e f r e 研究项目中的一个试验土钉支护结 构进行了平丽有限元分撤。土体服从m o k - c 0 u l o m b 屈服准则和潍襁关联的流动准则， 主钌窥嚣鼷均凌为线弹靛材辩，主钉，涛主体之阕设麓按魅蘧， 舞结采与溅试缩采较 为吻合。 ( 3 ) s m i t h 等于1 9 9 7 年模拟了钉支护结梅中土钉的局部三维作用，分析了土 钌支护结稔的缝捩，考纛了钌穗置豫孺，研究了主钌支护结秘熬整诲破坏霸弱部疆 坏模式。谯计算模型中，沿基坑边壁的计算长度取为土钉的水平间距，土体的本构模 型服从m o 赫西山m b 弹性完全准则，并用限制挝伸强度的方法对其进行修豫。土钉 和傣均袋用王4 节点空鞫等参单元，黼者之闻不设渡舷嚣。s m 娩分蓼亍了钌豹辆力、 剪力和弯矩的分布，研究了不同超载情况下结构的性态。计算结果表明，在没有超载 或超载较小对，最大沉降点位于面层簸，当超载较大时，最大水平位移的位鬟在缝表 渡下l m 左右，最大沉降赢离蟊层有一定鹃距离；豫了最下嚣一撵士钌，其余主钉中 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霄关，土 钉的抗弯_ 襁抗剪作用与超载有关，在超载为零的情凝下，当开挖刚结束时，土镊中的 弯矩菲常小，但是蘧着越载戆蹭麴，钌中静弯矩变大，第一撵钌承受静弯簸最大。 ( 4 ) 清华大学柬二样、陈肇元予1 9 9 6 年采用p l a x j s 土工结构分析软件对土钉 支护进行了分板。分柝中采用平面瑕定，土的本构模型采用m o h f g d u b m b 模式， 并溺限制藏撺强度豹方法对其送行修覆。对于体采用1 5 节煮三蕉形单元，对于主 钉，当仅考虑受拉作用时，用拉压杆( 索) 单元，当同时还考虑土钉的弯、剪作用时， 1 0 第l 章绪论 采用m i n d l i i l 粱单元，单元的节点数目和土体单元一边的节点数相同，以保证变形协 调。对于支护面层，采用m i n d l _ i i l 板单元。在面层与士之间及土钉与土之间采用1 0 节点界面单元。计算结果袭明，面屡混凝土的作用主要是防止坑壁的松动和腿部塌 落，由于土钉的分布较密，面层的力学作用磐誉重要，其厚度对支妒体系性憝的影嚷 不大：加长顶艨钌的长度对减小变形魄较骞效；潍蓑努挖深度数蹭燕，钌熬轴力 迅速增大，其爨大馑黪经受毽避渗 辨移。 ( 5 ) 秦爨清等于1 9 孵年采瑙平舔有限元对蘩坑开挖土舒支护进行了分析，眈 较了有支护和无支护两种情况下士体的拉应力隧、剪应力区、破坏送以及位移的分布 规律，分析了歼挖过程中土钉的内力。结果发现有土钉时，士体中的拉应力区明显减 少，剪应力集中区的范围减小且剪_ 擞力榘中程度较低，坡角的破坏区明强变小，说明 土钉的作用在予分拯了士体部分应力，并通过钉士棚互作用姆应力扩散传递到周围 体中，减小了土体威力集中程度，充分调动了周围更大魏曩主体承载能力。出予钌 对体的侧向约束作用，减小了基坑变形，劳虽由予钌懿篪会捧翅，使褥基坟破坏 区的形成滞蘑予无支护舞挖。根据谤算结果，歼挖露处鹣东平盛移鹣线鬟琥“锯齿” 状。 ( 6 ) 张翡聚等予1 9 9 8 年考惑钉豹髑部三维作粥，模拟了基坑开挖和土钉支 护的施工过程，分析了开挖葶f 起的支护缩构位移、土钉一轴力、土中应力的分布和变 化规律。在计算模型中，沿慕坑边壁的计算长度取为一列土钉加固范围的一半，对于 土体采用d u n c a n c h a n g 非线性本构篾系，i 搿土钉和面层则采用线弹性模型，土体秘 面层均用2 0 节点空间等参单元模拟，土钌用3 节点室闻抒( 索) 单元模拟，蘧者之 间不设接触颓。在上述模型的基艘上，张明凝等于1 9 9 9 年考虑了土钌譬体之阕的 皴缝作嬲，鼯在钌与土体之闽豹节焘搂入双弹簧联结攀元，势参照b d e d n n c a n 皴爨准矍| l 给搬了一种判断是翔萄葳鲜荷( 孬鸯蟊蘅) 豹标准。用改进衙静方法分析了一实 际工程，验诞了该分析方法静可靠毪。 此外，翻内很多学者也对土钉支护进行了有限元分祈。东南丈学的胡孔豳和宋启 根采用带两个转动自由度的g 0 0 d n m n 单元来模拟士钉挡墙与土之间的接触作用，推 导了它的剐度矩阵，井用弹塑性商限元法分析了土钉挡墙与土共同作用机理【2 6 1 。张群 等将士体离散为具有平面内旋转自由度的三角形膜，土钉离散为乎露粱单元，对深基 坑土钉支护做线弹性有限元分椐，摄燃了体_ 帮钉的蠹力都获褥改善熬结谂【5 0 1 。 商限元是数德分撰熬煮力工舆，健震予王绩梅分辑对髓有举少霭难，冀最主要 中山大学硕士学位论文 预应力锚索复合士钉支护内力及变形的研究 的困难在于土的本构模型及模型参数的确定。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。 三、工程简化分析法 在工程实践中，人们提出了许多简化分析方法。简化分析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。虽然这类方法在理论上显得较为 粗糙，但用于估算土钉拉力和对于有经验者进行土钉的初步设计仍然不失为一种简便 可行的方法。 在国外j u r a n 曾综合了一些工程实侧的结果，参考了t e r z a g h i 和p e c k 针对支撑板 桩支护所建议的土压力分布，将土钉挡墙中的士钉比作支撑，并加以适当的修正，提 出了当士钉等长设置时，不同高度土钉的最大拉力分布筒图，仅适用于均质土体，坑 壁直立、地表水平无超载的情况，不适用于软土和地下水的土体。 在国内目前，土钉支护常用的简化分析方法有【1 1 以2 l ： ( 1 ) 我国有色金属工业长沙勘察院提出二分之一分割法。该方法首先要确定土钉 面板上的土压力图形和土的间距s ，s h ，然后再按二分法来进行每根土钉的受力情况 分析。 ( 2 ) 假定潜在破坏面的方法，包括楔形破坏滑移面和双折线滑移面法。前者方法 是套用重力式挡墙背后的土体楔形破坏的特点，按库仑土压力理论，滑移面的倾角为 4 5 n + f 2 ，与c 无关：后者方法是仿照加筋土挡墙滑动面，上为直线、下为斜线，直 线段离开墙面的距离约为基坑深度的0 1 3 倍。这两种方法的土钉的拉力均由土体侧向 土压力分布求出。按前者方法计算数值偏于安全，虽然上部土钉偏长，但在城区实际 工程中考虑到上部土质多为回填士，结构较松，变形量大和一定量的变形会对建( 构) 筑物和地下管线等周边环境造成较大的影响的原因，为严格控制变形，往往加大上部 土钉的长度，但底部土钉长度偏短，存在不安全的隐患；按后者计算偏于不安全，因 为加筋挡墙是由下向上构筑的，填土经筛选，滑移面的位置s = 0 3 h 的假定比较符合 实际，用于土钉设计可能导致上部土钉长度不够。 ( 3 ) 王步云方法。王步云建议的简化方法在实际工程中应用较为普遍。该方法也 假定滑移面为双折线，即上为直线、下为斜线。与假定潜在破坏面的方法不同的是土 钉结构由经验公式确定，其中土钉长度设计公式为：l = m h + s 。式中m 为经验系数， 一般可取m = 0 7 1 2 ；s o 为止浆器长度，一般为0 8 1 5 m ；h 为基坑深度。土钉间 距设计由下式确定：s v s h ，三k 1 d h l 。式中sv s h 为土钉的列距和行距；d h 为土钉直 第1 章绪论 径；k l 为没浆工艺系数，对一次压力注浆，取1 。5 2 5 。同时按土钉过曩伸长戚屈服 逶孬钌赢径验算，羧器嚣摩整秀避行疆霾力诗舞。 四、经验设计法 尽管瞬前土钉支护的机理和设计原理还不甚清楚，但人们通过长期的工稷实践积 累了丈羹戆经验，这鳖缀验戈钌支沪豹设计鬟供了重要静参考徐藿。在一定程凌上 进行经验域规程设计法也是一种较为肖效的方法。 1 3 复合钰支护的发展秘褒状 1 3 1 复合土钉支护概念的掇出 一、钶支护的趱限性 前颟融经提到过了，土钉支护与勰它的挡土技术相比，有糟许多独特的优点。但 是，钌支轳也存它兹髑限性，使褥钉支护的疲塌受裂一定鹣限制1 2 l ： ( 1 ) 现场需有允谇设鬣土钉的地下空闻。虽然在边坡稳定巾不存在这个润题，但 是在采用土钉支护进行撼坑支护时，由于高层建筑一般都是建造在建筑物密度较高的 市区，僵熬辘附近有地下簿线或建筑貔基础，莲工时裁会襁互彩旗，甚至不缝采震 钉支护。 ( 2 ) 土钉支护通常仪适用于地下水位较低的、自立性较好的地层，不宜用于含水 量丰富的耪绠骖层、砂努蚕嫠窝淤潺矮层审。一般墩不戆疫鼹予没鸯旗露舀稳戆力 酶泡耜粘，在这类土艨中毖须与其它的士体加黼赢护方法相络念，而且出于土钉在 这类土层中的抗拔力低，故此在饱和粘性土及软i 中设置士钉支护需更特别谨慎。 ( 3 ) 钌支护的撬王是先开挖蜃支护，未支护瓣嚣楚边坡赉予帮芬馋雳联弓| 起戆 应力释放，会在土钉和两层施工期随产生一定位移，而且士钉施工完后需要坡产生 微小的变形使其发生作用。这样多个开挖支护层位移累积的结果