（固体力学专业论文）软土边壁坡破坏模式及支护机理研究.pdf

西南交通大学硕士研究生掌位论文第j 页 摘要 一弋迄今为止，软土边壁( 坡) 尚无公认的破坏模式，以往的稳定分析一般 建立在圆弧或平面破坏模式基础上；国内外建筑工程界不建议或不提倡将锚 固技术或土钉墙技术应用于软土边壁( 坡) 的围护。) 本文通过大比例尺相似 模型试验，加固机理实验及多方案理论计算和综合分析，研究了软土边壁 ( 坡) 的破坏模式和支护机理，得到下列结论： 1 软土边壁( 坡) 既不取圆弧破坏模式，也不取平面破坏模式，而是 取流鼓破坏模式。软土流鼓破坏模式具有五大破坏特征及其引成机理。 2 土钉支护软土边壁( 坡) 既不取锚固的概念和机制，也不取土钉墙 的概念和机制，而是有其独特的概念和机制，它是锚固和土钉墙概念和机制 的综合和发展。 3 土钉支护软土边壁( 坡) ，实用性强，安全可靠，已经、正在并将继 续创造出巨大的社会效益，军事效益和经济效益，并为当今国内外流行的传 统法所不能比拟。 本文中提出的若干新的概念和分析方法具有一定的理论价值，对软土工 程围护设计具有重要指导意义。 关键词软土边壁数；破坏模式；支护机理 綮岜形 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 a b s t r a c t u pt on o w , t h e r eh a v eb e e nn oa c c e p t e df a i l u r ep a t t e r n sf o rs o f t c l a ys i d ew a l l s ( s l o p e s ) f o r m e rs t a b i l i t ya n a l ) 7 s e sw e r eg e n e r a l l yb a s e s o nt h ea r co rp l a n ef a i l u r ep a t t e r n i th a sn o tb e e ns u g g e s t e do r r e c o m m e n d e dt h a tt h ea n c h o r a g et e c h n i q u eo rs o i l - n a i l e dw a l lb eu s e d f o rt h ee n c l o s u r ea n ds u p p o r to fs o f tc l a ys i d ew a l l s ( s l o p e s ) t h r o u g h l a r g e s c a l e s i m i l a rm o d e l t e s t i n g ， r e i n f o r c e m e n t m e c h a n i s m e x p e r i m e n t s ，t h e o r e t i c a l a n a l y s e sa n dc o m p r e h e n s i v ei n v e s t i g a t i o n ， t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e st h ef a i l u r ep a t t e r na n ds u p p o r t i n gm e c h a n i s m o fs o f tc l a ys i d ew a l l s ( s l o p e s ) ，a n dc o n v i n c i n g l yp r o v e st h a t ： 1 s o f tc l a ys i d ew a l l s ( s l o p e s ) f o l l o wn e i t h e rt h ea r cf a i l u r ep a t t e r n ， n o rt h ep l a n ef a i l u r ep a t t e r n ；r a t h e r ，t h e yf o l l o wt h ef l o w c o n v e x f a i l u r ep a t t e r n ，w h i c hh a sf i v em a j o rf a i l u r ec h a r a c t e r i s t i c sa n di t s o w ng e n e r a t i n gm e c h a n i s m s 2 t h es o i ln a i lu s e dt os u p p o r ts o f tc l a ys i d ew a l l s ( s l o p e s ) t a k e s n e i t h e rt h ec o n c e p to rm e c h a n i s mo fa n c h o r a g e ，n o rt h a to ft h e s o i l n a i l e dw a l l i th a si t so w nc o n c e p ta n dm e c h a n i s m i ti sa s y n t h e s i sa n dd e v e l o p m e n to ft h ec o n c e p t sa n dm e c h a n i s m so f a n c h o r a g ea n dt h es o i l n a i l e dw a l l 3 t h es o i ln a i li sp r a c t i c a l ，s a f ea n dr e l i a b l ei ns o p p o r t i n gs o f tc l a y s i d ew a l l s ( s l o p e s ) i th a sb e e ng e n e r a t i n gg r e a ts o c i a l ，m i l i t a r ya n d e c o n o m i cb e n e f i t s a n dw i l lc o n t i n u et od os o i ts ib e t t e rt h a nt h e t r a d i t i o n a lm e t h o d st h a ta r ec o m m o n l yu s e da th o m ea n da b r o a d s e v e r a ln e wc o n c e p t sa n da n a l y s i sm e t h o d sa d v a n c e di n t h i s p a p e rh a v ec e r t a i n t h e o r e t i c a lv a l u e sa n da r ei n s t r u c t i v et ot h e e n c l o s u r ea n ds u p p o r td e s i g no fs o f tc l a ye n g i n e e r i n g k e yw o r d s ：s o f tc l a ys i d ew a l l ( s l o p e ) ，f a i l u r ep a t t e r n ，s u p p o r t m e c h a n i s m 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 研究的目的和意义 软土是一种特殊不良地质体。这里主要指淤泥质土。它具有含水量高、压 缩性大、透水性小、力学强度低、临界高度小、自稳时间短等特点。因而软土 的工程问题特别是软土基坑边壁( 坡) 的稳定问题十分突出。 软土在我国的分布很广。在广州、福州、上海、天津、深圳、塘沽、杭州、 龙溪、宁波、温州、武汉、舟山，贵州、昆明、惠州、海口等地均有较大面积 分布。随着国家经济建设发展，在这些软土上建造高层建筑已越来越普遍，基 坑深度也越来越大，边壁的稳定问题也越来越突出，以至于工程事故频发，社 会影响较大。然而，迄今为止，软土基坑边壁( 坡) 尚无公认的破坏模式。边 壁( 坡) 破坏模式是边壁( 坡) 稳定性分析的基础，对边壁( 坡) 工程的成功 建造具有决定性意义。以往软土边壁( 坡) 围护设计，般沿用圆弧破坏模式 ( 或同时辅以平面破坏模式) ，或者采用工程类比法( 或同时辅以理论分析计 算) 等。其科学性、合理性及设计可操作性均值得商榷。 软土边壁( 坡) 支护，对于锚固技术，在国际上一直被视为禁区我国的 有关规范明确规定，土钉不得用于软土、流沙一类介质的支护。打破这一禁区， 使土钉支护法在软土边壁( 坡) 中获得成功应用，对人防、国防及城建工程建 设具有十分重要的军事意义、社会意义和经济意义。但这是否具有可能性? 为了从理论上探讨软土边壁( 坡) 破坏模式，了解喷射混凝土，土钉、钢 筋网联合支护软土边壁( 坡) 的工作状态和作用机理，探讨软土条件下，多快 好省建造防空地下室的可能性，本文拟对软土破坏模式与土钉支护机理进行系 统深入研究。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 土钉墙或土钉技术在国外的研究与应用 具有明确概念的土钉技术的研究与应用，一般认为始于2 0 世纪7 0 年代。 不过，采用这种概念进行设计施工的工程实例，可以追溯到一百多年前英国建 造的世界第条水下隧道一一泰晤士河隧道工程。 土钉墙或土钉技术，在许多国家几乎都是在同一时期各自建立提出并得以 开发的。例如，法国凡尔赛一处铁路路基边坡的临时支护( b o u y g u e s ，1 9 7 2 ) ， 法国l e sl n v a l i d e s 地铁车站工程永久支护( b o u y g u e s ，1 9 7 4 ) ，西德大型足尺 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 土钉墙系列试验研究( k a r l b a u e r 等，1 9 7 5 ) ，美国o r e g o n 州波特兰市g o o d s a m a r i t a n 医院扩建工程中的基坑支护( 1 9 7 6 ) 等等。在北美加拿大的温哥华 地区早在6 0 年代末期即已将土钉技术用作房屋基础开挖( 深1 8 米) 的临时支 护。此外，西班牙、巴西、匈牙利、t 3 本等国家也都是在7 0 年代开始研究 和应用土钉墙或土钉技术的。许多国家同时开发应用该技术与工程实践这一现 象，其根本原因在于该技术是新奥法的延伸和发展。后者出现于2 0 世纪6 0 年 代初期，在全世界得到了极为广泛的应用。 国外土钉墙或土钉技术的研究和应用，在2 0 世纪8 0 年代为其发展期。其 间，各国依据本身的水文、地理、地质、环境、动静载条件等，进行了大量深 入细致的室内外试验研究、理论分析计算，提出了许多卓有成效的研究成果和 应用资料，包括分析方法与程序开发、工程钉内力与变形实测、土钉离心机试 验及钉、土相互作用、大型抗剪试验等，并完成了大量的实际工程。例如，e t 本1 9 8 9 年所完成的土钉量，总长达1 0 万米。 国外土钉墙或土钉技术的研究与应用，在2 0 世纪9 0 年代为其成熟期。在 此期间，各国分别形成了自己的土钉墙设计理论和方法以及工法，建立和完善 了土钉墙的从勘察、设计到施工、验收的系列技术标准使土钉技术的应用规 范化，并成为一种常规技术而广泛应用。例如美国公路总局1 9 9 8 年1 0 月修订 了土钉墙设计施工与监测手册一书，其中文本已于2 0 0 0 年6 月在我国出 版发行( 余诗刚译) 。 1 2 2 土钉墙方法在国内的研究与应用 我国研究、应用土钉墙约始于2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初。山西柳湾煤 矿边坡工程，可能是我国应用土钉墙方法支护的首例工程。山西太原煤矿设计 院王步云等较早对土钉墙支护边坡进行原位试验研究，并提出了土钉墙设计臆 工的“王步云方法”( 1 9 9 0 ) 。随后，该方法被编入岩土工程治理手册( 林 宗元主编，辽宁科学技术出版社，1 9 9 3 年9 月) 在定范围内得到了应用。 另在公路和铁路边坡工程中，也有土钉加固的工程实例报道。 不过，总的来说，同国外相比，我国对土钉墙的研究和应用起步较晚，未 能获得大规模的推广应用，工程实例不是很多。国外对土钉墙的研究和应用， 起步、发展、成熟三个阶段较为明显。每个阶段周期约为1 0 年。我国对土钉 墙的研究和应用阶段不是很明显，几乎是在十年左右时间内，经历了大体相 似的发展过程。这还是难能可贵的。其中也有学习、借鉴国外经验的因素。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 2 3 土钉支护的研究与应用 土钉支护作为一种崭新的维护岩土工程临空面稳定的有效工法，在2 0 世纪9 0 年代的中国岩土工程领域如火如荼地应用了十年，在我国力学界 和工程界，是一件令人瞩目的事情。土钉支护法于1 9 9 i 年被提出。它一 经在深圳特区使用，就产生了轰动效应，受到了我国力学界、工程界著名 学者、专家如中国科学院、中国工程院和美国科学院院士郑哲敏等的高度 评价、扶持和指导。此后，围绕着在实践中发现的新问题，多次开展专门 研究。至1 9 9 4 年，土钉支护法还只是在深圳、广州、北京、武汉几个城市 大量推广应用；到1 9 9 7 年，它己遍及全国二十几个省市近百个大、中、小 城市，并己实现了由众多围护方法中的次要地位上升至主导地位的转变。 即使在支护难度很大的上海软土地区，土钉支护法应用遍地开花的局面也 己彤成。随着土钉支护法的全面推广应用，总参工程兵科研三所和清华大 学土木工程系的研究人员，又受建设部科技委委托，共同合作编辑出版了 一系列技术标准类文件、专著如“指南”、“条例”、“规程”、“手册” 和教科书，以及各种条件下边壁( 坡) 稳定性分析方法、土钉设计方法和施工 工艺，使土钉支护的设计、应用更加科学、合理和规范。 1 3 本文的主要研究工作 f 一1 大比例尺相似模型实验 在自行设计制作的大比例尺相似模型实验箱( 长x 宽高= 3 7 5 x 1 5 0 6 m ) 内，进行了无支护条件下软土边壁破坏模式实验，从而验证了软土边 壁( 坡) 在临空直立面出现以后的无支护条件下，既不取圆弧破坏模式，也不 取平面破坏模式，而是取流鼓破坏模式。 ( 二) 土钉支护原理性实验 为研究软土边壁( 坡) 土钉支护工作状态，进行了原理性实验。采用不同 外加掺量( o 3 6 ) 的水泥砂浆等胶凝剂，制作了3 0 组共9 0 个试件，分别 测取其物理力学参数指标值，并绘出其介质特征频度图等进行综合分析。 ( 三1 理论分析计算 采用大型几何和材料非线性静动力有限元分析程序r s e r p ，对软土破坏模 式进行了理论分析计算。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 ( 四) 基坑边壁土钉支护现场试验 在上述工作基础上，进行了现场试验研究。试验中，对地面质点位移、质 点位移速率、边壁内土体位移( 钻孔倾斜) 、素喷面层应变、土钉应变、喷网 面层应变，从开挖至竣工稳定的全过程，进行了垒方位量测，取得有价值的数 据上万个。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 第2 章软土边壁( 坡) 的破坏模式 本文依据相似模型原理及所建立的相似法则，对软土边壁( 坡) 破坏模式 与加固支护机理进行了实验研究。实验结果与现场试验及理论分析计算结果规 律基本一致，数据较为吻合。 相似模型是指将某种物理现象的长度、时间、力、温度、电流等缩小或扩 大来进行实验研究的模型。 根据相似原理建立相似法则，以往广泛采用的方法有两种，一种是参数方 程法，即完备地列出支配现象的参数，在把量纲分析应用于这些参数，导出相 似法则：另一种是微分方程法，即依据支配现象的微分方程求出无量纲数，然 后导出相似法则。而根据相似模型原理建立相似法则与上述两种方法均不同。 采用该方法，首先要选定支配现象的物理法则，接着根据这些法则直接导出相 似法则。这种方法过程简捷、易于理解现象的物理意义，特别是还能解决如何 放宽不相容相似法则( 即不可能实现的模型设计规则) 问题，这是模型实验中 最困难的问题之一。 2 1 相似法则的建立 ( 一) 现象的物理解释 软土边壁( 坡) 在临空面出现后，在重力或附加荷载等作用下，即产 生变形以至破坏。土壤变形与土壤颗粒惯性力、土壤颗粒间的摩擦力、土 壤颗粒问的粘着力、土壤的重力、弹性力、粘性力、外力等有关。除此之 外，摩擦力、粘着力、弹性力、粘性力要受到土壤的变形、变形速度、由 于土壤失水而使土壤相应变硬等的影响，还有湿度、温度等许多参数对土 壤的影响等，情形较为复杂。 ( 二) 支配现象的物理法则 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 惯性力 重力 粘着力 内摩擦力 外力 弹性力 变形速率 粘性力 内力 ：2 v 2 = 昭， f = c l f f2 n p ， f e = r e e d e ”7 i r = 枷 弓= d ( 2 - 1 ) 式中：d 为土壤的密度；c 为土壤的粘着强度：u 为土壤的内摩擦系数， u = t a n 巾：中为土壤的内摩擦角，假设它是与土壤变硬程度，变形及变形速度 无关的常数；l 为长度；v 为速度；n 为正压力；g 为重力加速度；e 为土壤的 弹性系数；e 为土壤的应变：o 为应力；q 为粘性系数。 多数情况下，软土的弹性力很小：在变形缓慢的情况下，惯性力及变形速 度的影响也很小，所以这几种因素都可以忽略。研究表明，一般土壤既有粘着 性，又有内摩擦性，但是求出同时满足这两种性质的相似法则是不可能的。鉴 于软土的内摩擦性一般不强，也予以忽略。于是支配现行的物理法则式( 2 1 ) 为 = p o - , t f 。= d 1 = 口f v f = d p ( 2 2 ) 软土的应力和应变的关系是非线性的，因而使模型材料的应力与原型相似 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 很困难。但是，如果制作模型的材料与原型相同( 即复制模型) ，使应力的相 似比 j ：三：1 0 盯 即可解决此问题。于是式( 2 - - 2 ) 为 f 。= p 鲥1 ( 三) 相似法则 f 。= “1 ， f = r f v ff 。i 一 相同材料_ p = _ d 可= 叩 r ： 旷鲁一芷r t 。, j 一+ 告 宰+ n 一 凡 v l g = g 卜同一重力场 相同材料- + c = c 叩一譬c a j - ，一 。 f i r 占= g 同重力场 ( 2 - 5 ) ( 2 - - 3 ) ( 2 4 ) 实验着重观测研究软土边壁( 坡) 在重力作用下的破坏形态和破坏机理， 亘南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 ( 2 6 ) 式( 2 6 ) 是不相容的。欲使式( 2 6 ) 的第二式成立，则必有 p = = 1 ，不能进行模型实验。但根据经验，当软土含水量较高流动性较 ， 大时，重力f 。和粘性力f 。起支配作用，而粘着力r 是次要的，故放宽后的 相似法则为： t 击=l(2-7) ， 式( 2 7 ) 表明，相似模型的长度与变形的时间成反比。该相似法则在所 设计的相似模型试验中得到了验证。 2 2 软土边壁变形破坏形态 ( 一) 地面变形形态 在l 。软土相似模型的地表分别布置了9 个垂直位移测点( 机测) 和3 个 水平位移测点( 电测) ：在3 。软土相似模型的地表布置了1 1 个位移垂直测点( 其 中两个百分表测点，7 个位移计测点) 和7 个质点随动计测点。图2 1 给出了 相应的测试结果。 测试结果表明： ( 1 ) 在固结过程中。地面整体发生不均匀沉陷，最大沉陷量约9 0 i i 皿： ( 2 )开挖后，质点位移增大，且愈靠近开挖面愈大，愈远离开挖面增 大幅度愈小。在o 1 9bh ( b 为系数) 处仍能测到较大位移量，但主要是由沉陷 引起的垂直位移。 ( 3 ) 质点随动计测地表质点水平和垂直位移曲线具有以下特点：在远离 开挖处，水平位移较小，垂直位移较大；随着距开挖面距离的缩短，水平位移 和垂直位移均增大，但前者增加幅度大于后者，在靠近开挖面处，水平位移达 到和超过垂直位移的量值。整个过程，反映出水平位移在“追赶”垂直位移： ，一l 1 = = ，一r，一r 为则法以相 此 因 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 ( a ) l4 相似模型地面垂直位移曲线 c o ) 质点随动计测地面质点水平位移曲线 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 ( c ) 质点随动计测地面质点垂直位移曲线 图2 一i 地面位移实测结果 相应地，二者的位移曲线规律地由向下凹逐渐变为向上凹；在过渡点处， 二者基本为直线，此时地表产生裂缝，边壁进入失稳阶段。可阻认为。此时为 边壁失稳的临界状态。 非开挖条件下地面整体不均匀沉陷的机制在于失水。天然蒸发，人工降水 均可导致她面沉陷，并可能对邻近建筑物造成损害。但就边壁整体稳定而言， 由失水沉陷等所产生的垂直位移尚在其次，更为重要的则是边壁水平位移。边 壁地表水平位移完全是由开挖产生临空面后，地表质点随开挖深度内土体在 重力和侧压力作用下产生位移的随动现象，并与土体的流动性及粘性有关。其 位移特性尤其是水平位移“追赶”垂直位移的现象从一个侧面揭示了软土边壁 变形破坏特性。 ( 二) 地面质点位移速度 a 平均速度 地面质点平均位移速度的测试成果见表2 1 。实测结果表明： ( 1 ) 质点垂直位移速度，1 。3 。侧点量值较为一致，为0 0 6 1 0 0 6 5 m m h ； 对应的水平位移较小。为0 0 1 3 o 0 0 7 r m h 。此后质点位移速度增加，而水 平位移速度增加得更快些，垂直和水平位移速度分别达到0 0 7 7 0 6 3 4 m l n h 和0 0 2 8 0 6 5 9 n h ；合位移速度为0 0 6 2 0 9 1 4 m m h 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 ( 2 ) 垂直位移率在1 + 3 侧点，为8 7 g 5 ；自4 测点开始，急剧增 加，达到1 1 i 9 1 7 ( 此时边壁已进入破坏阶段) ；水平位移率，在l - 3 ， 点处较小，为i 1 1 9 ；4 5 点以后达到4 0 9 5 3 ，其特点与质点垂直位 移速度基本一致。 表2 一l地面质点位移速度测试结果( 3 号试验) 测垂直水平垂直位水平位垂直位水平位 合速度 占 位移位移位移移率+移率移速度移速度j 、 m r s h 。 号 m m，m mm b lm m - i f l m m h 1 】3 ，32 ，91 3 68 71 90 0 6 10 0 1 30 ，0 6 3 21 3 41 61 3 48 91 10 0 6 20 0 0 7 0 0 6 2 31 4 32 11 4 5 9 。51 40 0 6 5 0 0 1 00 0 6 7 41 6 76 o1 7 71 1 14 00 ，0 7 70 0 2 80 0 8 2 52 4 02 6 53 5 8 1 6 o1 7 70 1 1 1 o 1 2 2o 1 6 5 63 3 41 8 53 8 22 2 21 2 30 1 5 40 0 8 50 ，1 7 6 1 1 3 7 5 1 4 3 0 1 9 8 49 1 79 5 30 6 3 4 0 6 5 90 9 1 4 + 垂直( 水平) 位移率为相应位移量与壁高之比；硝l 点因土饰产生捐塌而超豌。 质点平均位移速度粗略反映了地面质点在边壁临空面出现后的运动快慢 程度。实验结果证实地面质点的运动速度是处处不同的，愈靠边壁面，质点 运动速度愈大，愈远离边壁面愈小。因此，地面任意两质点之间，存在着运动 的速度差。质点间水平位移的速度差，是造成地面开裂的根本原因，垂直位移 的速度差则是导致地面不均匀沉陷的根本原因。在临界状态时地面质点的平 均台速度为0 0 6 7 叫h 。但以该值作为临界速度似太粗造。 b 临界速度 根据a 小节分析知，3 i 相似模型的3 7 测点基本处于在临界状态。表2 2 给出了该测点质点位移速度随开挖的变化情况。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 表2 2质点位移速度随开挖的变化 开挖水平水平 垂直 垂直合位移合速度 顺序位移速度 位移 速度 m i l l m m h 1 次 r a m r a m h 1 m m m m h 。 10 0 0 01 1o 0 5 1 21 1 0 0 5 1 2 2o 30 0 0 3 4 5 5 8 0 0 6 6 75 8 0 80 0 6 7 6 3 1 00 0 2 3 3 09 80 2 2 8 09 8 5 10 2 2 9 0 4 1 20 0 4 0 0 01 2 o0 4 0 0 01 2 0 6 00 4 0 2 0 51 40 0 6 0 9 0 1 3 80 6 0 0 01 3 8 7 00 6 0 3 0 6 1 70 0 8 9 5 01 4 70 7 7 4 01 4 7 9 80 7 7 9 0 72 20 1 4 2 0 0 1 5 71 0 1 3 01 5 8 5 01 0 2 3 0 由表2 2 可看出随逐次下挖质点运动速度逐渐加大，所不同的是，质 点水平位移速度的增加幅度与垂直位移的速度相仿( 第一、二次开挖因变形过 小判读误差较大，略去) ，大约在1 5 左右。即质点速度比值为常数。此时 同一质点垂直位移速度v 。与水平位移速度v 。比值大体也为一常数( 表2 - - 3 和表2 - - 4 ) 表2 3质点速度比值实测结果 v 3v 5 v v ， n 1 一b 1 水平 1 7 21 5 2l _ 4 7 1 5 9 i 垂直 1 7 51 5 01 2 91 3 l 即 表2 4质点垂直位移速度与水平位移速度比值实测结果 开挖t 次v t h 39 8 41 0 o 59 9 68 6 7 7 1 该常数a 的大小约为1 0 1 量级。 v t v h = d ( 2 8 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 由此，可用这两种方法判定无支护条件下软土边壁( 坡) 滑移失稳前的临 界状态： v 。与v 。的速度增量比为相等常数： a v t a v h = l ： v t ，v h = o 【= 1 0 c 滑移速度 3 4 相似模型的7 4 测点离开挖面最近，仪器自动记录了在第5 次开挖时边壁 自由滑落的过程。表2 5 给出了7 ”测点质点速度随开挖的变化情况。 表2 5质点位移速度随开挖的变化 开挖次序 水平位移水平速度垂直位移垂直速度合位移合速度 ( m m )( m m h )( m m )( n l m m ) ( m m ) ( m m h ) 二挖 3 _ 80 0 8 8 4 5o 1 0 45 8 9 00 1 3 6 三挖 4 90 1 6 4 3 8o 1 2 86 2 0 10 2 0 8 四挖 3 2l _ 3 9 l2 9 0 1 2 6 l4 3 1 8 61 8 7 7 9 6 8 3 4 89 2 08 0 0 01 3 2 9 6 61 1 5 6 2 五挖 表2 5 表明，质点水平滑移速度为8 3 4 8 m m h ，垂直滑移速度为 8 0 0 0 m m j h ，其合滑移速度为11 5 6 2 m m h ，上述滑移速度值，仍然是1 5 h 的平 均值，最终的滑移速度要更大些，但未能记录到，依据曲线变化趋势，该测试 结果大体能反映失稳体的滑行速度。 地面质点水平位移速度最初比垂直位移速度小一个数量级以上，随着挖深 增大前者以更快的速率变化，至临界状态，二者仍相差7 1 0 倍左右：边壁 失稳时，质点水平位移速度终于赶上并超过了垂直位移速度。据此，有以下边 壁失稳判定条件成立： v t 口v 。 稳定状态 v 1 稳定状态 即：兰l ：1 0 n 月：1 临界状态 。 h e ( 3 - - 1 ) 当砂浆介质与被加固介质力学强度接近时，其受力简图如图3 - - l a 所示 其锚固力为砂浆与锚杆钢筋间的粘结力： = ；, r - dz t - 1 - o 也 ( 3 - 2 ) 式中： 口土钉直径： r 土钉与砂浆间粘结应力： 土钉临界锚固长度： 口砂浆与土钉的抗拉粘结应力： 锚固端面积。 当介质力学强度较砂浆凝固体低得多时，土钉与砂浆凝结体可简化为一 个砂浆柱，二者间的相对变形可以忽略，其受力简图如图3 一l b 所示，锚固力 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 9 页 为砂浆与介质间的粘结力： c = ，也f ，t + d ，4 ( 3 3 ) 式中： d 一土钉砂浆柱直径； r 砂浆凝固体与介质问粘结应力； 土钉砂浆柱临界锚固长度； a 一砂浆柱与介质间抗拉粘结应力： 一罐浆柱端面面积。 当采用特殊工艺，使砂浆有效而较均匀渗、挤入被加固介质中，其力学 强度较原介质高得多时，则土钉受力还可作进一步简化( 图3 一l c ) ，其锚固 力与式( 3 - - 3 ) 同形，但应把砂浆柱的有关参数改为渗浆柱的相应参数。 土钉锚固受力十分明确在滑移面处，可用通常的拉拔力试验来模拟f 图 3 一l d ) 。实际上，其受力分布形态可简化为半个“弓形”，并可足够近似地用 曲线拟合用于特定的地层条件。 图3 1 a 锚杆受力简图 图3 一l b 锚杆受力简图 图3 1 c 锚杆受力简图图3 一l d 锚杆受力简图 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 3 1 2 土钉墙机制 土钉墙是以密集的长度较为一致的土钉均匀或规律地置入被加固岩土介质 中，使原有可能不稳定介质如主动区或被动区内土体整体上被改造、加固成为 一种新型的具有自稳能力和支撑能力的地质体：重力式挡土墙。工程设计需着 重考虑的是这种“墙”的真正形成，而不着重考虑边壁( 坡) 滑移面的位置， 因而可将土钉全部伸入于滑移面之外( 此时也主要是考虑墙体的宽度，而不着 重考虑其平衡下滑力的份额) ，也可部分地置于滑移面之内，这是土钉与锚杆 的重要区别之一。 土钉墙以加固、改造介质为主。图3 1 c 的情形己含有这一因素，但其目 的在于提高锚固力。使浆液进一步渗入至任意两根支护杆件之间的土体内，使 渗浆体完全彼此交合或重叠、整个边壁介质形成为一个新的物理力学性能具有 显著改善的地质体：土钉墙，则这些支护杆件就是土钉墙中的骨架。土钉墙的 破坏形态示于( 图3 2 ) 。 为使土钉墙真正形成，通常需要校核：a 土钉墙整体产生低头现象( 图3 - 2 a ) ；b 土钉墙整体沿底面滑动( 图3 - - 2 b ) ：c 土钉墙连同墙外土体沿坡 脚下深部滑移面失稳( 图3 2 c ) ；d 土钉墙局部被剪坏( 图3 - - 2 d ) ：e 土钉 墙沿弱面发生破坏( 介质被剪切；图3 2 e ) 。任意两根土钉的设计间距 变小，或固一o ( 图3 - - 2 f ) 。图3 2 中的a 、b 、c 、表示有自稳能力而无支撑 能力的土钉墙的破坏：图3 2 中的d 、e 、f 表示没有自稳能力的土钉墙的破 坏。 蹙廷一黝 霪霪垦 图3 2 土钉墙的破坏形态 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 3 2 土钉支护机理实验概述 边壁( 坡) 滑移面处的锚固受力状况可较好地用拉拔试验来模拟。土钉现 场拉拔试验证实，软土中单根单位长度土钉拉拔力下限值一般仅为杂填土中的 1 2 ，粘性土中的1 3 ，粉土中的1 4 ，砂土中1 1 6 左右。人们试图用延长土钉 锚固段长度的方法来提高锚固力，但事倍功半，效果不佳。因此，土钉支护的 作用机理难以用锚固机理来说明。已有的研究表明，土钉墙不适用于软土支护： 工程实践则表明，采用土钉墙方法建造的重力式挡土墙在软土边壁( 坡) 中难 以真正形成，表现为或者缺乏自稳能力，或者缺乏支撑能力。因而采用土钉墙 的原理同样难以说明土钉支护的工作机制。但是采用土钉支护法业已建成多个 软土基坑边壁工程，并取得了良好的经济技术效果。为探讨和论证土钉支护法 的作用机理，本文作者进行了原理性实验。实验研究证实土钉支护的工作状 态既不取锚固机制，也不取土钉墙机制，而是取土钉支护的机制，它是锚固与 土钉墙概念和原理的综合和发展。 3 3 实验概况 兹假定：土钉的特殊注浆材料和特殊注浆工艺使软土的物理力学性质发生 改变，而成为一种其性能较加固前有显著改善、自稳能力和支撑能力明显提高， 但其边壁( 坡) 稳定性仍不高的新的地质体。为验证这一假设成立我们采用 以下方法进行了原理探索性实验。 据实际工程支护所使用砂浆配合比永灰比，注浆量变化范围，凝结时间 等参数，将水泥砂浆等掺入软土中，制备成系列试件进行实验，测定其物理力 学参数指标值，进而分析水泥砂浆等对这些参数的影响及其限度，并与数值模 拟计算结果进行比较。 龄期2 8 天，不同水泥掺量等试验做了9 组： i 试件编号 l 样2 捍3 撑4 槔5 撑6 #7 撑8 撑9 拌l i 水泥掺量等( ) 24681 0ll o 0 龄期：蒸气养护6 1 2 小时，不同水泥掺量等试验做了5 组 i 试件编号 l o 牟 1 1 # j1 2 # j1 3 # j 1 4 # l 水泥掺量等( ) 1 1330 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 2 页 一一_-_h-_，一 龄期2 小时，不同水泥掺量等试验做了5 组： i 试件编号 1 5 #1 6 掣1 7 牟 1 8 撑1 9 群 l 水泥掺量等( ) 036 91 2 龄期4 8 小时，不同水泥掺量等试验做了5 组： l 试件编号 2 0 #2 1 拌2 2 # 2 3 # 2 4 # | 水泥掺量等( ) o36 91 2 龄期7 2 小时，不同水泥掺量等试验做了6 组： l 试件编号 2 5 #2 6 # 2 7 #2 8 #2 9 #3 0 # l 水泥掺量( ) 3691 51 8 3 2 共计3 0 组试件。其中除未掺水泥砂浆等的试件8 # 、9 群、1 4 # 、1 5 # 和2 0 # 无法测出力学参数外，其余物理力学参数均作了较可靠测定。 3 4 实验结果与分析 3 4 1 水泥掺量等对软土物理参数的影晌 3 4 1 1 实验结果 不同水泥掺量等对软土物理参数影响的实验结果见图3 3 a 和图3 - - 3 b 。 eis r 哪一 ；泓一i u - 一 u 1 二饿_ 、l “i 帆 一 图3 - - 3 a 外加掺量对软土物理性质的影响( 龄期2 小时) j ! 墼i 里查兰堕主堡塞竺兰竺笙塞 墨望夏 沁e ” 一 图3 - - 3 b 外加掺量对软土物理性质的影响( 龄期4 8 小时) 实验结果表明： a 随着水泥掺量等的增加，软土含水量w 降低： b 随着水泥掺量等的增加，软土孔隙度n 和孔隙比e 减小； c 随着水泥参数等的增加，软土饱和度只降低； ， d 随着水泥掺量等的增加，软土干重度咯和天然重度，增加。 上述规律在两组不同龄期( 2 h 和4 8 h ) 的试件中是完全一致的。比较上述 二圈还可见： e 随着水泥砂浆龄期的增长，上述a - - b 各项参数指标值减少( w e ，n ， 墨) 或增加( 小) 的幅度加大。 3 4 1 2 实验结果分析 水泥砂浆对软土介质物理参数的影响，是软土中的矿物成份、水与作为胶 结材料的水泥和其它增强剂、添加剂之间发生复杂的物理，化学反应的结果 主要反应机制为： a 物理吸附 物理吸附主要表现为水泥砂浆在固化过程中吸收土壤中的水份，从而使原 有含水量及饱和度降低；水泥砂浆在渗透和固化过程中，部分地填充土壤原有 孔隙，使得原有孔隙度和孔隙比减小，干重度和天然重度增加。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 b 物理化学吸附 物理化学吸附即离子交换体现在两个方面： a 电解质凝聚 首先，胶体中具有导电性质的离子( 凝聚离子，即阳离子) 与粘土颗粒表 面的负电荷发生反应，便产生凝聚作用现象。凝聚离子的原子价愈高，其凝 聚能力愈强。接着水泥与软土颗粒及水中的活性氧化硅和氧化铝与氧化钙相互 作用，不断生成具有水硬性的稳定化合物：含水硅酸钙和含水铝酸钙，并胶结 成结晶网： a 1 2 0 3 2 s i 0 2 2 凰0 + m 乞( o 日) 2 + h 2 0 斗m c 0 0 a 1 2 0 3 + 2 s i 0 2 凹 s i 0 2 + m c d ( o 2 + h 2 0 斗c 。o + s i 0 2 a q a 1 2 0 3 + m o o ( o 2 + 马口斗柳c o a 1 2 0 3 a q b 溶胶的相互凝聚 两种带有相反电荷的胶体颗粒相混合时即发生相互凝聚作用。 3 4 2 水泥掺量等对软土力学参数等的影响 3 4 2 1 实验结果 不同水泥掺量等对软土力学诸参数影响的实验结果见图3 - - 4 。 ( 3 4 ) 图3 4 a 注浆量与c 值关系曲线图3 4 b 注浆量与c 值关系睦线 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 t 雌 l 图3 - - 4 c 注浆量与无侧限抗压强度关系曲线图3 - - 4 d 注浆量与e 值关系曲线 图3 4 e 水泥掺量对e 值的影响图3 4 f 水泥掺量对e 值的影响 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 6 页 一 实验结果表明： a 随着注浆量等增加，土壤c 、m 值显著增加，水泥掺量为6 ，龄期2 8 天后，软土抗剪强度可达到一般粘土的水平。 b 随着注浆量等增加，土壤变形模量e 增加。其规律为：掺量1 时， 增加幅度较小，掺量2 以上时，增加幅度较大，并明显受砂浆龄期的影响。 龄期越长，e 值增加幅度越大。 c 随着水泥掺量等增加，土壤抗压强度r 增高，压缩系数a 减小。 3 4 2 2 实验结果分析 库伦通过一系列试验于1 7 7 6 年总结出土壤抗剪强度具有如下规律： f ，= 口4 形+ c 库伦定律说明，土壤c 、中值增加，则土体抗剪强度提高，这显然有利 于软土边壁( 坡) 的稳定。土壤变形模量增大，则土体整体刚度增大，变形减 小，这与具有高压缩性的软土压缩系数a 减小的试验结果一致。软土的变形量 大，有效减少和控制边壁( 坡) 变形具有重要工程意义，因为软土边壁破坏形态 表明，其主要破坏特征大多是阻变形破坏表现出来的，如边壁鼓出变形，底板 隆起变形，地面流动沉陷变形以至开裂等等。 水泥砂浆掺入软土中后其力学性能得以改善的根本原因，归根结底还是 其物理性质首先被改变的结果。土壤内摩擦力来源于土颗粒粗糙产生的表面摩 擦力，以及粗颗粒之间镶嵌、联锁作用产生的咬合力，内聚力主要来源于土 颗粒之间的电分子吸引力和土中天然胶结物质( 如硅、铁物质和碳酸盐等) 对 土粒的胶结作用。因而土粒的矿物成分，颗粒形状与级配，土的密度、含水量 等对c 、中、e 值均产生影响。颗粒越粗，表面越粗糙，o 值越大：密度越大， 土粒间表面摩擦力和咬合力越大，故o 、e 值越大：而土的密度越大，则孔隙 越小，颗粒间接触就越紧密，因而c 值越大；含水量越小水分在土粒表面 形成的润滑效应越小，则。值越大，与此同时，粒问薄膜水越薄，粒间电分子 力越强，c 值越大。 3 4 3 新地质体的若干性能 从地质学角度看，两种物理性质显著不同因而力学性质也明显不同的地 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 7 页 质体，可认为是相异地质体。软土在被加固前后其物理力学性质差异很大， 因此加固后的软土边壁( 坡) 相对于加固前的，可看作是种新的地质体或新 介质或加固介质。这正是土钉墙的概念和设计思想。 3 4 3 1 水泥掺量等对新地质体的影响 将实测的各加固介质物理力学参数列于表3 一l ，从中可以看出： a 随着水泥砂浆掺量等增加，各项参数指标值向着使其性能改善的方向趋 于增加或减小：在该组软土试件中主要力学参数指标值测试不全，试以水泥砂 浆等掺量为1 的试件数据代之，结果任一掺量大于1 者，其物理力学性能均 获得明显改善。由此可见，加固介质的各项物理力学参数指标值均优于软土的 同名参数指标值，并随着掺量增加，物理力学性能改善愈显著； b 在水泥掺量等为9 1 8 时，其内摩擦角由值与典型粘土的接近；掺量 为6 时，其粘聚力c 值与典型粘土的相当，其无侧限抗压强度为后者的3 倍； 当掺量为1 8 以上，其压缩模量与典型粘土的为同一数量级。 由于受经济性制约，水泥掺量等不可能无限制增加。目前我国采用土钉墙 方法设计建造的基坑护壁工程，通常都只达到i o 以下水平。即使大幅度提 高水泥掺量，也因渗浆介质的不均匀性而产生弱面效应，加固效果同样受到限 制。由此可见：加固介质即新地质体物理力学性能的改善有一定限度，其临空 面出现后的边壁( 坡) 稳定性仍需进行分析。 3 4 3 2c 、中、e 值对边壁( 坡) 变形等的影晌限度 为探讨c 、中、e 值对边壁( 坡) 变形破坏的影响，采用r s e a p 程序进行 了弹塑性有限元模拟分析计算。计算方法是以软土、典型粘土的实测物理力学 参数为依据，对边壁变形场进行分析，然后将软土的c 、o 、e 值按室内试验结 果分别予以提高，以分析其对变形场及应力场的影响。综合模拟计算结果表明： a c 、o 、e 值对边壁变形破坏均有较大影响。c 、m 、e 值分别提高1 4 4 ， 5 0 和8 7 倍，边壁对应点位移分别减少4 2 ，1 2 8 和1 6 6 倍。若以提高每 一参数量值的倍