（水工结构工程专业论文）粒状体斜面破坏机理及土钉加固技术研究.pdf

摘要 通过对边坡破坏机理以及土钉支护技术国内外研究现状的分析，了解到国内 外关于边坡破坏机理已有大量研究，但真正涉及到粒状体边坡的非常少；而土钉 倾角对加固效果的影响，也有许多学者进行过研究和探讨，但都忽略了土体的破 坏机理与土钉工作机理的联系，未能有效地指出土钉倾角的最佳设置。本文针对 以上问题，采用室内试验与数值模拟相结合的方法，对粒状体边坡破坏机理和土 钉倾角问题进行研究。 本文首先通过铝棒斜面模型试验并结合离散单元法的数值模拟，研究了粒状 体斜面在干、湿两种状态下的破坏机理，并在此基础上，比较了土钉沿垂直于斜 面方向插入与沿最小主应力a 3 方向插入哪个更为有效。 为了更真实地模拟粒状体斜面的破坏过程，采用天然河砂为试样，同样模拟 干、湿两种状态下的斜面，并通过观察斜面的破坏形态，量测斜面的破坏角度以 及斜坡内部土体的位移场，来研究粒状体斜面的破坏机理以及土钉角度变化对斜 面支护效果的影响。同时试验还得出土钉的加固效果不仅与土钉倾角有关，还与 土钉的间距、长度有关。 最后，采用平面有限元对粒状体斜面进行分析，将试验结果与计算结果进行 对比，验证有限元计算的可行性，并对斜坡内土体的主应力方向及土钉轴力的分 布规律进行分析，从数值解析方面进一步说明土钉倾角的变化对斜面支护效果的 影响。 关键词：粒状体斜面，破坏机理，土钉，倾角，模型试验，有限元法，离散单元 法 a b s t r a c t t h r o u g ht h ea n a l y s i so fs l o p ef a i l u r em e c h a n i s m sa n da c t u a lr e s e a r c ho fs o i l n a i l i n gt e c h n i q u e s ，c o n c e r n i n gu n d e r s t a n d i n go ns l o p ef a i l u r em e c h a n i s m sh a sb e e n w i d e l ys t u d i e d ，b u tt h e r ea r eo n l yav e r yf e wo f t h es t u d i e sr e a l l yi n v o l v e dt h ef a i l u r e m e c h a n i s mo fg r a n u l a rs o i ls l o p e m o r e o v e r , a l t h o u g he f f e c t so fs o i ln a i li n c l i n a t i o n o nr e i n f o r c e m e n th a sb e e nc o n s i d e r e da n dd i s c u s s e db ym a n ys c h o l a r s m o s to f s t u d i e sh a v ej u s to v e r l o o k e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns o i lf a i l u r em e c h a n i s m sa n d m e c h a n i s mo fs o i ln a i l ，f a i l e dt op o i n to u tt h ei n s t a l l i n go p t i m u ma n g l eo fs o i ln a i l s t h i sp a p e r , w h i c hp r e s e n t st h er e s e a r c hm e t h o do fp e r f o r m i n gl a b o r a t o r ye x p e r i m e n t s c o m b i n e dw i t l ln u m e r i c a ls i m u l a t i o n f o c u s e sp r i m a r i l yo nd e a l i n gw i t hg r a n u l a rs l o p e f a i l u r em e c h a n i s m sa n ds o i ln a i li n c l i n a t i o np r o b l e m s f i r s t l y , t h r o u g ht h ea l u m i n u mr o d s m o d e le x p e r i m e n t sa n dt h en u m e r i c a l s i m u l a t i o nb yd i s t i n c te l e m e n tm e t h o d ，t h ef a i l u r em e c h a n i s mo fg r a n u l a rs o i ls l o p ei n d r ya n dw e ts t a t e si ss t u d i e d a f t e rt h a t , o nt h i sb a s i s ，ac o m p a r i s o n ，i no r d e rt of i n d o u tt h em o r ee f f e c t i v em e t h o d ，i sm a d eb e t w e e nt h ei n s t a l l i n gs o i ln a i l sa l o n gt h e d i r e c t i o np e r p e n d i c u l a rt ot h es l o p es u r f a c ea n dt h a ti nt h ed i r e c t i o no ft h em i n o r p r i n c i p a ls t r e s sc 1 3 t h e n , t ob e t t e rs i m u l a t et h eg r a n u l a rs o i lf a i l u r ep r o c e s s ，t h ee x p e r i m e n t sw e r e c a r r i e do u tw i t hn a t u r a lr i v e rs a n ds a m p l e si nb o t hd r ya n dw e ts t a t e s t h r o u g h o b s e r v i n gt h es l o p ef a i l u r es h a p ea n dm e a s u r i n gt h es l o p ef a i l u r ea n g l e ，d i s p l a c e m e n t v e c t o ro f s o i l ，t h ef a i l u r em e c h a n i s mo f s l o p e sa n dt h ee f f e c to f i n s t a l l i n ga n g l eo f s o i l n a i l so nt h es l o p es t a b i l i t yw e r ei n v e s t i g a t e d m e a n w h i l e ，t h e s et e s t sa l s os h o wt h a t t h ee f f i c i e n c yo fs o i ln a i lr e i n f o r c e m e n ti si n f l u e n c e dn o to n l yb ys o i ln a i li n c l i n a t i o n b u ta l s ob yt h ed i s t a n c eb e t w e e ns o i ln a i l sa n db yi t sl e n g t h f i n a l l y , t h ep l a n ef i n i t e e l e m e n tm e t h o dw a su s e dt oa n a l y z eg r a n u l a rs o i l s l o p e s t h e n ，c o m p u t e dr e s u l t sw i l lb ec o m p a r e dw i t ht h et e s tr e s u l t st ov e r i f yt h e f e a s i b i l i t yo ff e m i na d d i t i o n ，t h ed i r e c t i o no ft h ep r i n c i p a ls t r e s so fs o i la n dt h e d i s t r i b u t i o nl a wo ft h ea x i a lf o r c eo fs o i ln a i l sw e r ea n a l y z e d ，a n di te x p l a i n sf u r t h e r t h a tt h ec h a n g e so f s e t t i n ga n g l eo f s o i ln a i l se f f e c ts l o p er e i n f o r c e m e n t k e yw o r d s ：g r a n u l a rs o i ls l o p e ，f a i l u r em e c h a n i s m ，s o i ln a i l s ，i n c l i n a t i o n ，m o d e lt e s t ， f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，d i s t i n c te l e m e n tm e t h o d 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事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 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者c 签名，：二a 巳耋蓬盟一7 年6 月，2 。日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文例：立盎巳如7 年g 月，2 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出 边坡的失稳破坏是一种重要的地质灾害，是人类所面临的三大自然灾害之一( 另 外两大自然灾害是地震和洪水) 。据初步统计，近2 0 年来在世界范围内，自然和人 类诱发的崩塌滑坡，每年造成的经济损失达百亿美元l l 】。 我国是受边坡失稳危害最大的国家之一，近年来发生多起严重的自然边坡失稳 和人工边坡失稳事件，给水利、铁路、公路、矿山带来巨大损失，严重影响了人们 的生产、生活。据不完全统计【2 】，1 9 9 8 年以来福建省先后发生的崩塌、滑坡、泥石 流等2 1 3 0 0 多起，涉及4 0 多个县( 市、区) ，造成3 0 0 余人死亡，伤5 0 0 余人，毁 房5 0 0 余间，经济损失高达l o 多亿元；四川省近l o 年来，每年地质灾害造成的损 失达数亿元，死亡人数在3 0 0 人左右；三蛱库区的最新统计表明，1 9 8 2 年以来库区 两岸发生滑坡、崩塌、泥石流7 0 多处，规模较大的4 0 多处，死亡4 0 0 人，直接经 济损失数千万。云南省德公路边坡灾害调查数据显示，1 9 9 0 1 9 9 9 年，云南公路边 坡发生大、中型崩塌、滑坡、泥石流1 3 5 1 4 4 次，造成1 0 0 0 余座桥梁被毁，经济 损失达1 6 8 亿余元，并对全省2 2 2 0 k m 公路的运营构成严重威胁。 滑坡可以发生在土质边坡，也可以发生在岩质边坡。发生于土质( 含粘粒) 边 坡的破坏形态通常比较单一，基本上以剪切破坏为主，滑动面为圆弧型；岩质边坡 发生的滑坡因受岩体结构、地应力等影响，呈现出崩塌、滑动、倾倒、溃屈等多种 破坏形式1 3 1 。目前，国内外学者对这两种类型边坡的研究比较多，但对于土、石等 粒状体材料组成的无粘性土坡而言，研究较少，通常也是采用与粘性土坡相同的破 坏形式( 圆弧面) 进行稳定分析 4 1 。而根据大量的调查研究发现1 5 】粒状体材料构 成的斜面破坏大多发生在斜坡的表层，滑裂面基本平行于斜坡表面。 粒状体材料在自然界分布广泛、储量丰富，更由于它具有压实性能好、透水性 强、填筑密度大、抗剪强度高、沉陷变形小、承载力高等工程特性，在工程建设中 已经得到了广泛应用。随着水利水电工程设计能力、施工技术和材料试验水平的提 河海大学硕士论文 高，粒状体材料已经成为土石坝的主要建筑材料，一般占坝体工程量的7 0 9 0 。 因此，基于粒状体材料的诸多优点和对粒状体斜面破坏机理的不正确认识，有必要 对粒状体斜面进行更深入、更系统的研究。 当边坡的稳定系数不能达到要求时，就需要采取工程措施提高安全系数，以满 足安全运行的需要。在滑坡防治工程中，通常采用排水、减重、反压、支挡和锚固 等工程措施t 6 。自二十世纪九十年代以来，随着技术的进步，对滑坡体的加固措施 向复合型、轻型化、小型化和机械化方向发展，土钉支护技术由于其具有工期短、 造价低、施工简单等优点7 棚而在建设工程中应用越来越广泛，尤其是在基坑开挖支 护与斜坡加固中。目前，国内外许多学者都致力于土钉加固问题的研究，并且提出 了多种理论分析和工程经验，但对于土钉如何发挥其最大能效这个热点问题来说， 仍没有一个统一的观点。 土钉倾角如何设置是发挥土钉最大能效的关键问题之一然而在设计施工中， 人们常常忽略土钉倾角对加固效果的影响，一般根据经验f g ! 采用o 。1 5 。作为土钉设 计倾角，这虽然为设计和施工带来方便，但却未能充分发挥土钉的潜能。 土钉倾角对加固效果的影响，已有许多学者进行过研究和探讨，但研究者都忽 略了土体破坏机理与土钉工作机理的联系。图1 1 为土单元在小主应力o3 保持一 定，逐渐增加大主应力o i 后的变形情况。显然，土单元沿着0 1 方向产生压缩变形， 而沿着d 3 方向产生伸长变形。由于土钉加固的最终目的就是要限制这种变形，因此， 从理论上讲，沿0 3 方向插入土钉，由于土钉与周围土间的摩擦以及土钉变形后产生 的张力作用，可以最大限度地限制土体沿方向的伸长变形。 o l i ，网， 矿扎一【j + ， i j f 。 图1 1 土体单元在主应力0 1 ，0 3 作用下的变形情况 综上所述，本文首先对粒状体材料斜面的破坏机理进行全面、系统的研究，然 后在此基础上，探讨土钉倾角对加固效果的影响。 第一章绪论 1 2 国内外研究现状 1 2 1 边坡破坏机理的研究现状 边坡的破坏机理研究由来已久，最早就是从滑坡现象开始的。早期的工作是把 滑坡作为一种地貌现象加以观察描述，是地貌学或普通地质学的研究对象之一。之 后，十九世纪末运河的开凿、铁路的修建以及二十世纪初大量土坝的修筑，进一步 促使人们去研究边坡机理问题。1 9 1 6 年，彼得森( k e p e t t e r s s o n ) 和胡尔顿( s h u l t i n ) 根据大量观测论证了某些土体( 特别是有粘结力的土) 在发生滑动失稳破坏时，其 滑动面是与圆柱面接近的曲面，并在此基础上k e p e r e r s s o n 提出了圆弧滑面分析 法。这种分析方法除了假定滑裂面是个圆柱面外，还假定不考虑土条两侧的作用力， 这就是最初的瑞典圆弧法。第二次世界大战后，随着各国经济建设的不断发展，遇 到的边坡问题逐渐增多，对边坡的研究也就逐渐系统而深入。1 9 5 0 年美国学者 k t e r z a g h i 发表了滑坡机理 t o l 的论文，系统地阐述了滑坡产生的原因、过程、 稳定性评价方法以及在某些工程中的表现。1 9 6 4 年，s k e m p t o n 1 1 】在研究超固结粘 土边坡的稳定性时首次引入了边坡渐进破坏的概念。他认为，土体的强度并非在整 个滑裂面上同时发挥作用，而是当土中某一点的剪应力增加到超过土的强度时，该 点发生剪切破坏。由于这种剪切破坏逐渐传递，使得渐进破坏面逐渐扩大，最后当 滑动推力上升到超过滑裂面的抗剪强度时便发生坡体的整体滑动。之后，m o g e n s t e m ( 1 9 7 1 ) 【1 2 】等定量地研究了孔隙水压力对土体强度的影响；p h a b i b ( 1 9 7 5 ) 用“孔隙 水压力的变化”来解释滑坡的形成机理。 在国内，许多学者对于滑坡形成的条件和作用因素、滑坡的受力状态、滑坡的 破坏模式及发育阶段等有关问题进行了多方面的研究和探讨，主要的研究成果有： 张淖元、王兰生等【1 3 l 在研究总结多个边坡( 滑坡) 的基础上，对不同类型的边坡( 滑 坡) 归纳出五种变形破坏模型，阐述了各种模型的发展变化规律及其演变过程；徐邦 栋等i 1 4 】以滑带成因和形态为主结合滑动特征，阐述了我国铁路建设中常见的沿已有 软弱构造带( 面) 滑动的滑坡、因下伏软岩挤出形成的错落性滑坡、沿新生弧形面滑 动的滑坡、涨缩土滑坡、黄土崩塌性滑坡等的发生机理和变化过程；王恭先等i ”1 分 河海大学硕士论文 析了滑坡的受力状态和力学过程，从地质和力学的结合上提出了几种常见滑坡的机 理；潘家制、黄润秋【m 、汪发武等专家学者从不同角度探讨不同类型的滑坡机 理，并提出了相应的速度及滑距计算模型；晏同珍1 1 9 1 根据滑坡发生的初始条件、原 因及滑动方式，概括了滑坡形成的8 种机理，即流变倾覆、应力释放平移、震动崩 落及震动液化平移、潜蚀陷落、地下悬浮一下陷、高位能飞越、孔隙水压浮动、切 蚀一加载等：姚裕春等啪荆用离心模型试验研究了降雨条件下边坡的破坏机理。文 中指出，含水量对土体粘聚力影响较大，而对土体内摩擦角的影响较小；含水量大 时，表现为浅层滑坍破坏，并进一步发展为整体破坏；含水量较小时，表现为深层 坡顶拉裂破坏，松散型边坡主要发生浅层坍落拱破坏；随着含水量的增加，土体的 损伤变量增大，土体损伤加强，边坡破坏由局部破坏发展为深层的整体性破坏。而 邓燕红1 2 l l 通过计算则认为，边坡在干燥状态下的破坏是推移式的；如果边坡下部水 位急剧上升，随着坡脚土体被水软化，其土体c 和中值急剧下降，有可能该滑坡下 部发生滑动而带动上部滑体滑动，也即是由推移式转化为牵引式滑坡。刘忠玉等人 僻】贝0 对应变软化土进行了分析，认为当土体承受的剪切力达到最大剪切强度后，随 着土体连续的变形，土体的抗剪强度便降到残余强度，土体内的应力便发生松弛， 局部就会发生破坏。随着该处应力的松弛，其底部所允许的剪切力减小，附加力必 须传递到相邻的条块，引起应力的重分布，而导致进步的局部破坏。任伟中和陈 浩1 2 3 1 模拟研究了不同工况下滑坡体位移，根据试验结果对滑坡变形与破坏机理进行 了分析。文 2 3 1 中指出，破坏最终形成的是一个折线滑动面，而且在开挖条件下， 滑坡和路堑边坡稳定系数大幅降低，较小的位移量就使整个边坡失稳破坏。 边坡研究发展到今天，无论从理论上，还是实践中都积累了大量的成果和经验， 人们对各种滑坡形成的原因、破坏模式及破坏机理进行了全面而系统地研究，但就 粒状体边坡而言，在现有研究中仍是空白。因此，有必要系统地研究粒状体边坡的 破坏机理，完善边坡的理论体系，使边坡的稳定性评价和防治工作提高到一个新的 水平。 第一章绪论 1 2 2 土钉支护技术的研究现状 土钉( s o i ln a i l s ) 是近年来发展起来用于土体开挖和边坡稳定的一种新型支护 技术。它与周围土体形成一个组合体，在土体发生变形的条件下，通过与土体接触 面上的粘结力或摩擦力，使土钉被动受拉，并主要通过受拉工作给土体以约束加固 或使土体稳定。土钉支护技术与其他的挡土技术或支护类型相比，以其独特的优点 已在支护工程中独领风骚。 土钉法起始于6 0 年代初的新奥法州a t m ) 施工，它是将喷射混凝土技术和全长 粘接注浆锚杆技术结合起来用于隧道围岩稳定。后来，将新奥法施工的经验推广应 用于基坑开挖支护与边坡稳定工程，发展成为土钉支护这项新技术。土钉法形成于 7 0 年代，在法国巴黎b o u l e v a r dv i c t o r 的地下车库施工中，角钢代替钢管即能有效 的排除障碍，这也是土钉技术第一次用于城区，并在繁华街道地区开挖施工。从8 0 年代起，土钉技术在世界各地推广，其技术发明和试验研究不断涌现。如高压喷射 注浆击入钉的技术，法国的c l o u t e r r e l2 研究计划，德国承包商与k a r l s r u h e 大学的联 合研究计划等( 见表1 1 ) 削。 在我国，山西太原煤矿设计院王步云较早对土钉支护边坡进行分析和试验，并 于1 9 8 0 年用于山西柳湾煤矿的边坡支护工程。这是有记载的国内应用土钉工程的首 例。在公路和铁路的边坡加固中，也有应用土钉支护的个别工程实例。自9 0 年代以 后，国内高层建筑和基础设施建设大规模兴起i 基坑开挖项目越来越多，使原位土 的各种加筋技术得到迅速推广。1 9 9 2 年以来，仅8 9 0 0 2 部队在各地完成的基坑土钉 支护项目已不少于5 0 0 项。较早从事基坑土钉支护研究应用的还有冶金部建筑研究 总院程良奎和北京工业大学的孙家乐等，后者所提出的支护方法被称为“插筋补强 护坡技术”。除上述单位外，近年来有许多高校相继投入土钉支护的研究。如清华 大学土木水利学院对土钉支护有限元分析法( 包括三维有限元分析) 和极限平衡分 析法的研究，并开发用于施工现场的土钉支护计算机辅助系统，进行土钉支护工作 性能的现场实测，以及室内的离心机模型试验；南京工程兵工程学院与同济大学等 合作进行软土中的复合土钉支护研究；同济大学、武汉水利电力大学、浙江大学也 分别作过室内模型试验。 河海大学硕士论文 表1 1 国外土钉支护技术的应用和研究概况 占凋肇弼荧陶穗阁 辏衄芝护铁路技公； | i缺坑点护铁路殷公路| 1 斑羽瓿嘲 农久静抖 - t i t 瓣阍现仃 ：坡翱特墙 ，墙 t 墙 主t 谢秘ixi 驴m 年 总；| 5 个e 钉墙 i ：稚毂鹾 1 1 9 9 2 年请l i f i 1 9 9 2 目：渊谯 纾氍膏 上髓 即丌牡 i i i 九裂幢掣霞骖_ l i l 场 巾掣授掣磕骖k 肇楚i 鞋童篱离心帆试骏离心概试验旃n _ f 乏蹙 研宽雨露辫试f2 地震，诛碌坟地 k 掣试骏，御| 如l 毙叽隘几分断，地震性能j l ；蜜嚣”一 翱i f 是魄斜的茹嫡 汕上嘲耗戢持昭 i 4 0 0 打* 几i2 2 5 0 打 研兜经费2 3 0 j j 甏豇 茭丘 t a l r e n 设i 科i ，设i 孢设i | 辘i i 葬南娩i 蕊卿：1 1 1 s o l ，v e l i 程 姘宠成鬻l x 槲竹公前鞋j 手 l ：插晚彳l 豫尤张缪f 】l f 0 1 1 x 1 1 。群洋 f # c r e $ 1 i l 扦f f 2 2 1 土钉支护的试验研究 ( 1 ) 大型模型试验 德国是最早进行大型土钉支护试验的国家，它从1 9 7 5 起开始了一项为期四年的 研究，耗资2 3 0 万美元，共进行7 个大型足尺土钉墙试验】，研究了土钉内力、面 层土压力、支护变形和破坏机制等性能，以及土钉长度和间距等支护参数对支护稳 定性的影响。试样为松砂、中密砂、粉砂和粘土，采用地面加载的方法使支护结构 破坏。 法国c e b t p ( 国家建筑与公共工程试验中心) 进行了3 4 大型土钉墙模型试验嗍。 1 号墙从顶部加水使土体逐渐饱和引起破坏；2 号墙研究超挖对支护稳定性的影响； 3 号墙研究土钉粘结长度的影响。 s c h l o s s e r 2 刀在法国土钉支护研究基金会c e r m e s 资助下进行了历时4 年的 c l o u t e r r e 工程。该工程是为了研究土钉的工作机理、改进土钉设计方法和编写法国 土钉规范而进行的，工程主要模拟了土钉的两种失稳形式情况下土钉的工作机制一 一土钉拉断及挖方量过大而造成土钉失稳时土钉的拉力分布情况。在这同时及以后， 德国的s t o c k e r 2 舯，英国牛津大学的j e w e l l 和p c d l e y l 挣删，威尔士大学的b r i d d l e l 3 】 第一章绪论 及b a 一3 2 1 ，美国路易斯安那州大学的j u r a n 3 3 等人都曾通过大型模型试验，并结合 理论分析方法对土钉支护技术进行研究。 ( 2 ) 现场测试 美国加州大学c k s h e n i 蚓及其同事们为研究土钉支护的工作性能，在土质为砂 质粉土和粉粘土的基坑内，进行了现场试验。分别对地面水平位移、地层内水平位 移及土钉拉力进行了量测。此外，美国华盛顿大学进行过深基坑开挖实测；德国 s t u t t g a r t 对施工结束后的土钉挡墙进行了长达l o 年的跟踪观测。 在我国，较早进行的为煤炭部太原设计研究院的现场测试、冶金部建筑研究总 院的现场测试以及山东建筑工程学院的现场测试。之后，杨广庆等人f 3 5 】结合某铁路 高陡顺层石质路堑土钉墙防护工程实际进行了现场试验，通过在不同排数土钉的不 同位置上埋设刚弦式钢筋计进行使用阶段的性能测试，得出了土钉拉链随土钉长度 和时间延续的变化规律、土钉墙潜在的破裂面位置、土钉墙土压力沿墙高的分布规 律等结论。段建立等口6 】通过对复合土钉支护的土钉受力、深层水平位移等的现场测 试和分析，比较全面地研究了复合土钉支护在施工及使用阶段的工作性能。王传钧 等【3 7 1 对土钉墙围护的基坑工程进行现场拉拔承载力测试。贾金青、张明聚1 3 8 】对基坑 水平位移、土钉拉力进行现场测试，得出了土钉水平位移和拉力的分布规律。 ( 3 ) 室内试验 孙铁成、张明聚等人口9 l 为了深入了解土钉的工作性能和作用原理，进行了室内 模型试验研究。试验模型按照“相似模型的几何长度与变形时间成反比”的相似法 则设计，相似比为l ：1 0 。在试验中，模拟深基坑开挖与支护的实际步骤，分步开 挖与支护。进行了3 组模型试验，即复合土钉支护、普通土钉支护和无支护边坡， 以便于分析比较。试验结果表明：( 1 ) 由于土钉与水泥土搅拌桩的共同作用，复合 土钉支护的基坑变形与普通土钉支护和无支护的基坑相比，具有不同的分布形态， 并且复合土钉支护的基坑变形值最小，无支护基坑变形值最大；( 2 ) 由于土钉与水 泥土搅拌桩的协同工作，使得更多的土体参与支护作用，从而分散了土体内部的应 力，有效地控制了基坑变形，提高了基坑的稳定性。陈福全、马时冬1 4 0 1 通过离一t l , 机 模型试验，研究了土钉加固边坡的变形情况、作用机理及土钉的应力分布规律。魏 成国、郭增玉】进行了复合土钉支护在填土边坡中应用的模型试验，分析了上部土 河海大学硕士论文 钉比下部土钉所承受的土体拉应力更大，土钉的实际受力分布形态与土压力分布形 态没有对应关系。曾宪明、林润德【4 2 1 对土钉支护软土边坡进行了模型试验研究，分 析了土钉的“弓形”受力分布形态，同时还论述了土钉支护面层的鼓形受力特点， 与软土边坡的流鼓破坏模式密切相关。莫暖娇等【4 3 】通过土钉墙模型试验，研究土钉 的分布对土钉墙形成整体的作用，超载对土钉墙的影响。肖毅等i 卅则通过钉锚结合 支护的模型试验，对边坡土体的位移场、应变场和应力场及土钉土锚轴力分布规律 进行了研究，并对钉锚结合支护的机理进行了一定的阐述。汪班桥等 4 5 】通过土钉墙 模型试验，研究了土钉在黄土中的变形情况、土钉加固黄土类基坑的作用机理及土 钉的应力分布规律。 1 2 2 2 土钉支护的有限元分析 目前，国内的研究大多采用有限元数值模拟方法，它不但可以确定土钉支护在 工作状态下内力和变形，而且能够模拟施工过程给出不同施工阶段的内力和变形。 他的主要困难在于选择合适的计算模型和输入参数。但一般认为，如果模型适宜， 将有限元发用来分析不同参数变化时的土工结构性能变化规律还是很有价值的。另 外如能将有限元分析与现场的少量实测变形数据结合起来，通过反馈计算修正输入 参数，就会有更好的效果。 美国加州大学d a v i s 分校沈智刚等人曾用有限元法分析土钉支护体系中的一 些参数对其工作性能的影响【峋。他们所开发的有限元程序采用平面变形假定，可模 拟基坑开挖和土钉支护体系的建造过程。对土钉支护区采用一种复合模式来综合考 虑土、土钉及其界面的共同作用。土的应力应变关系用邓肯张模型来描述。计算表 明，土钉的倾角以1 54 2 5 。为佳。影响体系变形的主要参数有施工过程、基坑深 度、土的性质以及土钉长度、直径和间距等。 t a b r i z i 【4 7 1 、s m i t h 和s u f 4 8 - 4 9 、s h a f i e e1 5 0 l 也较早对土钉支护进行了有限元分析， 其中s h a f i c e 的主要结论为：如果水平设置土钉，则弯曲刚度的大小对于土体的最低 水平位移以及土钉所受的最大拉力和剪力均无明显作用，土钉向下倾斜会使水平位 移增大，刚性较大的土钉可明显减少土体最大位移，如图1 2 所示。 第一章绪论 亘 g 牛 * x 一 窖 寓 材 t 幻抗霉喇魔 岛i o 邑i ! 图1 2 土钉倾角对支护水平位移的影响 清华大学宋二祥【5 l 】曾用p l a x i s 土工有限元程序对土钉支护作过分析，采用与沈 智刚等人相同的支护参数，改变支护面层厚度和土钉长度，发现面层厚度变化对土 钉的最大拉力与支护最大位移都没有明显影响，而增加上部土钉长度可以减小支护 变形。利用p l a x i s 程序能模拟开挖过程，在模拟开挖的计算完成之后，可利用程序 中一个特有的计算功能来逐步减小土层的强度参数使体系破坏，这样就可以得到体 系的安全系数。这个安全系数与条分法分析土坡稳定时所得到的安全系数有相同的 意义。 张明聚、陈肇元等人【5 2 1 以应用d u n c a n 提出的非线性e - b 模型为基础，参照 l a d e d u n c a n 破坏准则提出一种加荷或卸荷( 再加荷) 判别准则，并考虑固结压力降低 后弹性模量的确定方法。把这些原理应用于一个工程实例的计算分析，计算结果与 实测结果有相同的变化趋势。 连镇营、韩国城等人 5 3 1 用三维弹塑性有限元法对土钉支护进行数值模拟分析。 通过一种强度折减技术探讨了土钉支护的稳定性。研究结果表明，施工过程中在不 同的使用荷载作用下受力最大的土钉并不是一成不变的，因此，在土钉支护工程中 不能随意地缩短某层土钉的长度。数值计算确定的潜在滑裂区和局部破坏区符合实 际情况，认为钉体拔出是土钉支护最可能出现的内部失稳形式另外，梁向前【卅， 孙宗军【期、赵国景【5 5 1 和陈静羽等人均用有限元对土钉支护结构进行了数值模拟， 并将计算结果与实测结果进行比较，两者吻合得很好。 眨 仲 0 6 2 o 河海大学硕士论文 除了有限元分析外，国外还用过极限平衡分析方法探讨土钉支护各种结构参数 对支护稳定性安全系数的影响。图1 3 是按照加州大学d a v i s 分校沈智刚提出的一 种极限平衡分析方法( d a v i s 方法) 得到的结果所用算例为水平地表的基坑支护， 高1 5 2 m ，土钉钢筋直径2 5 4 m m ，屈服强度2 1 0 m p a 。从图中可见：( 1 ) 土钉间距 对稳定性安全系数有重要影响；( 2 ) 当土钉倾角在5 。2 0 。时安全系数最大；( 3 ) 安全系数近似与墙面斜度成正比。 2 聍 e i 2 ( a )( b ) 5 i # 1 52 l t l m j ( c ) 图1 3 支护参数对安全系数的影响： ( a ) 土钉密度；( b ) 土钉角度；( c ) 土钉长度：( d ) 墙面倾角 孵如 ) )旷q oo 第一章绪论 1 2 2 3 土钉支护技术研究存在的问题 近几年来，土钉支护技术虽然在国内得到了广泛的应用，但在许多方面还存在 着问题： ( 1 ) 土钉倾角的问题，这也是本文讨论的重点。土钉倾角对加固效果的影响， 已有许多学者进行过研究和探讨，但都未从根本上找到土钉倾角的最佳设置。例如， j e w e l l 5 8 - 6 0 l 、s c h l o s s e r 【6 1 - 6 3 1 和b r i d d l e l 6 4 1 等人通过试验研究了土钉倾角对土钉受力状 态的影响，得出以下结论：当9 0 。 0 一 q s 时，土钉主要承受轴向拉力；当一t f 0 9 0 。时，土钉处于受压剪状态；当0 = 9 0 。时，土钉处于纯剪状态( 0 一土钉与 破裂面切线方向的夹角；1 l f 一土体的剪胀角) 。由于土钉的受拉、受剪对结构的稳 定性有利，而受压则对稳定性起负作用，因此应尽量避免土钉处于受压应力状态。 刘大鹏等人【6 5 】从极限平衡分析法推导的稳定性安全系数公式出发，研究了土钉倾角 对边坡稳定性的影响，认为在土钉足够长的条件下，最佳土钉入射角为仰角或水平， 在土钉比较短时，最佳土钉入射角为倾斜向下，而且应该是从上到下逐层减少向下 倾角。俞季民等惭】通过模型试验得出土钉垂直于潜在滑移面，能最大限度发挥其支 护能效的结论；黄汉成【6 刀认为对于直立的挡土建筑物，土钉的最佳倾角应能最大限 度地提供向上的分力，即最佳倾角应为仰角，与水平面的夹角为4 5 0 一# 2 ( 一土 体的内摩擦角) 。陈肇元等 6 8 1 认为对于直立的支护，土钉倾角取决于筑浆钻孔工艺 与土体分层特点等多种因素。当土钉倾角为零或较小时，支护的变形最小：当增加 土钉倾角时，支护的位移和地表角变位增加，当倾角大于2 0 。时增加的趋势更为加 剧 ( 2 ) 面板或挂网喷射砼的作用机理仍未弄清楚。喷射砼面板的作用除保证土 钉之问的局部土体的稳定性以外，还要使周围的土压力有效地传给土钉，这就要求 土钉头与喷射砼面板的连接可靠，但面层的工作机理至今仍是土钉设计中最不清楚 的问题之一。现已积累了一些喷射砼面层所受土压力的实测资料，但测出的土压力 显然与面层的刚度有关。故目前面层设计出现两种极端情况，一种认为面层只承受 土钉竖向问距s ，范围内的局部土压按高度为s 。到2 s ，的土体主动土压力作为面层所 河海大学硕士论文 受的土压力；另一种则将面层作为结构的主要受力部件，受到的土压力取与锚杆支 护中的面部墙( 桩) 相同。但无论采用哪一种情况，都与实测的结果相差很大。 ( 3 ) 土钉的弯剪应力是否应该考虑仍未完全解决。目前大多数的设计方法中， 都假定土钉为受拉工作，不考虑其抗弯刚度。但在是否考虑土钉弯曲刚度问题上曾 经有强烈的争论。忽略弯曲刚度一般偏于安全，但也有分析认为对于斜坡地表，忽 略土钉刚度更偏于安全。 ( 4 ) 土钉抗拔力的计算不太合理。土钉抗拔力的计算，国内外普遍采用摩擦 筋理论计算，其计算模式为： ， t = 加l 。r ( 1 1 ) 式中：d 骷孔( 土钉体) 的直径；l 。土钉在滑裂面外非扰动区的长度； t ，钉土间的抗剪强度。 在无抗拔力试验的情况下，一般采用钉和土接触面处的力学参数来确定钉土间 的抗剪强度t ，其公式如下： t ，= 口，f g 矿+ c ( 1 2 ) 式中：妒钌土接触面处土体的内摩擦角：c 粘结力；仃。垂直方向应力。 在计算土钉墙的抗滑稳定性时，几乎所有的文献都将按上两式计算的t 值作为 对于滑动土体的抗拔力。这种方法计算的t 值实际上表示了土钉所能够承受的最大 抗拔力( 极限抗拔承载力) ，而不一定是土钉实际所提供的抗拔力土钉抗拔力不只 由稳定区的土钉体受力状态决定，还与滑动区的受力状况以及土钉材料的抗拉能力 ( 由土钉的容许抗拉强度及截面面积决定) 有关，因此确定土钉的抗拔力必须对这 三个方面综合考虑。 以上几个问题，是土钉在设计和施工中经常遇到的，每一方面的问题都不同程 度地影响土钉其它工作性能的发挥及参数的确定，因此，土钉的作用机理、设计方 法还有待进一步研究和完善。在本文的研究中，作者仅针对1 1 节提出的问题进行 详细探讨，其它方面的问题将在以后的工作中加以解决。 第一章绪论 1 。3 本文研究的主要内容 通过对边坡破坏机理以及土钉支护技术国内外现状的分析，可以清楚地认识到： 虽然国内外关于边坡破坏机理有大量的研究，但是真正涉及到粒状体边坡破坏机理 研究的非常少；而土钉倾角对加固效果的影响，也有许多学者进行过研究和探讨， 但都忽略了土体的破坏机理与土钉工作机理的联系，未能有效地指出土钉倾角的最 佳设置。 本文首先通过铝棒斜面模型试验和离散单元法的数值模拟，来帮助认识粒状体 材料构成的斜坡在于、湿两种条件下的破坏形式，并在此基础上，探讨土钉倾角对 斜面加固效果的影响。为了更真实地模拟粒状体斜面的破坏过程，采用天然河砂为 试样，同样模拟干、湿两种状态下粒状体斜面的破坏过程以及土钉角度变化对斜面 加固效果的影响，并通过观察斜面的破坏形态，量测斜面的破坏角度以及斜坡内部 土体的位移场，验证粒状体斜面的破坏机理和土钉角度变化对斜面支护效果的影响。 最后，通过二维理想弹塑性有限元来研究粒状体斜面的破坏机理以及土钉倾角对斜 面加固效果的影响，并将试验结果与计算结果进行对比，分析土钉角度对支护效果 的影响，从数值解析方面来进一步说明土钉倾角的问题。本文所作的主要研究工作 如下： ( 1 ) 介绍国内外边坡破坏机理和土钉支护技术的研究现状以及土钉支护技术研究 存在的问题。 ( 2 ) 通过铝棒斜面模型试验和离散单元法的数值模拟，来帮助认识在干、湿两种 状态下粒状体斜面的破坏机理，在此基础上，探讨土钉倾角对粒状体斜面加 固效果的影响，提出土钉最佳的入射倾角。 ( 3 ) 利用自行设计的模型试验装置，采用天然河砂为试样，来模拟干，湿两种状 态下粒状体斜面的破坏过程以及土钉倾角对斜面加固效果的影响。通过观察 斜面的破坏形态，量测斜面的破坏角度以及斜坡内部土体的位移场，进一步 验证粒状体斜面的破坏机理和土钉角度变化对斜面支护效果的影响，并分析 面层对加固效果的影响以及土钉倾角、间距、斜面破坏角之间的关系。 河海大学硕士论文 ( 4 ) 采用平面有限元对粒状体斜面进行分析。计算过程中，将模型绕坡脚旋转进 行试算，当计算不收敛时，对应斜面的角度即为斜面的破坏角。最后将试验 结果与计算结果进行对比，验证有限元计算的可行性，并对斜坡内土体的主 应力方向及土钉轴力的分布规律进行分析，从数值解析方面更进一步说明土 钉倾角的变化对斜面支护效果的影响。 ( 5 ) 最后，在总结本文所做工作的基础上，指出了本文研究中的不足之处以及有 待深入研究的内容。 第二章粒状体材料边坡稳定的铝棒模型试验研究与离散单元法数值分析 第二章粒状体材料边坡稳定的 铝棒模型试验研究与离散单元法数值分析 本章通过铝棒斜面模型试验并结合离散单元法( d i s t i n c te l e m e n tm e t h o d ) 的 数值模拟，研究了粒状体斜面在干、湿两种状态下的破坏机理和破坏形态，并进行 了用土钉加固粒状体斜面的试验研究，提出了土钉的最佳安装倾角。 2 1 铝棒模型试验 2 1 1 试验装置及试样 图2 1 箱型试样盒装置 斜面破坏的铝棒模型试验装置如图2 1 所示，它由箱型试样盒、驱动箱型试样 盒向上旋转运动的动力系统以及角度测量指示器组成。箱型试样盒的尺寸为8 2 c m x 3 0 c m x 3 0 c m ( 长x 宽x 高) ，底面和左、右两个侧面均有钢板焊接而成，后壁设 置一块挡板，无前壁。箱型试样盒允许的最大倾角为6 0 0 。 河海大学硕士论文 模型试验用的试样为5 0 r a m 长的铝棒，分别进行两组配合比不同的试验。第一组 试验由直径为5 咖和9 m 的铝棒按重量比3 ：2 的比例混合( 以下称为i 型) ，第二 组试验由直径为1 6 m m 和3 咖的铝棒按重量比3 ：2 的比例混合( 以下称为i i 型) 铝棒堆积体试样的孔隙率均为0 2 ，干密度为2 1 6 k n 一。铝棒堆积体是一种很理想 的二维粒状体模型材料，因为铝棒的比重为2 6 9 ，非常接近实际土颗粒的比重( 约 为2 6 5 ) ；而且铝棒堆积体前、后壁面可以不用物体支撑就能直立，没有前、后壁 面摩擦力的影响。 2 1 2 试验方案 粒状体斜面破坏模型试验共进行4 组，试验用干、湿两种状态下的铝棒( i 型、 i i 型) 对无孔隙水压力影响和有孔隙水压力影响的粒状体边坡分别进行模拟。表2 1 为铝棒模拟粒状体斜面破坏的试验方案。 表2 1 铝棒材料斜面破坏试验方案 2 1 3 试验方法与步骤 试验时先将箱型试样盒降至最低位置，然后在试样盒的中部竖立一块平面挡板， 贴紧平面挡板逐渐将铝棒堆积起来，最后制成表面长约为8 0 c r a 的试样。为了观察和 追踪铝棒的运动情况，用水性的颜色笔在铝棒堆积体的前端面画上网格状的标线 在箱型试样盒开始向上旋转倾斜之前，将竖立在铝棒堆积体后面的平面挡板移开。 完成上述操作后，开动电动马达，通过连接在箱型试样盒底部的一根刚性棒，将箱 型试样盒以1 * m i n 的角速度向上旋转倾斜，直至铝棒堆积体斜面破坏。 第二章粒状体材料边坡稳定的铝棒模型试验研究与离散单元法数值分析 2 1 4 试验成果分析 ( 1 ) 干燥状态铝棒试验 图2 。2 显示了试验a l 斜面的破坏过程。从图中可以看到，斜坡表面的粒子( 铝 棒) 首先开始运动