（岩土工程专业论文）永久性土钉支护结构地震稳定性分析.pdf

摘要 摘要 本文介绍了土钉支护技术发展的现状，包括国内外理论研究现状和工程实践 情况，分析了土钉支护技术广泛的应用前景，指出了研究土钉支护结构稳定性的 必要性，特别是该种结构地震性的稳定性的研究具有十分现实的意义。 文中分析了土钉支护结构的工作机理，技术特点，适用范围，优缺点，详细 介绍了土钉的分类，施工步骤，并进行了边坡的土钉支护设计。为了进一步建立 土钉支护结构的滑移面搜索模型，本文理论推导了滑移面所在圆心坐标与相关量 之间的关系，并以此为基础运用v b 语言编制了寻找滑移面圆心与稳定安全系数 的程序。 本文结合振动台试验，运用有限差分软件f l a c3 d ，对土钉支护边坡进行了 静力和地震稳定性分析，总结了砂土的三个参数对边坡位移的影响规律以及土钉 轴力各段的分布规律。为了充分了解地震作用下土钉长度和倾角对支护结构稳定 性的影响规律，本文对土钉支护结构进行了土钉长度和倾角的参数分析，总结了 地震作用下土钉轴力和位移的响应规律。 本文的研究将为土钉在边坡支护中应用提供更加合理的设计依据和计算方 法，特别是为土钉支护结构的抗震提供有益的理论支持，可减少由设计不当造成 的重大损失；对于促进这种新型支护结构在更多地区和领域的推广应用，保证公 路、铁路和建筑物的使用安全，具有重要的现实和经济意义。 关键词：土钉支护；数值模拟；边坡；地震稳定性 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e ri n t r o d u c e dp r e s e n ts i t u a t i o no fs o i l n a i l i n gt e c h n o l o g y ，i n c l u d i n g t h e o r y c u r r e n ts i t u a t i o na n d e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o np r o s p e c to fs o i l n a i l i n g t e c h n o l o g ya n dn e c e s s i t yo fr e s e a r c ho ns o i ln a i l i n gs t r u c t u r e ，e s p e c i a l l yf o rr e s e a r c h o ns e i s m i cs t a b i l i t yo ft h es t r u c t u r e ，w h i c hh a si m p o r t a n ts i g n i f i n a n c e t h i s p a p e ra n y s i s e dw o r k i n gm e c h a n i s m ，t e c h n i c a ls c o p eo fa p p l i c a t i o n a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a n g e so ft h es t r u c t u r e，i n t r o d u c e dc l a s s i f i c a t i o na n d c o n s t r u c t i o np r o c e d u r ea n dd e s i g n e dt h es t r u c t u r e i no r d e rt oe s t a b i l i s ht h es e a r c h i n g m o d u l eo fs o i ln a i l i n gs u p p o r ts t u c t u r e s l i pp l a n e ，t h i sp a p e ru s e dv bc o m p u t e r l a n g u a g et op r o g r a m m i n g t h i sp a p e ra p p l i e df n i t ed i f f e r e n c es o f t w a r ef l a c3 df o ra n y s i s i n gs t a b i l i t yo f s o i ln a i l i n gs t r u c t u r eu n d e rs t a t i ca n d d y n a m i cf o r c e ，s u m m a r i z e dt h el a wo fs o i lt 1 1 r e e p a r a m e t e r sf o rd i s p l a c e m e n to fs l o p ea n da x i a lf o r c ed i s t r i b u t i o nl a wo fs o i l1 1 a i l i n o r d e rt of u l lu n d e r s t a n d i n gt h el a wo fs e i s m i cs t a b i l i t ya f f e c t e db yl e n 础a n d d i p ，t h i s p a p e ra n y s i s e dt w op a p a m e t e r sa n ds u r n m a r i e dt h el a wo fa x i a lf o r c ea n ds l o p e d i s p l a c e m e n tu n d e re a r t h q u a k e t h er e a s e a r c hw i l l p r o v i d em o r er e a s o n a b l ed e i s i g nb a s i sa n dc a l c u l a t i o n m e t h o d ，e s p e c i a l l yf o ra n y s i s i n gs e i s m i cs t a b i l i t yo fs o i ln a i l i n gd e s i g ns t r u c t u r e i n o r d e rt or e d u c el o s sb yi n c o r r e c td e s i g n ，w h i c hw i l lh a v es i g n i f i n a n c ei n i m p r o v i n g t h es t u r c t u r ea n de n s u r i n gs a f e t yi nr a i l w a y , h i g h w a ya n d b u i l d i n g ， k e yw o r d s ：s o i l n a i l e ds u p p o r t ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，s l o p e ，s e i s m i cs t a b i l i t y 独创性声明 本人声明所呈交的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，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 车癖 关于论文使用授权的说明 日期： 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 始蝴新签静乡嘲业 1 1 研究背景 第1 章绪论 我国是个多山的国家，山地面积约占国土面积的2 3 ，这就从客观上决定 了我国有大量的自然边坡。我国正处于大力进行基础设施建设的时期，太量的水 电枢纽、公路、铁路及矿山等工程的建设过程中会出现很多边坡失稳问题，如图 1 1 。我国地处世界上两条最活跃的地震带之问，东有太平洋地震带，西有喜马 拉雅山一地中海地震带。我国强震分布广，破坏性地震几乎遍布各省，其中西部 地区地震活动强，频度高 1 。滑坡是指斜坡上的土体或者岩体，受河流冲刷、地 下水活动、地震及人工切坡等因素影响，在重力作用下，沿着一定的软弱面或者 软弱带，整体地或者分散地顺坡向下滑动的自然现象。俗称“走山”、“垮山”、“地 滑”、“土溜”等，2 0 0 8 年5 月1 2 日阳j i 汶j i 】80 级大地震诱发了3 万多个崩塌和 滑坡造成了大量的人员伤亡和经济损失，甚至一度成为救灾工作不能顺利进行的 首要原因。在我国这样一个地震多发国家，如何科学防止和减小地震对边坡的破 坏一直是地震工程和边坡工程的重要研究内容。近年来我国地震活动正趋于活 跃，再加上对边坡地震动力特性分析研究还不深入，没有比较成熟可靠的分析方 法与标准可遵循。 图1 - 1 边坡滑移 随着土钉支护技术的发展，越来越多的应用到永久性性边坡工程中。如图 1 2 ，但目前在国内研究领域针对地震作用下土钉支护边坡动力分析方法的研究 相对缺乏。总体来说土钉支护技术实践时间还不长，无论在国内还是在国外，均 缺乏在地震动力方面系统而深入的研究，迄今为止也没有相应的动力分析理论与 北京工业大学工学硕士学位论文 抗震设计方法关于土钉支护边坡在地震作用条件下的动力特性、抗震机理以及边 坡失稳机制尚不十分明确，有待于开展深入研究。而且在地震作用下，土钉支 护边坡的受力特性较为复杂。在当前土钉支护结构越来越多地应用到永久性工程 中的背景下，土钉支护结构动力稳定性分析的研究已经太大落后工程实践。 图1 - 2 高速公路土钉支护边坡 12 土钉支护应用现状 i2 1 国外工程应用 现代土钉支护技术的发展始于七十年代。七十年代法国首先进行了这方面的 应用研究和技术推广【“1 。1 9 7 2 年。法国承包商b o u y g u e s 提出了新奥法原理能够 用于土质边坡和软岩的临时支护，并应用在法国凡尔赛附近某处铁路路基的边坡 开挖工程，该工程为有着详细记载的第一个土钉支护永久性工程h 。后来，在法 国里昂附近d o m b e s 铁路隧道的洞门挡墙( 坡度) 中，采用永久性土钉支护高 度达2 8 m 。 德国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，高1 4 m , 并进行 了长达1 0 年的连续量测口】。近年来，美国联邦公路管理局积极推广土钉技术用 于公路路基边坡稳定和公路桥台挡土结构，在一些州的高速公路建设中，许多地 方采用了土钉支护边坡。 1 22 国内工程应用 山西太原煤矿设计院王步云f 6 州等曾较早对土钉边坡进行了原位试验和分 析：1 9 8 0 年在山西柳湾煤矿加固1 个长4 0 m 、垂直高1 0 2 m 、坡角为8 0 。的陡坡 时，采用了士钉支护技术，是国内晟早的工程应用。 第1 犟绪论 湖南长沙电力学院西区永久性挡土墙位于该院西区运动场西侧，呈南北走 向，最大高度8 7 m ，最小高度6 5 m ，平均高度8 0 m ，其中一段从坡顶至坡脚土质 全部为老素填土。采用土钉支护将土方分层开挖，分层支护，边坡坡度为1 ：0 1 ， 满足了坡脚拟建建筑物的平面布置要求。华丰湾堤防工程是广西柳州市城市防洪 排涝工程之一，由于该堤防东段约1 0 0 m 长的基础开挖边坡较陡，坡度为1 ：0 3 ， 开挖边线逼近民房，最近处距房屋边缘只有1 o m 左右，采用土钉支护技术对堤 防基础开挖边坡进行加固处理。l o o m 堤段的基础开挖边坡仅为1 ：0 3 ，边坡高 度为6 - 9 m 。经观测，附近房屋无任何位移与沉降迹象，保证了附近建筑物的安 全。 广东省莞深高速公路k 1 2 + 2 8 0 - + 4 6 0 段右侧边坡开挖后，边坡最大高度达 6 0 m ，分5 级台阶，属高边坡路段。根据整个坡面的岩，土特征，在自然地面以 下约6 1 0 m 左右的深度范围内，主要是由结构较为松散的碎石土组成，这部分 土体的物理力学性质差。在水的渗透作用下，边坡面临空面的土体容易诱发滑塌。 采用土钉支护进行防护处理，目前使用情况良好，表明了土钉墙支护对公路路基 的高边坡处理是成功和有效的。 内( 江) 昆( 明) 铁路凉水井车站，位于云贵高原乌蒙山区，属中低溶蚀、 侵蚀地貌，地面自然横坡，地面高程2 1 6 0 2 2 0 0 m 。在d k 4 9 4 + 5 2 4 d k 4 9 4 + 6 3 6 段长1 1 2 m ，三线路堑开挖最大深度为3 2 m ，地面覆盖约3 m 的松散砾石土，线 路下伏基岩为灰岩夹火遂石灰岩，上覆粘土夹碎块石，厚6 1 3 m ，其上部高约 2 0 m 为土质边坡( 土层厚达8 1 2 m ) 。堑顶外4 2 m 为一县级乡公路，路堑开挖易 坍塌。该地区是多雨地带，如不做有效防护处理，经开挖及大雨冲刷后，山体边 坡将丧失稳定，直接影响开通后的行车安全。本段右侧设计为：上部采用预应力 锚索土钉墙综合加固措施，下部为重力式挡土墙。坡面防护自上而下由3 部分组 成；堑顶向下4 m 为第一排锚锁( 竖向每隔4 m 设1 排) 共4 排；2 0 m 范围内除 锚锁外全部采用土钉墙挂钢筋网喷混凝土防护，其下1 2 m 范围设重力式挡土墙 挡护。通过预应力锚锁的加固，使山体整体稳定，但坡面局部仍有滑塌，土钉、 网喷则较好地控制了坡面、局部不稳定体，最终形成了若干个有牢固根基的稳定 单元，坡面又起到了防冲刷、防风化的作用。 其他作为永久性工程应用的还有：南昆铁路膨胀土土钉挡墙1 10 j ；水柏铁路土 钉墙边坡支护工程【1 1 1 ，土钉墙与抗滑桩相结合的边坡支护工程，土钉墙与锚索桩 相结合的边坡支护工程；株( 州) 六( 盘水) 铁路复线锚固桩和土钉墙联合支护 结构，贵州省公安厅招待所永久性土钉支护的红粘土边坡工程；广东省惠州市吊 鸡沥河道治理边坡工程等。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 3 既有研究方法 1 3 1 静力稳定性分析方法 土钉支护结构系统的外部稳定分析与重力式挡土结构类似，即考量整体结构 的滑动破坏、倾覆破坏及承载力不足破坏。 内部稳定性分析一般采用与边坡稳定性分析类似的极限平衡方法，如瑞典条 分法、毕肖普法等，分析中考虑土钉与土体之间的摩阻力，从而计算安全度。采 用极限平衡方法的关键是确定最危险滑裂面及其对应的最小安全系数，对此，研 究人员采用不同的优化方法寻求最危险滑裂面，进而分析其稳定性。 ( 1 ) d a v i s 法 其假设潜在滑动面为一通过墙趾的抛物线，土钉只承受轴向拉力，土壤为匀 质并符合摩尔库仑准则，土钉垂直间距相等于水平间距，土钉长度相等，如图 1 3 。 照 曝m 咚 单元1 图1 - 3d a v i s 法示意图 ( 2 ) 德国法 由s t o c k e r 等人提出，其假设潜在滑动面为通过墙趾的双直线，土钉只承受 轴向拉力，土壤剪力强度完全发挥，滑动土体为刚体，如图1 4 s 图1 4 德国法示意图 p s x t p x t 和；t l r 1 ) 1 4 第1 章绪论 ( 3 ) 法国法 该方法由法国s c h l o s s e r ( 1 9 8 2 ) 1 2 1 提出，把多破坏准则应用于土钉结构的 分析和设计。它基于一般边坡稳定分析的条分法，假定滑动面为任意形状的曲线 ( 图3 ) 。除考虑土与土钉之间的摩擦作用外，还考虑土与土钉之间的侧向挤压作 用。 ( 4 ) 对数螺旋线面法 国内陈宗严曾采用b r i d l e 建议的方法用对数螺旋线面模拟滑动面【1 3 1 ，如图 1 5 。 图1 5 对数螺旋线法示意图 ( 5 ) 条分分析法 该法基于瑞典条分法的分析方法，假设滑动面为圆弧面( 暂时称之为圆弧 法) ，忽略条块间的作用力对边坡稳定的影响，如图1 6 。 ( 1 ) 边坡及支护情况 闷； - - - 蟮j ? x 戊 ( b ) 滑动面及土条受力分析 图1 6 圆弧法示意图 张明聚等人曾基于此法提出用几何控制参数确定最危险滑动面的计算机算 法，并用黄金分割法分步对几何控制参数进行了优化，提高了计算速度，实践证 明，完全可以作为土钉支护边坡设计和分析的手法【1 4 】。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 3 2 动力稳定性分析方法 ( 1 ) 数值分析法 数值计算法主要有有限元法【1 5 1 6 1 、有限差分法【17 1 、快速拉格朗日元法【1 8 】、 边界元法【1 9 1 、离散元法【2 0 】、刚体弹簧元法【2 1 1 、非连续变形分析方法【2 2 1 、界面元 法【2 3 】和流形元【2 4 1 等。根据各种数值分析方法的出发点及原理可知，有限元法、 有限差分法、边界元法和拉格朗日元法主要适用于被看作连续介质及含少量不连 续界面的边坡；离散元法、非连续变形法、刚体弹簧元法主要适用于被看作不连 续介质的边坡；流行元和界面元对于被看作连续介质和不连续介质的边坡都适 合。 国内外常采用的数值分析方法有有限元法、离散元法和快速拉格朗日元法 【2 5 1 。有限元法属于较严谨的分析方法，通过有限元法可对整体结构进行完整的分 析。但对于互制作用复杂的土钉结构物而言，土钉与土壤界面之间的组成模式不 易建立，且有限元法的分析结果须经由现地监测资料或室内试验结果加以验证。 随着计算机的发展，岩土工程数值分析软件得到了前所未有的发展，基于快 速拉格朗日法美国i t a s c a 公司推出了商业化软件f l a c 2 6 1 。祁生文【2 7 1 用其进行 了边坡动力响应分析。该方法在岩土工程中的应用正在日益流行。目前已渐渐应 用到岩土工程的各个领域。 ( 2 ) 滑动块体法 滑动块体法的基本出发点是假定残余变形主要是由地震时地基及发生瞬态 失稳时滑移体产生位移造成。这个概念最早是由n e w m a r k ( 1 9 6 5 ) 【2 8 j 提出，评 估土坝受震后的永久变形量，随后t a y l o rl a r r y r 2 9 矛1 s e e d 3 0 】、a m b r a s e y s 3 1 】、 c r e s p e l l a n it 【3 2 】、g i o v a n n ib i o n d i 3 3 1 、m a k d i s i 、渡边启行等对该方法做了改进和 发展。此分析法将滑动土体假设为刚性块体，且土体以平面型式滑移，并定义临 界加速度为土体克服摩擦阻抗所需的加速度。 ( 3 ) 拟静力法 拟静力法是分析地震稳定性最早的方法【3 4 1 ，也是目前动态设计普遍采用的方 法，此分析法将结构物视为刚体，把各质点的地震惯性力当作静力作用于该质点 处，用以计算抗滑稳定安全系数来评估结构物的稳定性。拟静力法设计理念及程 序较为简便，且分析结果可适用于实务设计，故有许多学者对于挡土墙、边坡、 土坝或路堤等土壤结构物，分别提出了适用的拟静力分析法。 由于拟静力法将地震等动力作用等效为静力作用，可以采用常规的静力稳定 分析方法进行分析，所以极大地简化了对滑动体在地震力作用下的破坏过程，计 算和理论均较为简单，所以一经提出就被广大的工程设计部门采用，并编写入工 程设计规范 3 5 - 3 7 j ，并在边坡地震分析中得到广泛应用。 第1 章绪论 曼! 曼曼! 曼! 寰曼曼曼曼! ! 曼曼! 曼! ! ! 曼! 曼曼曼曼曼曼舅曼罡! 笪曼曼曼曼曼曼! i 二i = = i i 鼍曼曼! 曼苎曼曼曼曼曼苎皇曼曼! 曼! 曼曼! 曼曼! 皇! 曼曼曼曼曼! 曼! 曼! ! ! 曼曼 拟静力法的理论基础是地震时地下结构随周围土体的变形而变形，结构本身 的动力特性不能反映出来，结构遭受到的破坏情况主要由其变形和结构自身的延 展性能来决定。 地下结构横截面方向抗震分析中，最常用的拟静力计算方法是反应位移法和 有限元反应加速度法。 反应位移法的计算模型是将土以等效刚度的弹簧来代替，结构设为梁单元， 土与结构的相互作用通过土弹簧和梁单元连接的方式表现。地震荷载在模型上施 加方法为：以地震时一维自由土层在结构上下底位置相对水平位移达到最大值 时的位移作为强制位移施加到土体弹簧远离梁单元的一端；将地震时结构接触 面位置自由土层的剪应力离散为接触面切线方向的结点力，施加到接触面的梁单 元结点上；假设地震时自由土层的反应加速度与结构的反应加速度是一致的， 将其作为体力转化成横向节点力施加于结构全体的梁单元上。 有限元反应加速度法的基本模型是将土划分为二维平面应变有限元，结构作 为梁单元与其连接。计算地震荷载的方法也是要首先进行一维土层反应计算，从 中抽出地下结构上、下底位置发生最大相对位移时刻随土层深度分布的水平向加 速度值，然后将其以体力的方式转化成节点力施加到有限元模型的节点上。 ( 4 ) 概率分析方法 由于在地震边坡稳定分析中存在很多不确定因素，如输入地震动的随机性， 边坡材料特性的随机性。和边坡的可靠性分析一样，这些随机性和模糊性对计算 结果有很大影响，在分析时有必要考虑这些随机性，因此出现了地震边坡概率分 析方法。1 9 9 1 年，y e g i a n ，m k 等人发表了“土坝的地震危险性分析( s e i s m i cr i s k a n a l y s i sf o re a r t hd a m s ) ”，在文中考虑了边坡地震破坏的两种模式：第一种是由于 地震期间造成的累积永久位移；第二种是在地震期间由于地基和坝体材料剪切强 度的降低导致的不稳定( 称之为震后破坏) 。h a l a t c h e vr o s s e na ( 1 9 9 2 ) 提出了一种 用于堤坝和边坡地震稳定性分析的概率方法，该方法建立在s a r m a 解的基础上， 考虑了地震力的水平和垂直分量，即地震力具有任意倾角：土体剪切强度参数假 定为正态分布，采用m o n t e c a r l o 模拟：破坏概率由地震系数确定；将地震系数 视为一个随机量，并将其应用于露天矿边坡分析中【3 8 j j 利用安全系数和边坡的临 界位移提出了地震力作用下土体边坡和堤坝的概率三维稳定性分析模型，考虑了 如下的不确定性因素：实验室和现场所测的剪切强度参数存在大差异的不确定性： 发生地震和地震所引起的加速度的随机性；同时还考虑了空间上变化以及土参数 间的关系；提出了5 种基于极限值下的非超越概率的地震位移概率模型，并提出 了基于安全系数的三维动力边坡稳定分析的概率模型，编写了p t d d s s a 计算程 序，将这些模型应用于著名滑坡s e l e s tl a n d s l i d e 中，发现震源距离和震级对地震 引起的位移、破坏概率、二维和三维安全系数影响很大【3 9 1 。关于边坡动力响应的 北京工业大学工学硕士学位论文 概率分析方法，c h r i s t i a n ，j t 和u r z u a ，a ( 1 9 9 8 ) ，p a l ，s k ，r a h m a r l 等人( 1 9 9 1 ) 也分 别作过一些研究【4 0 4 1 】。 ( 5 ) 试验分析法 试验法是非常重要的手段之一。试验法，在满足相似定律的条件下，能够较 真实直观地反映岩土边坡的薄弱环节及渐进破坏机理和稳定性程度，便于直接判 断边坡的地震动力特性，同时也是对各种数值模拟结果和理论分析的检验和对 照。从所掌握的资料来看，试验法基本上采用振动台和离心机模拟试验进行边坡 动力特性物理模拟。王思敬【4 2 】最早通过振动模拟试验探索了岩石块体运动时单一 滑动面的摩擦特性等，取得了一些有重要价值的研究成果。王存玉【4 3 】在二滩拱坝 动力模型试验中发现，岩石边坡对地震加速度不仅存在竖向的放大作用，而且还 存在水平向的放大作用。翟阳等采用单一频率的振动对土坝边坡进行了振动台试 验，并分析了振动条件下边坡对土坝抗滑稳定性的影响，给出了边坡与破坏加速 度的关系式。张平等 4 4 1 对岩石边坡的平面滑动进行了简化模型的系列振动台动力 试验，并提出了边坡动力残余位移的累积计算公式。w a r t m a n 4 5 】对粘土边坡也进 行过振动台试验研究，基于n e w m a r k 滑块分析法进行了位移计算。针对岩质边 坡动力稳定性研究所进行的试验仅限于单一平直滑动面、小尺度和单一频率的地 震动输入，而复杂滑动面、大尺度和采用真实的地震动输入的大型振动台试验尚 未见报道。 ( 6 ) 剪切梁或者剪切楔法 m o n o n o b e ，h a 4 6 1 等人最早地认识到边坡是变形体，并第一次提出了一维剪 切楔法的模型。直到2 0 多年后，人们才认识到这一方法的价值，这一方法才得 以发展。起初，剪切楔法引入四个基本假定：( 1 ) 只有水平位移和简单的剪切变 形发生；( 2 ) 位移、剪切应力和剪切应变沿任一平面均匀分布；( 3 ) 坝体为均匀的 线粘弹性体，它的剪切模量、阻尼比以及密度为常数；( 4 ) 坝体为无限长或者建 在矩形河谷中，仅受刚性地基水平运动的作用。 g a z e t a s ，g ( 1 9 8 7 ) 47 j 研究认为只有( 1 ) ，( 2 ) 假定对于剪切楔法必不可少，坝体 中每个单元不仅仅遭受水平位移和剪切应力和剪切应变，而且也遭受由于波动在 坝坡面上的反射作用而产生的铅直位移和正应力、正应变作用，但是和二维有限 单元法的答案进行比较可以发现铅直位移和正应力确实是次要的，在大多数情形 下可以忽略。对于假定( 2 ) ，虽然均匀分布的剪切应力和坝坡表面的应力为零的 边值条件不符，然而c h o p r a , a k ( 1 9 6 7 ) h 引，d a k o u l a s ，p ( 1 9 8 5 ) 所做的几例有限单 元法的研究表明【4 9 】：除了坡面附近极小的范围，应力和应变的确在任一平面上均 匀分布。2 0 世纪8 0 年代甚至包括7 0 年代发表的一些文献通过定量评价以下因 素的作用放松了这些假定，这些因素包括：( 1 ) 土的刚度对围压的依赖性造成的 土质不均匀；( 2 ) 非矩形河谷；( 3 ) 纵向和铅直向刚性地基运动的激发作用；( 4 ) 强 第1 章绪论 震期间土体的非线性和非弹性行为；( 5 ) 坝体和地基之间的相互作用。 1 4 既有研究成果 迄今为止，对土钉支护的研究工作主要可分为试验研究和理论研究两个方 面，试验研究包括室内试验和现场原位测试，理论研究主要集中在极限平衡分析 和有限元数值模拟、工程简化分析法和经验设计法上。下面就前人对土钉支护的 研究作简要的回顾。 ( 一) 试验研究成果 试验是研究岩土工程问题的一个重要手段，自从土钉支护出现以来，国内外 己对其进行了不少的大型量测试验，其中也有专门为试验而修建的工程，下面介 绍一些典型的试验结果。 ( 1 ) 在法国的c l o u t e r r e 研究项目中，进行了三个大型土钉支护试验。这项 试验研究的主要结论为：土钉中的拉力沿其长度变化，最大拉力位置离开面层一 定距离；土钉在使用阶段主要受拉，土体变形后在土钉中出现的首先是拉力，只 有到临近破坏时，土钉的抗弯刚度才起作用。 ( 2 ) 德国k a r l s r u h e 大学岩土力学研究所在国际上最早进行了大型土钉支护 试验。试验研究的主要结论有：土钉墙支护性能与重力式挡土墙类似；对于直立墙 面和水平地表情况，土钉长度以墙高的o 5 0 8 为宜( 无地下水) ；钉距应小于1 5 m ； 面层压力可视为均布，大小约为库仑主动土压力的0 4 0 7 倍。 ( 3 ) 美国的s h e n 5 0 - 5 1 】等( 1 9 8 1 ) 在加州大学d a v i s 分校建造了一个土钉支护 足尺模型，试验的主要结论如下：在开挖面后5 f l o f t = o 3 0 5 m ) 处，水平位移在地表 位置最大，在开挖面后15 f l 处，水平位移的最大点下移；开挖面以下的水平位移 相对来说比较小；各层土钉的轴力基本一致，靠开挖面处最大，尾部接近于零。 ( 4 ) 王步云等用模型试验研究了土钉在土体中的作用，并用三轴试验研究 了土钉复合体的强度，试验结果表明，土钉在其加强的复合土体中起着箍束骨架 作用，提高了土坡的整体刚度与稳定性。 ( 二) 极限平衡分析理论成果 极限平衡法是土坡稳定和边坡支护理论较早采用的方法，也是目前土钉支护 应用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理论 和试验研究。由于有不同的安全系数的定义，不同的土钉支护结构的破裂面形状 假定以及不同的钉一土相互作用类型和土钉力分布的假定，国外产生了许多种与 其相应的试验成果一致的方法。工程中应用较多的并具有代表性的有以下几种： ( 1 ) 1 9 7 9 年由s t o c k e r 等人提出的德国方法。其假定滑移面为双曲线形，并 通过土坡坡角，进行力的极限平衡总体稳定分析，仅考虑土钉的抗拉作用，土的 北京工业大学工学硕士学位论文 剪切强度由莫尔一库仑准则确定。 ( 2 ) 1 9 8 1 年由沈智刚等人提出的d a v i s 法以及后来经过j u r a n 等人( 1 9 8 8 年) 改进的d a v i s 法。其假定滑移面为过坡角的抛物线形，仅考虑上钉的抗拉作用。 d a v i s 法和改进的d a v i s 法区别在于土强度参数和土钉抗拔力所取的分项安全系 数不同，其余内容均相同。 ( 3 ) 1 9 8 3 年由s c h l o s s e r 提出的法国方法。其假定滑移面为圆弧形，根据传 统边坡稳定中的条分法，并考虑穿过滑移面土钉的抗拉、抗剪和抗弯作用来进行 力矩极限平衡总体稳定性分析，目前土钉抗弯仍然是一个有争议的话题 5 2 5 5 】。 ( 4 ) 1 9 8 9 年，由r j b r i d l e 提出的b r i d l e 方法。其假定滑移面为对数螺旋线 形并过坡角，用条分法分析滑移土体的平衡，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。 ( 5 ) 1 9 9 0 年，由j u r a n 等人提出的机动法或运动法【5 刚。其假定滑移面为对数 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，而且认为土钉支护结构的失稳往往是 上层土钉被拔出，再逐步发展为整体失稳，为此，进行了土钉最大内力的局部稳 定验算。 在国内主要有 ( 1 ) 程良奎、杨志银提出的方法1 57 1 。其假定滑移面为圆弧形，稳定分析中 考虑了上钉挡墙外部整体稳定性，但钉土间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。 ( 2 ) 清华大学张明聚【5 8 - 5 9 1 、宋二祥、陈肇元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。 ( 3 ) 王宝安、史维汾、王国俊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。 ( 4 ) 罗晓辉等采用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 响的土钉挡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。 ( 三) 土钉支护结构动力稳定性分析的研究成果 国内外学者们为研究边坡地震分析发展了多种方法。 19 5 0 年t e r z a g h i 首次将拟静力法应用于地震边坡稳定性的分析中。 n e w m a r k ( 1 9 6 5 ) 分析真实地震动作用下边坡永久位移。从坝坡上滑动体在地 第1 章绪论 曼曼曼曼曼曼! ! ! ! 曼曼! ! ! 曼! 曼曼i i 一 ： om m mmm = 。：m 曼曼! 皇曼曼曼曼曼 震中受惯性力作用而运动或停止的规律出发，计算其刚体位移，从而，推求坝体 在地震时及地震结束后可能发生的永久变形量。 m a k d i s i s e e d ( 1 9 7 8 ) 提出了简化预测永久变形的方法。 t a n i g u c h i 和w h i t m a n ( 1 9 8 3 ) 根据坝体动力分析中求得的剪应变或剪应变势， 转化为静力按平衡原理求得与这个力系相适应的坝体永久变形。 h a l a t c h e v r o s s e n a ( 1 9 9 2 ) 提出了用于堤坝和边坡地震稳定性分析的概率方 法。 a 1 2 h o m o u d a s ( 2 0 0 0 ) 提出了地震力作用下土体边坡和堤坝的概率三维稳 定性分析模型。 岩体边坡的动力问题研究起始于我国学者王思敬( 1 9 7 7 ) ，还有李秉生( 1 9 8 3 ) 。 张平博( 1 9 9 4 ，1 9 9 7 ) 研究得出滑动块体产生的累积位移不仅与台面的输入加 速度大小、荷载频率和持续时间有关，而且还与法向应力和坡面倾角有关。 吕擎峰，殷宗泽等( 2 0 0 5 ) 对边坡稳定分析拟静力法提出了改进方法，即计算 竖向力时竖向条分；计算水平地震力对滑动力矩和抗滑力矩的作用时水平条分。 朱彦鹏 缸6 3 1 ，董建华【6 4 】，用拟静力法建立了地震作用下土钉支护边坡稳定性 模型，推导了边坡滑移面圆心位置与稳定系数之间的函数关系。针对水平地震作 用下竖向条分在计算地震惯性和抗滑力矩时存在计算上不合理这一问题，采用竖 向条分和水平条分结合的方法对土钉支护边坡地震稳定性分析方法进行了改进。 利用遗传算法对最危险滑移面的圆心进行动态搜索，采用面向对象程序设计语言 v c + + 编制了程序，实现了土钉支护边坡稳定最小安全系数的自动寻优。 1 5 研究内容、目的及意义 土钉支护技术作为一种新型挡土技术，已经在国内外得到了广泛的应用。 土钉支护在国内具体运用于实践的过程中得到了很大的发展并起到了很大的作 用【6 孓6 6 】。但目前土钉支护结构的理论研究已经落后于工程实践。近年来，土钉进 行支护的工程发生坍塌的事情时有发生，特别是去年四川大地震造成了数以万计 的边坡坍塌，这主要还是因为人们对土钉支护的工作性能和承载机理仍不清楚， 因此需要对土钉支护继续深入研究，完善其设计计算理论和方法。 本文结合土钉支护结构稳定性理论与实践上的不足主要进行以下几方面的 工作： ( 1 ) 讨论了土钉支护结构地震稳定性分析的研究与实践现状，分析了土钉 支护技术的特点及施工与设计要领。 ( 2 ) 进行土钉支护设计。 ( 3 ) 理论推导采用拟静力法模拟地震作用，确定土钉支护边坡在地震作用 北京工业大学工学硕士学位论文 i i 下的最危险滑移面，建立土钉墙支挡结构在动力荷载极限状态作用下的抗滑移稳 定性条件。推导得出了土钉支护结构滑移面搜索模型。基于v b 语言编程，利用 程序确定土钉支护边坡的最危险滑移面所在圆弧的圆心与半径，从而进一步确定 最危险滑移面所在的位置。 ( 4 ) 介绍了有限差分理论和f l a c 基本原理，利用有限差分软件f l a c3 d 建立了数值分析模型，对土钉支护结构进行静力分析，分析了砂土参数对对土钉 支护边坡静力位移的影响以及轴力分布规律。 ( 5 ) 结合振动台试验，建立了土钉支护边坡地震模型，分析地震作用下轴 力的分布规律，砂土三个基本参数，土钉的长度和倾角对地震位移的影响，以及 土钉长度和倾角对土钉轴力的影响规律。 通过对以上内容的研究，找出新的滑移面搜索方式，得出土壤以及土钉的 各种参数对土钉支护边坡静力和动力条件下位移响应规律，以及土钉轴力的规 律，提出一些抗震设计的技术措施。 该课题的研究，将为土钉支护结构在土体边坡支护中应用提供更加合理、完 善的设计依据和计算方法，可减少由设计不当造成的重大损失；对于促进这种新 型支护结构在更多地区和领域的推广应用，保证公路、铁路和建筑物的使用安全， 具有重要的现实和经济意义。 篓：茎圭呈圣耋矍三耋兰耋 第2 章土钉支护施工与设计 2 1 土钉支护技术简介 土钉支护边坡是由喷射钢筋混凝土薄墙和安装加固土体的土钉组成，土钉可 由钢筋或钢棒钻孔植入，然后压力满空注浆形成土中狼牙棒。土钉能够在土体稳 定区与挡土结构之间产生很大的拉力，以阻止土体滑移和坍塌。土钉墙往往被看 成是一种被动加固土体方法，因为只有边坡或边坡产生变形，形成滑移区和稳定 区( 被动区) ，土钉才会进入工作状态。一般土钉墙可用做高层建筑深边坡支护、 高速公路和铁路边坡支护以及临近建筑的边坡支护等。尽管土钉墙是一种较新的 支挡结构，然而它己经在欧洲、美国和中国等地得到了广泛的应用。 图2 - 1 土钉挡土示意图 这种形式的支挡结构特别适用于象美国西部、中西部和中国西部的湿陷性黄 土地区。湿陷性黄土是一种窑易受到风雨残蚀的粉土，在自然状态下，湿陷性黄 土颗粒之间具有粘聚力，这些含有钙盐成分的颗粒结构，遇水能够溶解。因此， 遇水时，湿陷性黄土就会受到侵蚀而湿陷。而土钉墙可以防止水从坡面和项部侵 入，减少边皱由于遇水可能产生的湿陷破坏，而且，土钉墙是一种协同工作性能 极好的支挡结构，局部个剐湿陷失效也不会造成墙体的整体破坏。 土钉根据施工方法的不同可以分为两大类。第一类是先钻孔后置入土钉称为 钻孔注浆土钉；一类为无需钻孔直接将土钉打入土体，包括钻孔贯入钉、贯入钉、 注浆贯入钉、高压喷射贯入钉。 钻孔注浆钉是摄常用的类型，用作临时或者永久性工程均可。由钢筋钢管等 抗拉杆件| 三【及水泥砂浆组成。施工方法是先在土体上钻孔，然后放入土钉，最后 北京工业大学工学硕士学位论文 在土钉与土体的间隙内注入水泥砂浆。贯入式土钉仅使用于临时性挡土工程，施 工时使用震动冲击锤将土钉击入土体，不需进行灌浆，由于其与土体接触面积小， 钉长又受限制，因此一般设置比较密。注浆贯入式土钉是将管体带眼端部封闭的 钢管打入土体，然后往管内注浆，透过管壁将水泥砂浆渗透到土体内。高压喷射 注浆贯入钉中间有纵向小孔，施工时使用高频率震动冲击锤将土钉贯入土体中， 同时加压将浆液从端部小孔压出，注入土体中。 2 2 土钉支护工作机理 2 2 1 土钉支护结构作用机理 土钉与锚杆的根本区别在于：土钉与土全长度粘结，形成土体加固区带，其结 构类似于重力式挡墙，其作用机理主要有以下几方面： 一、土钉对复合土体起着箍束作用。它取决于土钉本身的刚度和强度以及它 在土钉内分布的空间组合方式，具有制约土体变形的作用，并使复合土体构成一 个整体。 二、土钉对复合土体起分担作用。土钉与土体共同承担外荷载和土体自重应 力，在土体进入塑性状态后，应力逐渐向土钉转移。当土体开裂时，土钉分担作 用更为突出。 三、土钉起着应力传递与扩散作用。当荷载增到一定程度，边坡表面和内部 裂缝发展到一定宽度，此时坡脚应力最大，下层锚体伸入到滑裂域外稳定土体中 的部分仍能提供较大的抗拉力。锚体通过其应力传递作用，将滑裂域内部分应力 传递到后边稳定土体中，并分散在较大范围的土体内，降低应力集中程度。 四、坡面变形的约束作用。在坡面上设置与土钉连在一起的钢筋网喷射混凝 土面板，是发挥土钉有效作用的重要组成部分，喷射混凝土面板起到坡面变形的 约束作用。 2 2 2 土钉支护原理 土钉支护属于土体加筋技术( s o i lr e i n f o r c e m e n t ) 中的一种，其形式与通常的加 筋土挡墙相似。但土钉是原位土中的加筋技术，是在从上至下的开挖过程中将筋 体置入土中：加筋土( r e i n f o r c e de a n h ) 一词原为国外的一个专利名称，专指填土 过程中的加筋技术，所谓加筋土挡墙是在从下至上分层填土的过程中埋入受拉筋 ( 通常用扁钢等带状筋体) ，并与填土和预制墙面板一起组成挡土结构。 虽然使土钉和加筋土中的筋体受拉工作都需要以土体发生变形作为补偿，但 二者筋体中的拉力沿高度的变化规律不同，加筋土中受力最大的筋体位十底部， 第2 章土钉支护施工与设计 土钉支护中受力最大的筋体位十中部，底部的土钉受力最小。此外在土体变形曲 线上也存在重大区别，所以加筋土挡墙的设计原则不完全适用十土钉支护。 此外，注浆钉的构造与就地灌制的小直径桩即微型桩也有类同之处，不过土 钉主要通过与周围土体之间的界面粘结力受拉工作，一般为水平向构件；微型桩则 主要通过顶端直接承受外载，或者承受侧面土压力压弯工作，一般为竖构件。微 型桩( m i c r o p i l e s 或m i n i p i l e s ) 有时称树根桩cr o o tp i l e s ，成排布置的树根桩或 呈二维网状体系的网状树根桩( r e c t i f f e dp i l e s ) 能和土钉一样对土体起加筋作用 并形成挡土结构，尽管其中的个别桩体有时也会受拉，但在总体受力特征和外形 上显然与土钉有很大的差别。土钉支护技术是利用设置于土体内部的土钉及喷射 混凝土面层所构成的柔性支护体系，通过提高土体自身的强度来抵挡变形的主动 支护体系。 2 3 土钉支护技术的特点及应用范围 2 3 1 土钉支护技术的优点 土钉支护技术是利用设置于土体内部的土钉及喷射混凝土面层所构成的柔 性支护体系，通过提高土体自身的强度来抵挡变形的主动支护体系，是一种全新 支挡设计理念。它具有下面一些优点【6 7 7 1 】： ( 1 ) i 程造价低、经济。据国内外资料分析，土钉支护工程造价比其它支护类 型的工程造价低3 0 5 0 左右。 ( 2 ) 材料用量和工程量小。土钉支护能合理利用土体的自承能力，将土体作为 支护结构的不可分割的部分，土钉和面层的截面尺寸小，使得混凝土和钢筋等材 料用量较少。 ( 3 ) 施工速度快、工期短。施工时是边开挖边支护，虽然分层施工需要挖土施 工配合，会一定程度限制了开挖进度，但土钉支护不需要占用专门的工期，在总 体上使边坡工程施工速度较快，总工期缩短。 ( 4 ) 施工设备简单、轻便，操作方便。土钉的制作与成孔不需复杂的技术和大 型机具，小型机械或人工均可，施工方法有较大的灵活性。土钉施工的所有作业 对周围环境干扰小。 ( 5 ) 结构轻、柔性大，有良好的抗震性和延性。土钉支护的组成部件自重轻， 刚度小，是一种柔性支护形式，具有很好的抵抗地震和