（岩土工程专业论文）基于visual+basic+2005的土钉支护程序设计开发.pdf

太原理i ：大学硕+ 研究生学位论文 基于v i s u a lb a s i c2 0 0 5 的土钉支护程序设计开发 摘要 随着我国工业和城市建设的发展，建筑规模不断扩大，建筑高度不断 增加，基坑开挖深度也是由浅向深不断发展，因此，深基坑支护也就成为 了高层建筑等工程建设中的热点和难点问题，并且越来越受到工程界和学 术界的关注。而土钉支护正是在该情况下出现的一种深基坑支护工程领域 中的新技术、新方法，越来越多的工程实践证明，它是一种安全稳妥、经 济合理、快捷简便的基坑支护技术。 土钉支护技术在工程中积累了丰富的实践经验，而理论研究方面相对 落后。由于大量基坑工程集中在市区，施工场地有限，施工条件复杂，基 坑支护不仅要保证基坑结构自身安全，还要保证邻近建筑物和市政设施的 安全和正常使用，所以在土钉支护设计时要进行详细的且比较复杂的设计 和计算，包括土钉抗拔承载力、内部整体稳定性、抗滑移稳定性、抗倾覆 稳定性等。而在实际应用中，用于辅助土钉支护设计计算的软件相对较少， 大部分土钉支护工程采用经验值来设计、采用手算来验算土钉支护的安全 稳定性，这无形中增加了工程设计人员的计算工作量，也增加了土钉支护 设计的不可靠性和不安全性。 出于对以上实际情况的考虑，本文意欲在土钉支护设计计算软件开发 方面做一些努力，以工程中通用的土钉支护技术规程为理论依据，采用 v i s u a lb a s i c 软件开发工具，开发出一套有可视化界面的土钉支护设计 计算程序。 t 太原理【i 大学硕十研究生学位论文 该土钉支护设计计算程序主要能完成以下几方面的工作： ( 1 ) 基坑土体地质参数的采集和储存； ( 2 ) 土钉支护参数的采集和储存； ( 3 ) 各种工况下土钉侧压力计算； ( 4 ) 土钉抗拔承载力计算； ( 5 ) 士钉支护内部整体稳定性分析； ( 6 ) 土钉支护抗滑稳定性分析； ( 7 ) 土钉支护抗倾覆稳定性分析。 作为土钉支护设计计算辅助工具，该软件经过测试，计算结果稳定可 靠，能有效的提高土钉支护设计计算效率和准确性，帮助工程设计人员脱 离繁琐的设计计算，为土钉支护设计提供辅助计算和参考。 关键词：深基坑土钉支护，抗拔承载力，内部整体稳定性，抗滑稳定性，抗 倾覆稳定性 太原理t 大学硕+ 研究生学位论文 a p p l i c a t i o no fv i s u a lb a s i c2 0 0 5f o r t h ed e s i g na n dc a l c u l a t i o n s o f t w a r eo fs o i ln a i l i n g a b s t r a c t w i t ht h eh i g hd e v e l o p m e n to fm o d e r na r c h i t e c t u r ea n du r b a n i z a t i o na n dt h e i n c r e a s i n gs c a l ea n dh i g h to ft h eb u i l d i n g s ，t h ef o u n d a t i o n se x c a v a t i o nb e c o m e s d e e p e ra n dd e e p e r t h u st h es u p p o r t i n go ff o u n d a t i o ni sb e c o m i n gah o ta n d d i f f i c u l ti s s u ei nt h ep r o j e c t i o no fh i g hb u i l d i n g sa n dr e c e i v e sm o r ec o n c e r n a m o n gt h ef i e l d so fa c a d e m ya n de n g i n e e r i n g a n da l s om a n yn e wt e c h n i q u e s a n dm e t h o d sc o m ef o r t hi ne n g i n e e r i n gf i e l do fd e e pf o u n d a t i o np i ts u p p o r t i n g ， a m o n gw h i c h ，s o i ln a i l i n gi sas a f e ，r e l i a b l ea n de c o n o m i c a lt e c h n i q u ei nt h e e n g i n e e r i n gp r a c t i c e t h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c eo fs o i ln a i l i n gi sv e r ya b u n d a n t ，b u tt h e o r i e sa n d r e s e a r c ho ft h i s t e c h n i q u e i sr e l a t i v ep o o r m o r e o v e rm a n yf o u n d a t i o n e n g i n e e r i n gp r o j e c t sa r ec o n s t r u c t e di nc o m p l e xc o n d i t i o n si nu r b a na r e a s ，a n d t h ew o r k i n gs i t ei sl i m i t e d ，a n dt h es u p p o r t i n go ff o u n d a t i o nm u s te n s u r et h e s a f e t yo fb o t hi t s e l fa n dt h en e a r b yb u i l d i n g s ，t h e r e f o r e ，i nt h ed e s i g n i n go fs o i l n a i l i n gm u c hc o m p l i c a t e dd e s i g n sa n dc a l c u l a t i o n sm u s tb em a d es u c ha st h a to f t h eb e a r i n gc a p a c i t y , i n t e r n a ls t a b i l i t y , s l i d i n gr e s i s t a n c ea n dt i l t i n gr e s i s t a n c e h o w e v e r , i nt h ep r a c t i c et h ed e s i g na n dc a l c u l a t i o ns o f t w a r ea b o u ts o i ln a i l i n gi s i i i 太原理r = 犬学硕士研究生学位论文 r e l a t i v e l yl e s s a n da sm o s td e s i g n sa n dc a l c u l a t i o n sa b o u ts o i ln a i l i n gr e l yo n e n g i n e e r i n ge x p e r i e n c ea n dm a n u a lc a l c u l a t i o n s ，t h e yu n d o u b t e d l yi n c r e a s et h e w o r k l o a do ft h ed e s i g n e r sa n da l s ot h eu n r e l i a b i l i t ya n du n s a f e n e s so ft h es o i l n n a i l i n g i nc o n s i d e r a t i o no fp r a c t i c a lu s e ，t h i sp a p e ri sm a i n l ya b o u ts o m ee f f o r t so n t h es o f t w a r ed e v e l o p m e n to fs o i l n a i l i n g a c c o r d i n gt o t h et h e o r yo fs o i l n a i l i n g st e c h n i c a lr e g u l a t i o n s ；av i s u a li n t e r f a c es o f t w a r ea b o u tt h es o i ln a i l i n g i sd e v e l o p e d b yu s i n g t h es o f t w a r eo ft h ev i s u a lb a s i c t h i sd e s i g ns o f t w a r eo fs o i ln a i l i n gi nt h i sp a p e rc a nc o m p l e t es e v e r a l d e s i g n sa n dc a l c u l a t i o n sa sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ec o l l e c t i o na n dm e m o r yo fp a r a m e t e ra b o u tt h es o i lg e o l o g yo f f o u n d a t i o n ； ( 2 ) t h ec o l l e c t i o na n dm e m o r yo fp a r a m e t e ra b o u tt h es o i ln a i l i n g ； ( 3 ) c a l c u l a t i o no fs o i ln a i l i n g sl a t e r a lp r e s s u r ei nv a r i o u sc o n d i t i o n s ； ( 4 ) c o m p u t a t i o n so ft h ee x t r a c tb e a r i n gf o r c e ； ( 5 ) a n a l y s i so ft h ei n t e r i o rs t a b i l i t yo f s o i ln a i l i n g ； ( 6 ) a n a l y s i so ft h es t a b i l i t yo fs o i ln a i l i n ga b o u ts l i d i n gr e s i s t a n c e ； ( 7 ) a n a l y s i so ft h es t a b i l i t yo fs o i ln a i l i n ga b o u tt i l t i n gr e s i s t a n c e a st h ea s s i s t a n ti n s t r u m e n to fs o i ln a i l i n g ，t h ed e s i g ns o f t w a r ei st e s t e da n d t h er e s u l to fc a l c u l a t i o ni sr e l i a b l e i tc a na l s oe f f e c t i v e l yi n c r e a s et h ee f f i c i e n c y a n da c c u r a c yo ft h ed e s i g no fs o i ln a i l i n g ，a n dh e l pr e d u c et h ew o r k l o a do ft h e d e s i g n e r s ，a n do f f e ra s s i s t a n tc a l c u l a t i o na n dr e f e r e n c e i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 k e y w o r d s ：d e e pf o u n d a t i o np i ts o i ln a i l i n g ，t h ee x t r a c tb e a r i n gf o r c e ，t h e i n t e r i o rs t a b i l i t y , s t a b i l i t yo fs l i d i n gr e s i s t a n c e ，s t a b i l i t yo ft i t l i n gr e s i s t a n c e v 太原理工大学硕士研究生学位论文 符号说明 h o地下水位深度( m ) h 基坑深度( m ) g o 地面超载( k n m 2 ) 8坡面与水平面问夹角( 。) h j 、7 ，、仍 第i 层土体深度( m ) 、重度( k n m ：) 、内摩擦角( 。) q 、q 第i 层土体粘聚力( k p a ) 、界面粘结强度( k p a ) 口 土钉与水平面问夹角( 。) d o 、d 土钉孔径( r a m ) 、钢筋直径( m ) 矗 钢筋抗拉强度标准值( m p a ) s 、s ， 土钉水平间距( m ) 、土钉竖向间距( m ) 三 土钉长度( m ) m 、瓦 第i 排土钉设计内力( k n ) 、极限抗拔力( i ( n ) e 土钉抗滑力( k n ) k t 、k h 土钉抗拔安全系数、土钉抗滑稳定安全系数 m 旷m 甲 土钉倾覆力矩( i ( n m ) 、土钉抗倾覆力矩( k n m ) 乞 土钉抗倾覆稳定安全系数 k a 郎肯主动土压力系数 己 土体自重引起的侧压力峰值( k n ) p q 地面超载引起的侧压力值( k n ) p l 土钉长度中点所处深度位置上由支护土体自重引起的侧压力( k n ) 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名： 翌星f 堑些 日期： w 秀乞 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签 导师签名： 日期：塑：笸： 太原理工大学硕十研究生学位论文 1 1 引言 第一章绪论 土钉支护是用于土体开挖和边坡稳定的一种新的挡土技术，由于经济且施工快速简 便，己在我国得到了迅速推广和应用。在基坑丌挖中，土钉支护己成为众多支护手段中 一项较为成熟的支护技术。该法是在基坑或边坡开挖到一定深度时，以一定倾角在坡中 成孔，置入细长杆件( 钢筋、钢管等，即土钉) ，注入水泥砂浆或水泥净浆，随后在坡面 挂钢筋网，并与土钉连接，最后在坡面喷射混凝形成面层。这种工艺形成的支护结构 称为土钉墙，其特点是土钉沿通长与周围土体接触，与周围土体形成一个组合体，在土 体发生变形的条件下，通过与土体接触界面上的粘结力或摩擦力，使土钉被动受拉，并 主要通过受拉作用给土体以约束加固或使其稳定，如图1 - 1 所示。 图1 - 1 土钉支护简图( 一) f i g l - 1p l a n o fs o i ln a i l i n g ( f i r s t ) 9 0 年以前高层建筑相对较少，基础开挖深度较浅，所以基坑支护多以放坡开挖或悬 臂式支护为主。9 0 年以后高层建筑逐年增多，基坑开挖也逐渐加深，一般为2 3 层地 下室，这时基坑支护再以放坡开挖或悬臂式支护已不经济并且难以满足要求，所以多以 地下连续墙桩锚支护为主，桩锚支护在技术上虽然安全可靠，但是工程造价较高。在改 进传统支护方法的同时，土钉支护以其安全可靠而且经济节约的特点在国内得到了大力 的推广和广泛的应用，并在深基坑支护中取得了巨大的社会效益和经济效益。因为它不 需要单独的施工工期，可以与挖土同步施工，所以施工速度快，而且经济。一般其单位 工程造价仅为传统支护方法单位造价的1 2 1 3 ，而且在技术上安全可靠。 】 太原理丁大学硕十研究生学位论文 1 2 土钉支护概述 1 2 1 土钉支护概念 土钉( s o i ln a i l i n g ) 支护技术是一种新的用于土体丌挖和边坡稳定的挡土支护技 术，如图1 - 2 所示。 图1 - 2 土钉支护简图( 二) f i g l - 2p l a no f s o i ln a i l i n g ( s e c o n d ) 该方法是先以一定倾角成孔，然后将钢筋置入孔内，在孔内注浆形成土钉体，然后 在坡面挂钢筋网，并与土钉连接，最后在坡面喷射混凝土。土钉体与周围的土体紧密结 合，并依靠接触面上的粘结力或摩擦力。与周围的土体形成复合土体，通过提高土体的 力学强度及土体在变形时土钉提供给土体的抗拔力达到支护目的。由于这样的结构类似 于加筋土挡土墙，因此常称由加固土体、土钉、面层所组成的结构为土钉墙( s o i ln a i l e d w a l l ) 。土钉支护思3 1 用于基坑或边坡土体开挖时遵循自上而下、边挖边支的原则。具 体为： 1 ) 开挖一定的深度； 2 ) 在这一深度的作业面上设置一排土钉并喷射混凝土面层； 3 ) 继续向下开挖一定深度，并重复上述步骤，直至达到设计深度。 土钉支护既具有对介质的改造、加固作用，使被加固介质整体上的物理力学性质全 面地发生有利变化，成为一种新的地质体，又具有对加固介质的超前锚固和对优势滑移 控制面的超前缝合作用，使之与滑移面的产生、发展和形成等各阶段相适应。 2 太原理：r 大学硕十研究生学位论文 1 2 2 土钉支护作用机理及特点 由于土体的抗剪强度较低，其抗拉强度可以忽略不计，另一方面土体具有一定的结 构性( 尤其是粘性土) ，而以往采用的传统的支档结构均基于被动制约机制，即以支挡结 构自身的强度和刚度，承受其后的侧向土压力，防止土体整体稳定性破坏。土钉支护有 别于这类支护形式的作用机理，它是以一定程度的土体变形为代价，在土钉中产生拉力 从而约束土体的进一步变形的主动支护形式。土钉支护则在土体内设置一定长度和密度 的土钉，与其周围土体一起产生共同作用，即土钉、土体与喷射混凝土面层作为一个共 同体，弥补了土体自身抗拉、抗剪强度之不足，提高了复合土体的整体刚度，使土体的 自身结构强度潜力得到充分发挥，并有效地改变了边坡变形和破坏形态。试验表明：直 立土钉支护边坡比素土边坡承载能力提高一倍以上，且土钉墙在受荷过程中不会发生类 似于素土边坡那种的突发性滑塌，遏制了塑性区的丌展，延长了塑性变形的发展时间， 为边坡的修复提供了机会，并降低了边坡滑塌所造成的损失。 土钉在复合体中的作用瞄6 一哪可以概括为以下几点： 1 ) 箍束骨架作用 按一定间距和长度设置的土钉，在空间组合上具有一定的骨架作用，从而提高土体 的整体刚度和结构整体性。 2 ) 分担作用 在复合土体内，土钉与土体共同承担外荷载和土体自重应力。由于土钉有很高的抗 拉、抗剪强度以及土体无法比拟的抗弯刚度，所以当土体进入塑性状态以后，应力逐渐 向土钉转移；当土体开裂时，土钉的分担作用更加明显，这时土钉内出现弯剪、拉剪等 复合应力，从而导致土钉体内的浆体碎裂，钢筋屈服。复合土体塑性变形延迟及渐进性 开裂变形的出现与土钉分担作用密切相关。 3 ) 传递与扩散作用 在同等荷载作用下，由土钉加固的土体的应变水平比素土边坡土体内的应变水平大 大降低，从而推迟了开裂域的形成与发展。 4 ) 变形的约束作用 在坡面上设置与土钉连成一体的钢筋混凝土面层是发挥土钉有效作用的重要组成 部分。坡面膨胀变形是开挖卸荷、土体侧向变形以及塑性变形和开裂发展的必然结果， 限制坡面膨胀能起到削弱内部塑性变形，加强边界约束作用，这对土体的丌裂变形阶段 3 太原理i ：人学硕十研究生学位论文 十分重要。 传统的被动受力支护结构的特点是依靠自身的结构刚度和强度被动的承受土体压 力，限制土体的变形，从而保持边坡安全稳定。被动受力支护结构应用时间比较长，在 设计和施工中积累了一定的经验，因此在工程中采用率比较高。但是这种支护方法没有 充分发挥土体自身的承载能力，具有造价高，工期长，施工难度大，其局限性r 益突出。 土钉支护属于主动受力支护结构，其特点为通过不同的途径和方法提高土体的强度，使 支护材料与土体形成共同作用体系，从而达到支护目的。目前土钉支护技术已经广泛应 用于基坑、岩土边坡、港口岸壁、大型围堰、机场、桥墩、涵洞和人防工程。与传统的 支护技术相比，土钉支护具有下列特点： ( 1 ) 安全可靠 土钉支护是一种主动支护体系，它尽可能保持、提高并最大限度利用边壁土体固有 力学强度，变土体荷载为支护结构体系的一部分，充分发挥土钉和面层的作用，因而稳 定性好，安全可靠。 ( 2 ) 经济合理 土钉支护技术施工机具简易，用材相对较少，因此工程造价较低。在满足安全稳定 的同等条件下，土钉支护较传统支挡方法要节省经费1 0 3 0 ，甚至更多。 ( 3 ) 施工便利 在城市中心区，建筑物密集，地价昂贵。投资者往往把地下室设计得尽量大，使基 坑只有沿红线下切开挖的条件。对这种情况传统支撑方法由于需要占用一定施工空间而 无法施工。土钉支护技术可沿红线垂直开挖施工，占地少，造价省。 ( 4 ) 工期保证 土钉支护施工的特点是：分层开挖，分层支护，开挖一段，支护一段，基坑土方开 挖完成，基坑边壁支护完毕，施工作业快速。 ( 5 ) 便于监测 有利于根据现场监测的变形数据，及时调整土钉长度和间距，一旦发现异常情况， 能立即采取相应加固措施，避免出现大的事故。 土钉支护技术具有许多传统基坑支护技术无法比拟的优点，+ 但也存在一些缺点： ( 1 ) 土钉支护施工的第一步是土体开挖，一般要求深l 2 m ，开挖面在钻孔、放置钢 筋、注浆、挂网、喷射面层混凝土之前、土体在无支撑的情况下必须自稳，否则，必须 4 太原理t 大学硕十研究生学位论文 对开挖面附近的土体进行加固，保持坡体稳定，这必然会增加施工的难度和工程造价。 ( 2 ) 当地下水位高于开挖面时，必须预先降低水位到坑底之下，否则地下水渗流作 用将使局部开挖面坍塌，并且难以建造面层；土钉支护对于软枯土地区一般不太适应。 ( 3 ) 土钉支护的环境效应，土钉支护一般要“入侵”到建筑场地之外的邻近地带， 或置于邻近建筑的地基中，工程完工后，一般土钉不能被回收利用，而是留在原地，这 必然为“被入侵 的地带的未来基坑丌挖和地基处理带来很大的不便。 ( 4 ) 土钉支护一般适用于地下水位以上或经过降排水措施后的杂填土、普通粘性土、 非松散砂土边坡，但是土钉支护技术不宜用于含水丰富的粉细砂层、砂砾卵石层和淤泥 质土，不得用于没有自稳能力的淤泥和饱和软弱土层。 1 2 3 土钉支护国内外研究现状及其发展 对于土钉支护国内外研究现状及其发展协删，首先现代土钉技术从7 0 年代丌始出现， 而我国在土钉支护技术方面的研究和起步较晚。最早的工程实例是1 9 8 0 年山西太原煤 矿设计研究院的王步云首次将土钉支护技术应用于山西柳湾煤矿的边坡支护工程中。该 边坡的挖深为l o m ，坡角8 0 。，总长近4 0 m ，土体为粉质黄土，采用长8 m 的注浆钉，孔 径1 2 c m ，土钉钢筋直径2 5 r a m ，倾角1 5 。，面层喷射混凝土厚1 8 c m 。这是有记载的国内 应用土钉支护工程的首例。在公路和铁路的边坡加固中，也有应用土钉支护的工程实例。 自2 0 世纪8 0 年代以后，国内高层建筑和基础设施建设大规模兴起，基坑丌挖项目 越来越多，使原位土的各种加筋技术得到很快发展。总参工程兵科研三所在长期对土中 隧道喷锚支护进行研究开发的基础上，根据自己的经验，于1 9 9 2 年首次将土钉支护技 术用于深圳文锦广场的基坑边壁抢险加固中。此后，这项技术得到迅速推广。自1 9 9 2 年以来，仅总参工程兵科研三所在各地完成的基坑土钉支护项目已有千余项。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和许多勘测设计部门以及军内工程 兵系统的单位。而且许多国家几乎都在同一时期内各自独立提出这种支护方法并加以开 发。 除了上述单位以外，近年来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方法( 包括三维有限元分析) 和极限平衡分析方法的研究， 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测试以 及室内的离心机模拟实验；北京工业大学对主动制约机制补强理论及插筋护坡技术的应 用进行了较为系统的研究，主要进行了大型模拟实验和室内实验、数值分析研究、理论 5 太原理r ：大学硕十研究生学位论文 与设计方法研究、工艺实验研究、现场实验研究、施工技术与工艺准则研究，并于1 9 9 1 年通过了北京市科委组织的专家鉴定，1 9 9 2 - 1 9 9 5 年，他们又完成了北京市自然科学研 究基会赞助的与此相关的项目：南京工程兵学院与同济大学等合作进行软土的复合土钉 支护研究：同济大学、武汉大学( 原武汉水利电力大学) 、浙江大学也分别作过室内模拟 实验。 国外方面，法国在工程中应用土钉支护技术于1 9 7 2 年，法国著名的承包商 b o u y g u e s 睁惜1 当时将新奥法隧道施工的经验推广于边坡丌挖以保持边坡稳定，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，采用了喷混凝土面层并在土体中置入 钢筋作为临时支护。1 9 7 4 年，上述承包商又在法国l e s i n v a l i d e s 地铁车站工程中首次 采用不注浆的击入钉，所用土钉为外径4 9 m m 的钢管，间距为0 7 m 。1 9 7 8 年，在巴黎 b o u l e v a r dv i c t o r 的地下车库施工中又用了5 0 m m x 5 0 m m x 5 0 m m 角钢作为土钉击入土体， 这是将土钉技术第一次用于城区，并在邻近高层建筑和繁华街道地区开挖施工。 开发应用土钉支护仅次于法国的是德国n 7 。2 ，最早对土钉进行系统研究是在德国， 这一研究工作由西德承包商k a r l b u a e r 作为先导，并与k a r l s r u h e 大学的岩土力学研究 所联合，从1 9 7 5 年起开始一项为期四年的研究，耗资2 3 0 万美元，共进行了七个大型 足尺土钉墙试验与许多模型试验，另外在不同埋设条件下进行了上百个抗拔试验，另外 在不同埋设条件下进行了上百个抗拔实验。实验主要在砂土中进行，其研究的主要结论 有：1 ) 土钉支护工作性能与重力式挡土墙类似；2 ) 在一般砂、粘土中，土钉长度可为墙 高的0 5 - - 一0 8 倍；3 ) 钉距应小于1 5 m ；4 ) 面层压力可假定均布，大小约为库仑主动土 压力的0 4 0 7 倍。据1 9 9 2 年的调查，德国当时至少已建成5 0 0 个土钉墙，所用土钉 几乎全为注浆钉，采用二次注浆的也有不少，其中也有采用先击入而后注浆的方法，这 种不需要钻孔的特殊土钉带有扩大的端部。 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的交流以后才改称为土钉。美国对于土钉支护( 又 称横向土体支护系统：l a t e r a le a r t hs u p p o r ts y s t e m ) 亦进行了研究美国早期进行土 钉基础性研究工作主要在加州大学d a v i d 分校，进行了包括现场工程实测，土钉支护模 型的室内离心机试验和有限元分析等研究。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，并编制了许多技术文件，包括设计和 施工监理手册等。 6 太原理工大学硕十研究生学位论文 除上面提及的法、德及美国外，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、程序开发( 牛津大学，英国运输部等) 和离心机试验，实际土钉支护工程的内 力和变形实测，钉、土相互作用的大型抗剪试验等。但是实际的土钉支护工程在英国国 内用的并不多，而且主要是用于加固现有土坡和旧的挡土墙。在7 0 年代应用土钉的国 家还有西班牙、巴西、匈牙利、日本等，以后在印度、新加坡、南非、澳大利亚、新西 兰等均有应用和研究土钉支护的报道。日本的土钉支护用量较大，1 9 8 9 年的用量按土钉 长度估计约为l o 万米。国外有的著名跨国承包商还拥有土钉支护技术方面的一些专利。 与国外相比，迄今国内对土钉支护技术还缺乏深入系统的研究，施工技术和水平低下， 在材料、部件和施工机具上缺乏专用标准产品。尤其是质量控制和管理跟不上，设计计 算方法也较为粗糙，许多工程技术人员对这一技术还不了解，这种情况有待改善。 1 3 土钉支护的各种数值计算方法 关于土钉支护结构的数值计算方法啪屹4 刖鲫，国内外许多专家学者做了不少的应用研 究工作，取得了丰硕的研究成果。理论分析主要采取了有限元、边界元数值模拟的方法 和解析解，以及根据工程经验总结的工程经验方法。在工程设计方面，法国、德国、美 国等国家都已经有了较为完善的土钉支护设计规范，而我国只有一些行业性和地方性的 规范。因此，国内当前土钉支护设计施工方面存在着较为混乱的局面，出现过许多问题。 就计算方法本身而言，可概括为极限平衡分析方法、有限元分析方法和分项安全系数法。 ( 1 ) 极限平衡法 极限平衡法是土钉支护理论和设计计算中最早采用的方法，也是当前应用最广泛的 方法之一。该方法沿用土力学中极限平衡方法，在进行受力分析时，加入了土钉作用力， 起初仅考虑到土钉抗拉作用，后来改进考虑了土钉抗剪、抗弯作用。用极限平衡理论研 究土钉支护结构稳定性时，通常假定一个潜在的滑动面，对应于不同的滑动面形状产生 了基于平衡理论的不同设计方法，如楔形滑动面法和圆弧形j a n b u 法、b r i d l e 法n 明等。 世界上广为流行的尚有法国方法、德国方法、d a v i s 方法、修正的d a v i s 方法等，根据 不同的假定适用于不同的情况。极限平衡法因其简明性和适用性得到了广泛的应用，但 是它没有考虑到土的应力历史、材料的非线性、边坡内土体材料性状的变化和加载时的 应力条件等因素，它所确定的安全系数是固定的，不能反映滑动面上安全系数的变化。 极限平衡法主要包括两种：整体稳定性分析和局部稳定性分析方法。法国方法、德 国方法、d a v i s 方法、修正d a v i s 方法都是属于整体稳定性分析的极限平衡方法。其中 7 太原理r 犬学硕十研究生学位论文 法国方法是基于极限力矩平衡理论，其它三种方法基于极限力平衡分析。美国联邦公路 局建议对整体稳定分析采用修正d a v i s 方法，对于分层土建议采用法国方法。而在西欧， 法国方法和德国方法均得到了较广泛的应用。比较常用的还有基于局部稳定性分析的极 限平衡分析方法，局部稳定性分析多采用边坡稳定的概念，与一般土坡稳定的极限平衡 分析方法相同，只不过在破裂面需要计入土钉的作用。该法假设各层土钉平衡了它所对 应的被加固土条上的土压力。j u r a n 啪5 嗣将局部稳定分析方法做了改进，提出了工作应力 状态下的机动极限分析方法，该法考虑了设计参数、边坡超载、地下水位、土钉的倾角、 间距、刚度等因素的影响。毫无疑问，局部稳定性分析方法也具有很大的缺陷。它仅考 虑了水平方向的平衡条件，未考虑垂直方向的平衡条件。土体在失稳时必须沿着垂直方 向移动，因此土钉必须提供剪应力。当考虑垂直方向的平衡条件时，上述方法便从静定 问题变为超静定问题，要解决超静定问题必须引入变形条件，这对于该方法是难以实现 的。 ( 2 ) 有限元分析法 在土钉支护结构的分析计算中，有限元法不仅可以计算土钉的内力，模拟土钉的应 力应变关系和施工过程、而且可以考虑土体的非均匀性和各向异性的复杂性状。在现有 的土钉支护结构有限元分析中，一般采用复合式模型和分离式模型两种：在复合式模 型中，土钉加固区用一种复合模型处理，在单元分析时，分别求得土体、土钉及两者之 间的粘结性能对单元刚度矩阵的贡献，组成一个复合的单元刚度矩阵；在分离式模型 中，土钉和土体视为不同的材料，用不同的单元分别模拟。复合式模型只能考虑土钉支 护结构的整体破坏情况，而分离式模型，还可以分析钉土的相互作用和土钉支护结构的 内部破坏机制。在土钉支护结构中，土钉的三维作用表现为两个方面，即土钉的局部作 用和整体三维作用。局部三维作用指单根土钉对其周围土体的作用，整体三维作用则是 土钉作为群体所起的加固作用。二维有限元分析把土钉支护结构简化为平面应变问题， 土钉按刚度相等的原则等效为单位宽度的薄层，这样处理夸大了土钉与土体的粘结面， 加入接触面时又消除了土钉与土体之间的联结，且不能恰当地模拟土钉附近的应力传递 现象和无法研究土钉附近区域的应力应变状态和破坏机理，因此有必要采用三维有限元 研究土钉支护结构。b a n g n 5 1 7 1 等研究了土钉的设置角度、长度对土钉支护变形的影响。 计算结果表明：当土钉水平设置时，支护结构的水平位移最小：随着土钉倾角的增大，水 平位移增加，但土钉的倾角对沉降影响不大。土钉长度越长，支护结构的水平位移越小。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 秦四清汹1 等采用平面有限元对基坑开挖土钉支护进行了分析，比较了有支护和无支护两 种情况下土体的拉应力区、剪应力区、破坏区以及位移的分布规律，分析了开挖过程中 土钉的内力。张明聚瞳油删等在考虑土钉的局部三维作用、土钉和面层采用线弹性模型 和土体采用d u c a n 一- c h a n g 非线性本构关系的前提下，模拟了基坑丌挖和土钉支护的施 工过程，分析了丌挖引起的支护结构位移、土钉轴力、土中应力分布和变化规律。 ( 3 ) 分项安全系数法 像结构设计方法采用近似概率法向分项系数转变一样，在国外，已建议对土钉支护 设计采用分项安全系数方法。但是对土体强度指标和土钉支护边坡而言，很难以概率统 计为基础。用荷载系数、材料分项系数等来考虑其变异性并赋予一定的安全度，所以在 目前土钉支护设计中很难应用概率设计方法，只能凭经验给以一定大小的分项系数，这 种方法还有待继续研究和改进。 1 4 土钉支护设计存在的问题 由于大规模的试验研究较少，全面准确的试验或测试资料更为有限。因此，对土钉 支护工作机理的认识仍很不足。大家公认土钉支护具有良好的延性，但最近有较多突发 性失稳破坏的工程事故，这固然与设计、旖工等环节中的不良因素有关，但也反映了对 土钉支护工作机理认识的欠缺。 ( 1 ) 支护理论尚不完善。土钉支护是一个三维问题，而现有理论和方法都是将土钉 支护简化为平面问题来研究，并且忽视了土钉和土体之间的相互作用。这种假设使得土 钉的水平间距布置没有理论依据，因此目前对于土钉支护的理论和设计还没有一个较为 理想的方法。 ( 2 ) 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都假定土 钉为受拉工作，不考虑其抗弯刚度，而下部土钉的抗力可能由弯剪和挤压强度控制。因 此，应进一步考虑拉力、弯剪和挤压等多破坏准则确定土钉的极限抗力。 ( 3 ) 土钉的稳定分析方法有缺陷。目前用于土钉的稳定分析各种方法中，应用最为 广泛的方法是极限平衡法，该法的最大缺点是不能计算土钉墙的变形及各土条对于土钉 施加的拉力的大小。 1 5 本文主要研究内容、技术路线及创新点 本文主要研究土钉支护的设计计算方法，包括对土钉抗拔承载力、土钉支护局部稳 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 定验算以及整体稳定验算的方法。通过应用v i s u a lb a s i c2 0 0 5 程序设计开发平台， 开发出套适合于土钉支护设计计算的有可视化界面的程序；应用程序计算土钉抗拔承 载力，进行土钉支护稳定性验算。 分别总结了两个工程实例，并应用该程序对两个实例进行计算，得出两个工程实例 中土钉设计合理性、安全性、稳定性、可靠性，并给出设计上的一些节省用料和造价的 建议。 本文的创新点是应用v i s u a lb a s i c 中比较新的版本v i s u a lb a s i c2 0 0 5 进 行程序开发，用到其中一种能够储存多种元素类型的数组来解决动念变化数组问题。通 过计算表明，该方法稳定可靠，能有效的提高计算的精度和效率，分析了土钉支护中各 设计参数对土钉支护稳定性的影响，为土钉支护设计提供一些便利的方法，并为指导土 钉支护在实际工程中的设计应用提供了依据。 1 6 本章小结 本章重点介绍了土钉支护的概念，之后介绍了土钉支护的作用机理及其作为基坑支 护方法中一种的优点和缺点，及它在国内外的发展现状。从整体上介绍了土钉支护的数 值计算方法，包括可概括为极限平衡分析方法、有限元分析方法和分项安全系数法等。 目前土钉支护设计中存在的问题以及本文研究的主要内容、技术路线和创新点。 1 0 太原理+ j _ ：大学硕士研究生学位论文 第二章土钉支护结构设计计算 2 1 土钉支护结构设计的一般原则 土钉支护的设计h 6 7 ，8 伦川就是根据工程要求、现场土性、地面荷载以及环境制约等 诸方面的考虑，通过计算分析求出安全合理的支护结构( 主要是土钉) 的设计参数，并进 而绘制施工设计图和完成其它后续设计工作。可见结构参数的计算是整个设计工作的核 心与关键部分。由于影响土钉支护设计计算的因素繁多、土性各异、土钉作用机制复杂， 且国内外研究者的观点、针对性以及所借助的技术手段不同，因而方法众多，优劣各异， 还没有形成公认的成熟、统一的计算方法。从目前各方面资料显示，基本上有如下不同 的分类： 1 根据破裂面( 滑动面) 、潜在破裂面( 或称最小稳定面) 的几何形状分，有直线法、 折线法、圆弧法、抛物线法、对数螺旋法等。 2 根据锚固土体所持的力学模型分，有刚体力学法( 即认为土体破裂的状态可用两 个或多个刚性块的机动关系去描述) 、准刚体力学法( 仅将滑块和约束土体视为刚体，而 两者间的接触面上同时满足实际土体的莫尔一库仑准则) 和连续体力学法( 即把土体连 同土钉都视为具有不同本构关系的连续介质，而后从其受力变形的相互作用结果求出解 答) 。 3 从求解方式分，有图解法、图解解析法、解析与半解析法以及数值计算法( 如有 限元法) 等。 4 根据土钉墙整体的力学模式分，有锚固结构分析法( 即认为土钉并不改变土性， 而只是增加经由面板、受拉土钉和稳定土体所构成的结构体系，为滑动土体施加了维持 稳定的拉力) 、有粘结重力复合体分析法( 即认为土与土钉构成了粘结为一体的复合体， 面板起防止表面土被挤出的作用，它不是主要受力构件，主要受力构件为钉土复合体， 因此它是一种加筋土墙的分析设计法) 等。 从土钉支护设计的一般原则的分析中，我们可以看出土钉支护的稳定性分析是土钉 支护结构设计的一项极其重要的内容，它可以验证初步设计所选的各个参数的合理性、 可行性，也可以确定土钉支护结构的安全性与稳定性。因此，它是土钉支护结构设计的 最重要内容。下面分别介绍几种国内外常用应用较多的并有较为深入的理论与实验研究 太原理：【：大学硕十研究生学位论文 作为依据的土钉支护结构设计方法。 2 2 常用土钉支护的设计计算方法 2 2 1 直线滑动面法 该种方法认为土体沿与水平面成( 4 5 。+ ) 的夹角的乒破裂，破裂楔体与地面附 加荷载引起的土压力首先传递给面层，而后面层通过土钉在稳定土体中的摩阻力将破裂 楔体稳定住，如图2 - 1 所示。 = 人 、亡= | ) 弋、二、j 卜， 、 图2 - 1 直线滑动面法 f i 9 2 - 1 m e t h o do f s t r a i g h tl i n e ss l i pp l a n e 滑动面 2 2 2 双直线滑动面法一 此方法认为土体加入土钉后将会构成材料复合体，破裂块体的下滑力和水平推力的 相当大一部分由与土体粘结在一起的土钉承受，或者说是由一种等效粘聚力比原土体大 的新材料来承担。因此土钉墙内的破裂面应是曲线而非直线，如图2 - 2 所示，而面层只 起防止边塌落或挤出的作用，它通常不会像锚杆挡墙的面板那样起着主要受力部件的作 用。为了用简单的算法逼近这种极限平衡状态，双直线滑动面的设计方法也就应运而生。 2 2 3 双直线滑动面法二 该法由德国s t o c k e r 教授与g a s s l e r 3 等人提出。该法假定土钉支护破坏滑裂面为 双直线并通过坡脚，土钉所提供的拉力是滑移面以外部分的抗拉拔力，由土与土钉问界 面的摩擦力及土钉本身的抗拉强度决定。而保持平衡所需要的土钉拉力则由滑移土体的 1 2 太原理：i = 大学硕十研究生学位论文 平衡条件求出，如图2 3 所示。土钉仅考虑受拉作用。 土的剪切强度用莫尔库仑准则确定，并假定在破坏滑移面上达到极限状态。整 体安全系数定义为土钉所提供的拉力吼与保持极限平衡所需要的土钉拉力r 。之比，即： c = r r 。 ( 2 1 ) 要求c 在1 5 - - - 2 0 之间。5 1 楔a 的倾角吼= y r 4 + 0 2 且其竖边沿土钉加固区 与非加固区的分界线时，得到的安全系数最小，而巳则由最小安全系数原则试算决定。 一 , v ：a ：鱼三直、? = 黜 7 二 滑动面 图2 - 2 双直线滑动面法 f i 9 2 2m e t h o do f d o u b l es t r a i g h tl i n e ss l i pp l a n e 图2 - 3 德国双直线滑动面法 f i 9 2 - 3g e r m a nm e t h o do fd o u