（岩土工程专业论文）土钉支护变形影响因素数值模拟分析研究.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 随着高层建筑和地下空间的利用和发展，我国的基坑工程日益增多，传统土钉支护 方法得到了广泛应用，而复合土钉支护作为对传统土钉技术的继承和发展，是一种新型、 灵活多变、适用范围更广的岩土组合支护结构，它克服了传统土钉支护的许多局限性， 具有广阔的发展前景。但是目前国内外对传统土钉技术与复合土钉支护变形控制机理的 研究还不深入，目前设计主要以稳定性控制为主，没有比较成熟的理论方法计算土钉支 护结构的侧向变形。工程技术人员在进行设计时往往只是借助过去的经验和工程类比， 在基坑变形方面存在理论研究滞后于工程应用的现象。本文通过工程实例与数值模拟相 结合的方法，分析土钉支护变形的影响因素，模拟了复合土钉支护的基坑开挖与支护的 全过程，探讨了传统土钉支护与复合土钉支护基坑土体位移变化规律，并对复合土钉支 护与传统土钉支护进行了比较。主要完成了以下工作： 介绍了f l a c 3 d 的基本特点及计算原理，对f l a c 3 d 中的模型建立及结构单元的 选用进行了详细介绍，论述了其对支护结构性能模拟的可行性，并运用f l a c 3 d 软件 对一个实际工程建立数值模型，对比实测资料，通过对模拟所得到的数据分析，研究了 基坑水平位移随开挖而变化的情况。 将正交试验法引入基坑工程分析中，研究了1 1 种因素对传统土钉支护侧向变形的敏 感性。在此基础上，分别研究土钉布置方式、土钉倾角、土钉长度、及土钉间距对土钉 支护侧向变形的影响规律。 利用数值模拟对复合土钉支护工程实例进行研究，选择工程中常见的土钉与水泥土 搅拌桩、土钉与超前微型桩和土钉与预应力锚杆三种复合支护形式，对三种复合土钉支 护结构变形特点进行了较为系统的分析，并对复合土钉支护基坑边坡变形变化规律进行 探讨，比较了复合土钉支护与传统土钉支护在变形方面的异同。 关键词：土钉支护，复合土钉支护，数值模拟，正交试验，侧向变形 山东建筑大学硕士学位论文 n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i sr e s e a r c ho na f f e c t i o nf a c t o r so fs o i l n a i l i n gd e f o r m a t i o n a b s t r a c t w i t ht h eu t i l i z a t i o na n dd e v e l o p m e n to fh i g h - r i s eb u i l d i n g sa n du n d e r g r o u n ds p a c e , f o u n d a t i o np i tp r o j e c t si n p r a c t i c a la l ei n c r e a s i n g t r a d i t i o n a ls o i ln a i l i n gh a sa l r e a d yb e e n w i d e l ya p p l i e di nt h es u p p o r t i n gs y s t e m so ff o u n d a t i o np i t ，c o m p o s i t es o i ln a i l i n gi san e l ) v ； f l e x i b l e , w i d e l ya p p l i e dg e o t e c h n i c a li n t e g r a t e ds u p p o r t i n gs t r u c t u r e , w h i c hi n h e r i t s a n d d e v d o p st h et r a d i t i o n a l s o i ln a i l i n gt e c h n i q u e , t h i st e c h n i q u eo v e r c o m e sm u c hd e f e c to f t r a d i t i o n a ls o i ln a i l i n g , s oi th a sab r o a dd e v e l o p i n gp r o s p e c t s t h ec u r r e n td e s i g nb a s e sm a i n l y s t a b i l i t yc o n t r a c to ff o u n d a t i o np i t , a n dt h e r ei s1 1 0m a t u r et h e o r e t i c a lf o rc a l c u l a t i o no ft h e l a t e r a ld e f o r m a t i o no fs u p p o r ts t r u c t u r e t h ed e s i g nm a i n l yd e p e n d so nt h ee x p e r i e n c ea n d e n g i n e e r i n ga n a l o g y t h et h e o r i e so ft h ed e f o r m a t i o no ft h ef o u n d a t i o np i tl a g g e sb e h i n dt h e e n g i n e e r i n gp r a c t i c e t h ew h o l ep r o c e d u r eo ft h es t a g e de x c a v a t i o n a n dr e t a i n i n go n c o m p o s i t es o i ln a i l i n gi ss i m u l a t e db yu s e o fe n g i n e e r i n gc a s ea n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，a n d t h e nv a r i a b l el a w so fd i s p l a c e m e n to fs l i d es l o p ei sd i s c u s s e da n dc o m p a r i e dt r a d i t i o n a ls o i l n a i l i n gt oc o m p o s i t es o i ln a i l i n g i nt h ep a p e r c o n t e n t sa r e m a i n l ys h o w e da sf o l l o w s ： t h eb a s i cf e a t u r e sa n dt h ec o m p u t a b l ep r i n c i p l e s 、t h eb u i l d i n go ft h em o d e la n dt h e c h o i s eo ft h es t r u c t u r ee l e m e n to ft h ef l a c - 3 di si n t r o d u c e d ，m e a n w h i l et h ef e a s i b i l i t yo f s i m u l a t i o nt ot h ec h a r a c t e r i s t i co ft h er e t a i n i n gs t r u c t u r ee l e m e n t si sp r o v e d t h en u m e r i c a l m o d e lo fap r o j e c tw a sb u i l d e db yu s i n go ff l a c - 3 d b a s e do nt h ep r o j e c td a t aa n da c c o r d i n g t os i m u l a t e dd a t a t h el a t e r a ld i s p l a c e m e n ta n dm e i rv a r i e t yr e g u l a t i o nw i t ht h ee x c a v a t i o ni s a n a l y s e di nt h i sp a p e r t h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n tm e t h o di sa p p l i e di nt h ea n a l y s i so ff o u n d a t i o np i t , 11f a c t o r s t os o i ln a i l i n gs u p p o r t i n go fl a t e r a ld i s p l a c e m e n ti ss t u d i e d w i t hr e g a r dt ov a r i o u sp a r a m e t e r s o ft h es o i ln a i l i n gt h ei n f l u e n c et ot h el a t e r a ld e f o r m a t i o no ft h es o i ln a i l i n gw a ss t u d i e d ，w h i c h i n c l u d e st h ed i s p o s a l 、i n c l i n a t i o na n o e 、t h el e n g t ha n ds p a c i n go f t h es o i ln a i l i n g t h ee n g i n e e r i n gc a s eo fa d v a n c e dm i c r o p i l ea n ds o i ln a i l i n g 、p r e - s t r e s s e da n c h o ra n d s o i ln a i l i n g 、c e m e n tm i x i n gp i l ea n ds o i ln a i l i n ga l es u d i e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， h 山东建筑大学硕士学位论文 c h a r a c t e r i s t i c so fs u p p o r ts t u c t u r a ld i s p l a c e m e n ti sa n a l y s e ds y s t e m a t i c a l l yf o rt h r e et y p eo f c o m p o s i t es o i ln a i l i n ga n dt h e nv a r i a b l el a w so fd i s p l a c e m e n to fs l i d es l o p ei sd i e u s s e d ， t r a d i t i o n a ls o i ln a i l i n gi sc o m p a r e dw i t hc o m p o s i t es o i ln a i l i n ga b o u tl a t e r a ld e f o r m a t i o n k e yw o r d s ：s o i ln a i l i n g ，c o m p o s i t es o i ln a i l i n g ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，o r t h o g o n a l e x p e r i m e n t ，l a t e r a ld e f o r m a t i o n ! i i 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究 取得的成果除文中已经注明引用的内容外，e e l , t , 不含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得山东建筑大学或其他教育机构的学位证书而 使用过的材料对本文的研究作出重要贡献的个人扣集体，均已在文中以明确 方式标明本人承担本声明的法律责任 学位论文作者签名： 盗日期4 “一 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：山东建筑大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权山东建筑大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它手段保存、 汇编学位论文 保密论文在解密后遵守此声明。 学位论文作者签名： 导师 签名： 日期幽出 e l 期担丝：鱼 山东建筑大学硕士学位论文 第l 章绪论 1 1 前言 经济的高速发展带动城市发生日新月异的变化。城市用地日趋紧张，尤其在城市中 心的繁华地段，开发成本相对较高。为了合理利用城市地下空间，必然带带来了大规模 基坑工程的开挖与支护。由于建筑结构及使用上的要求，基坑开挖面积越来越大，深度 也由原来的5 m 左右发展到目前的近2 0 i i l 之深【l 】。 在城市密集的建筑群中建造的深基坑工程中往往场地狭窄，地质条件和周边环境条 件复杂，所以深基坑工程开挖除了保证基坑自身的稳定之外，还必须保证临近建筑设施 的安全，因此深基坑工程是一个高难度的岩土工程技术课题，其影响因素较多，与场地 条件、地层情况、现场监测及相邻建筑场地的施工相互影响等密切相关，因此事故隐患 多。深基坑工程一方面要研究土的强度、变形、稳定性问题，另一方面还要研究土与支 护结构的相互作用以及施工方法、施工过程对岩土体的影响和制约，变形反馈对结构设 计的控制等重要问题。可见，深基坑工程是一个需要精心勘察、设计、施工和监测的动 态控制的系统工程【3 1 。 目前，我国深基坑支护的方法较多，以结构受力特点来划分，可将基坑支护方法划 分为以下三类【2 】：被动受力支护结构、主动受力支护结构和组合支护结构。 被动受力支护结构是传统的支护方法，在设计和施工中积累了一定的经验，采用率 较高，其特点为支护结构依靠自身的结构刚度和强度被动地承受土压力，限制土体的变 形，从而保持边坡安全稳定。主动受力支护结构作为一种新型的支护技术，能克服传统 支护方法的缺陷，因此深受岩土工程界的青睐。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，从而达到支护的目的，其中土钉支护 技术已成为现今应用最为广泛的一种主动支护技术。组合支护结构将前两种支护方法同 时应用于同一个基坑工程中。即利用主动支护结构的原理对基坑周围的土体进行加固处 理，同时利用被动支护技术围护基坑周围土体的稳定，以达到控制变形的目的。这种支 护形式已经在许多工程中得到了成功的应用，表现出很大的优势和潜力。组合支护结构 不仅具有主动受力支护结构的优点，而且具有适用的土层范围广、开挖过程中边坡直立 稳定性高等优点。 1 2 土钉支护的应用与发展 1 2 1 土钉支护的概念3 】f 4 】 山东建筑大学硕士学位论文 土钉支护( s o i ln a i l i n g ) 是用于土体开挖和边坡稳定中的一种挡土支护技术。土钉 施工时，先以一定的倾角成孔，然后在孔中设置钢筋或钢管，沿孔全长灌注水泥砂浆或 纯水泥浆，可以使荷载传递到土体中，从而土钉以群体作用与周围土体形成一个组合体。 土钉有很高的抗拉强度，而且在某些情况下它还具有一定的抗弯刚度和抗剪强度，同时 由于注浆的作用使得土钉与土体形成的组合体自稳性很强，有效嘲黾高了土体的整体刚 度，弥补了土体抗拉及抗剪强度低的弱点。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，约束土体增加了其稳定性并且减小了基坑的 变形。 土钉支护遵从边支护边修建的原则，具体的施工步骤为： ( 1 ) 开挖有限深度，限制其不超过土体自稳的最大高度； ( 2 ) 在该深度作业面上设置一捧土钉，喷混凝土面层，使土钉筋体与面层牢固连接； ( 3 ) 按设计继续向下开挖有限深度，并重复上述步骤，直至所需的基坑深度。 土钉支护由土钉、面层及防水系统三部分组成。土钉的设置方法主要有钻孔注浆、 机械击入、机械击入并注浆和气动击入等。最常用的土钉是钻孔注浆钉，即先在土中成 孔、置入钢筋，然后沿全长注浆填孔，这样整个土钉体由钢筋和外裹的水泥砂浆( 或纯 水泥浆) 组成。注浆钉的注浆方式有许多种，最简单的是重力注浆。土钉也可用二次注 浆等各种增大界面粘结力的方法。另外，土钉也可用钢管、角钢等作为钉体，直接击入 土中。 临时性土钉支护的面层通常用8 0 , - - 1 5 0 m m 厚的网喷混凝土做成，一般用一层钢筋 网，厚度超过1 0 0 m m 时应分两次喷成。土钉端部与面层的连接可以采用螺母垫板方法 ( 图1 1 a ) ，也可以将土钉伸出孔口的一端折弯与钢筋网上附加的加强筋焊接( 图1 1 b ) ， 或者紧贴土钉钢筋侧面，沿纵向对称焊上短段钢筋，再将其与钢筋网上附加的加强筋焊 接( 图1 1 e ) 。永久性土钉支护面层厚度则一般取1 5 0 - - - 2 5 0 m m ，设两层钢筋网，分三次 喷成。一般在基坑或土体边坡顶部需设置混凝土护顶，护顶的宽度为1 , - , 2 m 。 2 山东建筑大学硕士学位论文 jl ! 。 r 入 - 八| j 亏 p - 。 - j j jjj ， ， ， z 钎i 。 ， i _ 1 - - - ，! 一。 ￥，| 。杉丝 o i 蕊面j 黻挥7 。 ： ， jjj i ( a )( b )( c ) 图1 1 土钉与面层的连接 为了避免土体处于饱和状态并且减轻作用于面层上的静水压力，土钉支护应采取必 要的排水措施。基坑开挖前要先做好地面排水，设置地面排水沟引走地表水，或设置不 透水的混凝土地面防止近处的地表水向下渗透面层设置一定数量的泄水管，在基坑底 部应设排水沟和集水井，排水沟需防渗漏，并宜离开面层一定距离；施工时应该及时抽 出坑中的积水。 1 2 2 土钉支护的优点 土钉支护应用广泛，可以作为基坑开挖、土坡开挖的临时支护，也可以作为永久性 挡土结构，与其他的支护结构相比，土钉支护具有许多独特的优点： 1 ) 材料用量和工程量少，旌工速度快。 2 ) 施工设备轻便，操作方法简单。 3 ) 对场地土层的适应性强。土钉支护适合于可塑、硬塑或坚硬的粘性土，胶结或弱 胶结( 包括毛细水粘结) 的粉土、砂土和角砾，填土，风化岩层等。 4 ) 结构轻巧、柔性大，有很好的延性，具有良好的抗地震及抗车辆振动的能力。土 钉支护即使破坏，一般也不至于发生彻底倒塌，而是在破坏前有一个变形发展过程。 5 ) 施工所需的场地较小，能紧贴已有建筑物进行基坑开挖。 6 ) 安全可靠。土钉作为群体起作用，因此即使个别土钉出现质量问题对整体稳定性 影响也不大，并且可以随时根据现场的土层情况和现场监测的土体变形数据修改支护设 计，避免出现较大的事故。 7 ) 工程造价低，经济效益好。 1 2 3 土钉支护的工作原理 土钉支护属于主动制约机制的支挡体系。土钉支护结构在承受荷载过程中不会发生 如素土边坡那样的突然坍塌，而是表现为持续、渐进的变形，其原因就在于土钉支护延 山东建筑大学硕士学位论文 迟了土体塑性变形的发展阶段，大大改善了复合土体的塑性变形和破坏形态。外部荷载 或者由土体自重产生的荷载在土钉内的传递，首先是通过土钉与土的相互摩擦作用，其 次是通过面层与土之间的相互作用。当面层受土压力作用产生向外移动的趋势时，土钉 和周围土体之间产生相对滑动的趋势，它们之间就产生了摩擦力的作用。土钉支护的支 挡作用就是利用潜在滑移面以外的土钉和稳定土体之间的摩擦力来平衡土钉体所受的向 外的拉力，依靠土钉体的抗拉作用来平衡土体有滑裂趋势时所受的滑动力作用。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，从而提高了土体的整体刚 度和结构整体性，土钉的工作性能是通过土钉体、面层与周围土体的相互作用实现的。 由于土钉与土体的刚度相差很大，当土体出现过大的塑性变形时，应力自然向强度和刚 度都远大于土体的土钉和混凝土面层集中，导致土钉支护结构的内力重分布，使土钉自 身作用逐渐增强，从而改善了复合土体的塑性变形和破坏性状。一般认为，土钉支护在 钉土复合体中的作用可以概括为以下几方面【s 】【6 】： 1 ) 骨架约束作用 土钉对土体起着箍束骨架作用，它取决于土钉本身的刚度和强度以及它在土体内的 分布方式，制约了土体变形，并使复合土体构成一个整体。 2 ) 分担荷载和土体自重的作用 一方面，土钉与土体共同承担外荷载和土体自重应力；另一方面，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，甚至钢筋屈服。加固土 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 ) 应力传递和扩散作用 土钉起着传递和扩散应力的作用，土体部分的应变水平与荷载相同条件下的素土边 坡相比明显降低，土钉通过应力传递作用，将滑裂面内的部分应力传递到稳定土体中， 并分散在较大范围的土体内，从而降低了应力集中程度，推迟了开裂域的形成和发展。 4 ) 面层变形的约束作用 混凝土面层与土钉连接在一起，一方面，它可以有效发挥土钉的作用，另一方面， 面层也起到对坡面变形的约束作用。随着土层的开挖和侧向变形的发生，土体与面层相 互作用下产生了土压力。坡面膨胀变形是开挖卸荷、土体侧向位移、塑性变形和开裂发 展的必然结果。面层作用限制了坡面膨胀，这能起到削弱塑性变形，加强边界约束的作 用，在开裂变形阶段尤为重要。面层提供的约束力取决于土钉表面与土的摩擦阻力，当 4 山东建筑大学硕士学位论文 复合土体开裂扩大成片时，摩阻力仅由开裂域后的稳定复合土体提供。 1 2 4 土钉支护技术在国内外的发展 对土钉支护技术的研究，国内外不少学者取得了一些研究成果。目前对土钉支护的 研究包括试验研究、理论与数值研究。下面就从这几个方面分别介绍土钉支护所取得的 成果。 ( 一) 试验研究 ( 1 ) 模型试验 1 ) 德国的大型试验【刀。试验共进行了7 个试验，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。试验用 土有四种土层，采用地面加载的方法使支护结构破坏，同时还做了支护体系受地面交通 荷载影响的试验。其主要研究成果有： 土钉支护与重力式挡墙在工作性能方面类似。 在无地下水、墙面直立和地表水平的条件下所需的土钉长度约为墙高的0 5 - , o 8 倍，土钉间距应小于1 s i n 。 面层压力可假定均布，大小约为库仑主动土压力的0 4 4 ) 7 倍。 2 ) 法国c e b t p 的大型试验【8 9 】。土钉墙模型试验中采用三个对比试验。l 号实验 时从顶部加水使土体逐渐饱和引起破坏。2 号试验研究超挖对支护稳定性的影响，增加 挖深造成破坏。3 号试验研究土钉粘结长度的影响，实验时缩小土钉的抗拔粘结长度造 成破坏。 这项研究的主要成果有： 土钉最大拉力发生在离开端部( 面层) 一定距离的地方，土钉端部拉力和钉中最 大拉力比值随着开挖深度而降低。 使用阶段中土钉主要受拉，随着土体发生变形，在土钉中首先发展的是拉力，直 到临近破坏时，土钉的抗弯刚度才起作用。 极限平衡方法能够估算出土钉抵抗破坏的能力，每步开挖的深度对施工过程中的 稳定性至关重要。 3 ) 煤炭部太原设计院的模型试验【l o i 。模型土坡高1 s m ，边坡土体由粉质粘土构成， 采用加载方式使支护结构破坏。用土钉支护边坡在超载作用下的承载力相对于素土边坡 承载力的提高来说明土钉对土体强度的提高作用。 4 ) 武汉水利电力大学的模型试验【l l 】。模型长高宽相应为8 0 c m x 9 0 c m x 3 0 c m ，填料 山东建筑大学硕士学位论文 为砂土，试验时模拟实际开挖和支护的施工过程。模拟施工过程之后，在顶面分级加荷 直至破坏，模拟了土钉长度、倾角、间距和砂土的密实度等参数对土钉支护试验的影响。 5 ) 同济大学的模型试验【1 2 1 。试验用土钉为击入钉，按实际土钉施工顺序进行。各 组试验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进行定性分析， 比较不同土钉布置方式对稳定性的影响，研究在软土地基上土钉的受力机理，检验处于 软土层的土钉支护体系承受超载的能力。 6 ) 浙江大学的离心模型试验【1 3 l 。试验采用重塑土做了4 组试验。通过离心模型试 验，研究了土钉的作用机理、土钉内力分布规律和土钉加固边坡的变形情况。 ( 2 ) 现场测试 ( 1 ) 美国加州大学的现场试验【。试验研究基坑土钉支护工作性能而进行的现场足 尺模型试验，基坑垂直开挖9 2 m ，沿深度设置5 排土钉，场区底层主要为砂质粉土和粉 质粘土。试验中量测出土钉拉力和地面以及地层内的水平位移。试验得到如下结论：土 钉在使用阶段主要是受拉，直到临近破坏时，土钉的抗弯刚度才起作用；士钉中的拉力 随其长度变化，最大拉力位置不在端部。 ( 2 ) 美国西雅图一处工程测试【1 5 1 。该实验量测了紧贴面层处土层内的水平位移， 并跟踪观测了钢筋应变的变化。 ( 3 ) 美国华盛顿大学深基坑实测【1 6 1 。场区土主要为黄土，挖深7 5 1 2 m ，钉长8 1 m ， 间距1 5 m 。量测了土体内的水平位移，还做了土钉的抗拔试验。 ( 4 ) 德国s t 嘣g a n 土钉挡墙观测1 7 1 。墙高1 3 3 m ，每步挖深l m 。量测了土体内水平 位移、面层土压力以及土钉拉力的分布。施工结束后还进行了长达l o 年的跟踪观测，得 到了内力和变形随时间的变化。 ( 6 ) 山东建筑大学的现场测试【1 8 】。济南济亨商业中心基坑，深1 2 9 8 m ，测试了1 根试验钉的拉力沿其延长的变化，得到土钉应力呈两头小中间大的枣核形分布，土钉的 外端点应力为0 ，近入土体应力增大然后又逐渐减小，最大值偏向开挖临空面的方向。 ( 6 ) 清华大学的现场测试【1 9 1 2 0 l 。广东珠江新城商住楼群深基坑，共测试了3 个土 钉支护断面，包括4 个测斜孔、2 个水位孔、4 6 个土钉拉力测点( 1 1 根测试土钉) 和1 4 个面层压力测点。 另外，河海大学的陈树铭【2 1 l 2 2 提出了用面力来模拟卸载，在土钉界面上加反向剪力 的方法来模拟土钉的作用，在仿真模拟基坑和加钉作用的同时，利用各个开挖阶段的实 测值，使用荷载转移法进行动态修正。西安建筑科技大学的王士川和王安军通过现场工 6 山东建筑大学硕士学位论文 程实测，研究分析拉力和剪力在土钉支护结构中所发挥的不同效能，并指出了剪力效能 与土钉倾角之间的关系【2 3 1 。 ( 二) 理论和数值研究 ( 1 ) 稳定性计算研究 目前土钉支护设计主要包括整体稳定性分析和局部稳定性分析。国外应用较为广泛 的整体稳定性分析方法主要有美国加州大学的d a v i s 分析方法f 1 4 j 、德国的s t o c k e r 分析方 法【翔、法国的s c h l o s s e r 分析法【矧等。 国内主要有：冶金工业部建筑研究总院程良奎、杨志银脚j 提出的方法，假定滑移面 为圆弧形，土钉力简化为土钉与滑移面交点处的拉力，通过力矩平衡求解最危险滑移面。 太原煤矿设计院王步云f 2 5 】等提出的工程简化方法，滑移面假定为双折线，由原位试验确 定，并根据土钉墙面层的土压力分布给出土钉的拉力。清华大学张明聚、宋二祥、陈肇 元f 2 6 】提出的与瑞典条分法( 或修正条分法) 类似的计算方法，钉土问的作用仅考虑土钉 的抗拉作用，其抗拉能力由其拔出、拉断强度条件决定。王安宝、史维汾、王国俊【2 7 】提 出的条分法，假定滑移面为圆弧形，只考虑土钉的抗拉作用，以稳定性安全系数最小时 的滑移面作为临界滑面来进行稳定分析。罗晓辉等【2 8 】提出的可靠性分析方法，结合可靠 性理论，采用提出的扰动力概念建立考虑土条间作用力影响的极限状态方程，分析影响 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间的相互关系。 在设计土钉支护时，除满足整体稳定性要求外，还需要检验各层土钉的局部稳定性。 局部稳定性分析的机动法【2 9 1 可以计算使用阶段每根土钉的内力。机动法通过滑动面处土 钉没有弯矩作用而拉力和剪力达到最大等诸多假定，分析每步开挖时各层土钉的拉力、 剪力和在滑动面内的长度，进一步设计各层土钉的长度，校核土钉的强度。 以上极限平衡分析方法是根据特定的试验场地和试验条件提出的，同时为简化计算 而进行了假定，有一定的使用范围和局限性。同时，这些方法不能提供任何有关变形的 信息，支护结构过大的变形将严重地影响周围环境和邻近建筑物、地下管线及地面道路 的安全，因此有必要对基坑变形进行计算和预测，从而能够提前采取必要的加固措施。 ( 2 ) 土钉支护变形的研究 目前基坑的变形分析主要采用数值模拟方法，主要包括有限单元法和有限差分法等。 土钉支护的内力、变形都与土钉的施工过程密切相关，运用数值模拟可以确定各个施工 阶段土钉体的内力及基坑变形的变化情况，即可以考虑施工过程的影响。数值模拟方法 已经成为用来分析不同参数变化时土工结构性能变化规律的较为有效的一种方法。国内 7 山东建筑大学硕士学位论文 外的许多学者在这方面进行了大量的研究，在土钉支护的计算模型、本构关系、施工模 拟上做了许多不同的尝试。 t a b r i a l e 3 0 】率先采用有限元模型通过研究土钉支护结构，分析开挖深度、土钉长度等 因素对水平位移、土钉内力的影响，得出开挖后土体应力的分布。 s m i t h t 3 1 】等分析了土钉支护结构的性状，考虑土钉与土的相互作用，研究土钉支护结 构的整体破坏和局部破坏模式。在计算模型中，沿基坑边壁的计算长度取为土钉的水平 间距，土体的应力应变关系服从摩尔一库仑屈服准则，并用限制拉伸强度的方法进行修 正，土钉和土体均采用1 4 结点空间等参单元，两者之间不设接触面。分析了土钉的轴力、 剪力和弯矩的分布，研究了超载不同时结构的形态变化。 秦四清【3 2 】等采用平面有限元对土钉支护进行了分析，比较了基坑在有支护和无支护 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 中土钉的内力变化情况。得出土钉的作用在于分担了土体部分应力，并通过钉土相互作 用将应力扩散传递到周围土体中，减小了土体应力集中程度，充分调动了周围更大范围 内土体的承载能力。根据计算结果，开挖面处的水平位移曲线呈现“锯齿状。 张明聚等【3 3 】模拟了基坑开挖和土钉支护的施工过程，分析了开挖引起的支护结构位 移、土钉轴力、土中应力的分布和变化规律。在计算模型中土体采用d u c a n c h a n g 非线 性本构关系，土钉和面层采用线弹性模型，土钉用3 结点空间杆单元模拟。通过在土钉 与土体之间的结点插入双弹簧联结单元来考虑土钉与土体之间的粘结作用，并参照 l a d e - d u c a n 破坏准则给出了一种判断是加荷或卸荷( 再加荷) 的标准。 f l a c 程序【蚓在土钉研究方面应用也十分广泛，大量的研究表明其在数值模拟方面 具有很大的优势。 张钦喜等【3 5 】通过f l a c 程序建立了1 6 个土钉墙的数值模型，借助交叉试验的方法， 分别研究了土钉和面层连接、土钉倾角、土钉长度布设、土钉间距四种因素对两种坡度 基坑变形的影响。结果表明对不同坡度的基坑，它们的影响大小不同，并且存在明显的 交互作用。随着基坑放坡角度的增大，土钉倾角、土钉问距的交互作用变小，成为次要 因素，而土钉倾角、土钉长度布设的交互作用变大，成为主要因素。基于以上分析结果， 提出了有效控制土钉支护变形应该考虑的因素和设计方案。 万林海【3 6 】用f l a c 3 d 程序对基坑土钉支护进行数值模拟，对分步开挖支护时的不 平衡力、土钉力、土体塑性区、竖向及水平位移进行了研究，初步探讨了土钉支护参数 对土钉轴力、基坑土体变形的影响，得到了一些有参考价值的分析结果。 8 山东建筑大学硕士学位论文 乔俊字f 3 7 】基于f l a c 3 d 对深基坑土钉支护做了数值模拟，对不同的土钉长度、倾 角支护方案进行了对比选择。对所选支护方案的计算结果进行分析，初步说明了土钉长 度和倾角对基坑支护效果的影响。选定合理的设计方案与传统计算设计结果相吻合，充 分论证了建模的合理性。 李俊才【3 8 】采用f l a c 3 d 软件，结合工程实例进行了三维模拟，分析了支护结构的 空间受力特性和变形、周围土体的位移、沉降及其相关关系。 在土钉支护的变形实用计算方面，目前的研究还不充分，有的学者进行了探索性的 研究。魏焕卫等【3 9 】在大量的土钉支护现场实测、模型试验、拉拔试验等资料的基础上， 假定土钉轴力沿土钉轴线呈双抛物线分布、土钉剪应力啦移关系满足理想弹塑性模型 以及土钉面层不受力，推导了钉土相对位移、土钉坡面侧向变形和被动区土体沿土钉轴 线任意点土体位移的实用计算公式，给出了多根土钉及分步开挖后土钉坡面侧向位移增 量的计算方法。杨光华瞄1 提出了计算土钉支护位移的简化方法，按半无限弹性体位移的 解析式计算各组合荷载引起的边坡水平位移进行迭加来计算，然而没有考虑塑性变形及 土钉的约束作用。尹骥等【柏】根据土钉支护位移产生的原理提出了一种计算土钉支护位移 的方法。为表述土钉支护“增量应力释放”引起“增量位移”的变形原理，文中假定了一种 “虚拟力。该力作用在土钉面层上，引起了土钉支护的变形。假定土钉支护的增量位移 由三部分组成，即“虚拟力 引起的开挖面的变形、当前开挖面变形对上层开挖面和下 层开挖面的位移。通过简单的理论推导，得出了计算土钉支护位移的公式。对成层软土 中的土钉支护位移进行了计算，计算结果和工程实际比较吻合。郭院成等【4 l 】对实际工程 中土钉支护或复合土钉支护基坑开挖的某一工况，分别建立了正常工作状态下主动区土 钉段的受力变形计算模式和稳定区土钉锚固段的受力变形计算模式，为土钉支护以及复 合土钉支护体系的受力变形计算提供了依据，从而为实现计算土钉支护或复合土钉支护 的变形创造了条件。 综上所述，目前对土钉支护变形的计算仍以数值模拟为主，变形模拟的结果与计算 模型及参数的选取有很大关系，它们将决定模拟的结果是否可行，可见这将是数值模拟 应用于土钉支护分析的关键所在。对土钉支护理论研究还很不成熟，尤其是变形方面的 研究远远落后于实践。目前国内外对土钉支护的研究已经取得了一些有价值的结论，然 而另一方面，土钉支护的变形方面依然存在一些有待解决的问题： ( 1 ) 基坑周围存在建筑物和市政设施时，要严格要求基坑开挖和基坑变形。现有的 规程只是涉及到了土钉支护稳定性的计算，对变形则没有提出可供工程使用的理论公式。 9 山东建筑大学硕士学位论文 ( 2 ) 影响土钉支护变形的因素很多，例如土层性状、地下水位、地面荷载、支护结 构参数等。这些因素有的是确定的，但大部分具有随机性、模糊性、可变性等不确定特 点。分析时若考虑过多的因素，将会使推导极为复杂，无法得到有意义的结果，这就需 要作出适当的简化，研究主要因素对土钉支护变形的敏感性。 1 3 复合土钉支护技术的形成与发展 1 3 1 土钉支护技术的局限性 ( 一) 土钉支护通常仅适用于地下水位较低的、自立性较好的地层。基坑土钉支护 设计技术规程( c e s s ：9 7 ) 第1 ：0 2 条规定，土钉支护适用于下列土体：有一定胶结能力 和密实程度的砂土、粉土和砾石土、素填土、坚硬或硬塑的粘性土，以及风化岩层等 在有松散砂土、软土，地下水位较高，地下水补给充裕的场地，不能单独采用土钉支护 ( 二) 土钉支护的施工是先开挖后支护，未支护的开挖边坡由于卸荷作用所引起的应 力释放，会在土钉和面层施工期间产生一定的位移，而且土钉施工完后需要土坡产生微 小的变形使才其加筋力发挥作用，导致边坡的整体位移较大。 ( 三) 由于土钉支护属于原位柔性支护结构，土体是作为支护结构的一部分，基坑降 排水所引起的土体固结变形，以及土体本身的蠕变，均会造成整个支护结构的变形较大。 而目前我国，基坑工程大多集中在经济建设最活跃得东部沿海【4 2 l 。该地区的多数城市， 如上海等属软弱地质条件，土体的强度值偏低，当深基坑工程位于城市中心时，周边建 筑物密集，环境复杂，支护边坡的变形对周边的影响很大。因而，土钉支护技术在该地 区的应用受到很大的挑战。至今已经发生过很多起土钉支护边坡的崩塌事故，土钉支护 边坡的变形、开裂和下陷等现象更是时有发生，由此对周边道路、建筑物、地下管线的 影响所引起的投诉和纠纷，已经严重影响到该技术的进一步推广和应用。 1 3 2 复合土钉支护技术的产生 以上的缺点从多个方面妨碍了土钉墙的应用与发展。而在我国，经济发展最快，建 设最广泛的地区都是在东南沿海，城市中淤泥、淤泥质土、饱和粉质粘土与饱和粉土等 这样软弱土层中采用土钉墙存在很大的困难。以下几个问题是急待解决的 4 3 1 ： 土钉与地层粘结力偏低，土钉抗拔力也相应的较低。要使土钉提供足够的抗拔力， 必然要增加土钉的长度。土钉的使用本来就受到施工场地的限制，仅仅是增加土钉的长 度，从经济等方面考虑显然是不可行的。 在软塑砂性土夹淤泥质土层中，基坑开挖后往往难以自立。土钉墙支护的施工一 般是分层开挖，软弱土层土体的抗剪强度指标一般较低。这样，由于土体强度低，在支 1 0 山东建筑大学硕士学位论文 护后不能自立，引起过大的边坡沉降与位移，对周围建筑物造成威胁。 软弱土层与喷射混凝土粘结强度低，或由于渗水难以施工。 在软弱土层中，基坑开挖存在底部隆起、管涌、渗流等问题。由于地下水位较高， 基坑开挖和土钉施作时施工环境不好，如果存在粉砂层，更有产生流沙的危险。 经过几年的研究和试验，同济大学等单砬研究了复合型土钉墙即以水泥土搅拌桩形 成止水帷幕和超前支护微型桩，然后再进行喷锚一网支护。复合型土钉墙的诞生，给高 水位、软地层中的基坑支护提供了一种全新支护概念。继上海施作第一个复合型土钉墙 支护基坑后，至今十多年的时间里，其成为了软土地区主要支护手段，复合土钉支护技 术是在土钉支护结构中复合了其它土体加固技术的岩土综合支护技术，这种综合支护技 术不但保持了传统土钉支护的优点，而且支护位移小，适用范围广，给土钉支护在城市 地区深基坑支护中的应用以新的生命力。 1 3 3 复合土钉支护形式 目前，复合土钉支护有三种基本形式嗍：土钉与水泥土搅拌桩( 止水帷幕) ，、土钉与 微微桩，土钉与预应力锚杆( 索) 。在此基础上，又发展演变了以下几种：土钉+ 止水帷 幕+ 预应力锚杆( 索) ，土钉+ 微桩+ 预应力锚杆( 索) ，土钉+ 微桩+ 止水帷幕，土钉+ 止水 帷幕+ 微桩+ 预应力锚杆( 索) ，可施加预应力的土钉+ 超前微桩，可施加预应力的土钉+ 止水帷幕，可施加预应力的土钉+ 止水帷幕+ 超前微桩等。 ( 一) 土钉与水泥土搅拌桩复合支护 当对基坑有防渗要求时( 以防止因基坑外地下水位下降过大而引起地面沉降过大) ， 可以采用土钉与水泥土搅拌桩复合支护形式( 图1 2 ) 。该支护形式通常在基坑内降水。 止水帷幕一般采用水泥土搅拌桩。采用该支护形式时，水泥土搅拌桩作为临时挡墙和隔 水帷幕，并且由于立即进行基坑支护，在支护完成后，坡面基本是直立平整且干燥无水。 支护特点是：因水泥土搅拌桩连续墙的止水作用，封闭了基坑四周的地下水，避免 基坑开挖后坑外的渗水，同时搅拌桩对饱和软弱地层进行固化，在支护的工作面形成一 道“屏障，能克服软土强度低不能直立、喷射混凝上面层难以形成等困难，保证支护工 作面不出现流砂或淤泥流动等地层水土流失现象的发生。 ( 二) 土钉与微型桩复合支护 土钉与微型桩结合的方式( 图1 3 ) 适用于土质松散、自立性较差、对基坑没有防渗 止水要求或地下水位较低，无需进行防渗处理的地层情况，对增强土体自立性、增加边 坡稳定性以及防止坑底涌土十分有利。 山东建筑大学硕士学位论文 支护特点：微型桩桩径小，施工较方便，可以与土方开挖同时进行，与搅拌桩相比， 。不必专业设备，可以在微型桩内高压注入纯水泥浆；由于超前微型桩以一定间距问隔， 不能止水防渗。 喧射曩鼍土面量 t 射曩曩土面 图1 2 土钉与水泥土搅拌桩复合支护 图1 3 土钉与微型桩复合支护 ( 三) 土钉与预应力锚杆( 索) 复合支护 对于基坑周围变形要求比较严格的情况，单独使用土钉支护往往造成基坑边坡侧向 位移过大，影响周围建筑物的正常使用。采用土钉与锚杆组合式支护技术是复合土钉支 护常用而有效的形式，可以较好地解决此类基坑的支护问题，大大提高基坑边坡的稳定 性，有效地控制基坑变形。但是这种组合方式要求面层和自由段的土体应有足够的局部 抗压强度，使锚杆得到设计的预应力。因此在软土、砂土等不良地质土层中，局部抗压 强度不能满足要求，使预应力达不到设计值，这样就限制了预应力锚杆的使用。常见土 钉与预应力锚杆复合形式如图1 4 所示。预应力锚杆( 索) 主要特点是通过施加预应力 来约束边壁的变形位移，是复合土钉支护常用而有效的形式。特别是在基坑比较深、周 围环境比较复杂，对基坑变形又有严格要求时，这种联合支护形式更显示出它的优点。 噜射穰面蜃喷射4 e 麓面晨 图1 4 土钉与预应力锚杆( 索) 复合支护。图1 5 土钉+ 止水帷幕+ 预应力锚杆( 索) 复合支护 1 2 山东建筑大学硕士学位论文 此外，在此基础上工程上常常采用多种辅助结构进行联合支护： a 土钉十止水帷幕+ 预应力锚杆复合支护：当环境条件不允许降水时，基坑围护需设 置止水帷幕，止水后围护结构的变形一般比较大。在基坑较深、变形要求严格的情况下， 需要设置预应力锚杆限制基坑变形，这样就形成了土钉+ 止水帷幕+ 预应力锚杆复合支护 体系( 图1 5 ) ，一是较为广泛的一种复合土钉支护形式。在设计中，根据基坑深度、地质条 件和环境条件，计算选择这种复合土钉支护的各种参数，一般情况下设置1