（采矿工程专业论文）复合土钉支护在深基坑中的稳定性研究.pdf

摘要 论文主要对复合钌支护稳定瞧及应舞l 壤弦进行籀关骚究。基于复合土钶支 护技术鞠内外应翊和研究情况，介绍了复合土钉支护技术的国内外应用和研究现 状、发展动态。本文在前人研究的蒸础上，建立了非线性有限元计算模型，通过 非线性毒限元摸耋 l 诗算缝聚，结合戴汉避区实际工程裳测瓷料，分辑总终了复舍 土钉墙受力变形特征及承载机理。主要进彳予了以下研究工作： ( 1 ) 概括复合土钉墙的组成、构造形式，同时对其主要构造形式的工程特性 殴醍复合土钉墙蛉燕工方法秘工艺特点进行了势辑。 ( 2 ) 将正交试验法；| 入基坑工稷分祈，研究了l i 种因素对搅拌桩一土钉复台 支护稳定状态的敏感性，得到了各闳素对支护结构稳定性的影响规律。这1 1 个 盈素分别先：钌长度、基境深度、钉界蕊痒攘力、钉下倾角、土钉水平闻 距、钉排数、土体重度、内摩擦角、秸聚力、坡瑛超载、搅拌桩插入深度。 ( 3 ) 针对复合土钉墙的构造特点，建立非线性有限元计算模挺：其中包括对土 体、薅鼷及搅拌搂超前支护、土钌、接触联单元的模接。 ( 4 ) 依据工程实测资辩，分剩对地层条释耱差较失的区域采用菲线饿有限元 法进行数值模拟分析，研究复合土钉墙在施正过程中的变形特征、内力糍化、破 坏区的发展规律，总结其承载机理。发现地艨条件对复合士钉蟥的受力燮形及承 载瓿毽影响较大；在建菇软弱静逮涎复台土钉墙铡商位移上、下部较小，中下部 较大，星“凸肚状”：墙后她面沉降缀的最大点在荷载中部，在外观上呈现出“沉 降槽”。在地层较好的区域复合土钉墙侧向能移在上部太，下部小，呈绕趾向外 转动静“蔫镁获”：墙嚣最夫沉降爨静点在搅拌柱顶，向嚣依次递虢，黧“斜玻 状”。 ( 5 ) 根据实测资料和簿眼元分析计算结果，本文系统的总续了复合钉墙在 不同穗震条译下熬受力变形特捱帮承载梳璎，为今菇该支护技沭瓣推广鞘发震鬟 供理论依据。根据分析计算结果，结合现场正程施工经验，对簸合土钉墙支护体 系设计和旌工提出了几点建议。 关键词：复合土钉墙变形特征承载机理敏感性正交试验数值分析 a b s t r a c t i nt h i sp a p e lt h ea p p l i c a f t o i l sa n dt h es t a b i l i 咿a n a l y s i so fc o m p o u n ds o l l n a i l i n gw e r es t u d i e d b a s e do nt h ef a c to ft h ea p p l i c a t i o n sa n dt h er e s e a r c h e so n c o m p o u n ds o i ln a i l i n gi nl a n da n do v e r s e a s i tw e r ei n t r o d u c e d 也a tt h ea p p l i c a t i o n s a n dt h er e s e a r c h e so nc o m p o u n ds o l ln a i l i n gi nl a n da n do v e r s e a sn o w a d a y s b a s e do n t h ef o r n l e r s r e s u l t s 、t h i sp a p e rh a se s t a b l i s h e dd o n 1 i n e a rf e wc a l c u l a t i o nm o d e s a c c o r d i n g 毛。f i l e 妇so f n o n - l i n e a rf e w a n dt h ed a t ao f f i e l d nw u h a n , l i f t sp a p e r s u m m a r i z e dt h eb e a r i n ga n dd e f o r m a t i o nm e c h a n i co ft h ec o m p o s i t es o i l n a i l e dw a l l + t h em a i nr e s e a r c h e sa r ea sf o l l o w s ： l 。r e v i e wt h ec o m p o s 娃i o na n dt h ec o n s t r u c t i o n s 粕锄v 鐾ei t s e n g i n e e r i n g c l m r a c t e r i s t i t so ft h em a i no ff o l l nc o n s t r u c t i o n + i t sm e t h o da n dt e c h n i q u e s c h a r a c t e r i s t i c 。 2 。弱o r t h o 黔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 n d i t c h ，s t u d i e dl lf a c - t o r st ot h em i x i n gp i l e - s o i l s o i ln a i l i n gs u p p o r t i n go ft h e s e n s i b i l i t yo f s t a b l es t a t e s , g o ta i lo f t h ef a c t o r so nt h ei n f l u e n c er u l eo f t h es t a b i l i t yo f s u p t 。r t i n gs t r u c t u r e + t h e s e1 1f a c t o r s , w h i c hr 獬t i v e l ya r ei n c l u d i n g ：l e n g t ho f s o i l n a i l i n g ，i n s e r td e e p n e s so fp i l e s ，f r i o r i o nf o r c eo fs o i ln a i h n gi n t e r f a c e ，d e c l i n a t i o n a z g l eo fs o i ln a i l i n g , h o r i z o n t a ls p a c i n go fs o i ln a i 赫赫r o w so fs o i ln a i l i n g , u n i t w e i g h to fs o f t , f r i c t i o na n g l e ，u n i tc o h e s i o n , o v e r l o a do fs l o p e # d i a m e t e ro fs o i l n a i l i n g 3 a i m e d 越t h e 洲s t i e o f t h e c o n s t r u c t i n g c o m p o s i t e s o i l - n a i l e d w a l t ，t h e p a p e rh a se s t a b l i s h e dn o n - l i n e f e mc a l c u l a t i o nm o d e , i n c l u d i n gs i m u l a t i o no f s o i l ， n 西x i n 疵p i l e - s o i l ，s o i l - n a i l e d , g o o d m a ni n t e r f a c ee l e m e n t 4 a c c o r d i n gt ot h ed a t ao ft h ef i e l dm e a s u r e m e n t s , t h i sp a p e rh a su s e d n o n - l i n e a rf e ms e p a r a t e l yi nd i f f e r e n tg e o l o g yc o n d i t i o n s , a n a l y z e dd e f o r m a t i o n c l m r a c t e r i s t i c s ，i n t e r n a lf u m ea n de x t e n s i o na r e a sd e s t r o y e dr e g u l a t i o no ft h e c o m p o s i t es o i l - n a i l e dw a l ld u r i n gt h ep r o g r e s so f t h ec o n s t r u c t i o na n ds u m m a r i z e dt h e b e a r i n ga n dd e f o r m a t i o nm e c h a n i co ft h ec o m p o s i t es o i l - n a i l e dw a l l g e o l o g y c o n d i t i o n sh a v ed e c i d e dt h eb e a r i n ga n dd e f o l m a t i o nm e c h a n i co ft h ec o m p o s i t e s o i l - n a i t e dw a l l 。i nt h el o o s e - s o f ts o i la n dt h ea r e af l d lo fu n d e r g r o u n dw a t e r , t h e m a x i m u mh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n ti sl o c a t e di nm i d d l eo f t h ew a l l ，a n dt h em a x i m u m v e r t i c a ld i s p l a c e m e n ti sl o c a t e di 丑t h em i d d l eo f t h eu p s i d el o a d i nt h em o r es t r e n g t h s o i l ，d i em a x i m u mh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n ti s1 0 c a t e di nt h et o po ft h ew a l l ，a n dt h e m a x i m u mv e r t i c a ld i s p l a c e m e n ti sl o c a t e di nt h ee d g eo fd e e pe x c a v a t i o np i t s , s oj t 1 0 0 k e da s + d e c l i n es l o p e ” 5b a s e do nt h ed a t ao ft h ef i e l dm e a s t l r e m e n t sa n dt h ec a l c u l a t i o n 。sr e s u l t s 也i s p a p e rh a ss u m m a r i z e dt h eb e a r i n gm u dd e f o r m a t i o nm e c h a n i co ft h ec o m p o s i t e s o i l - n a i l e dw a l li nt h ed i f f e r e n tg e o l o g yc o n d i t i o n s a n d 谂i sn s e f u lr e s e a r c hr e s u l t s h a v ep r o v i d e dt h et h e o r e t i cf o u n d a t i o nf o rt h i st e c h n o l o g y a c c o r d i n gt ot h e c a l c u l a f i o n sr e s u l t sa n dt h ew o r k i n gs k i l l so ft h e 五e l d ，t h i sp a p e rh a s 叠i v e i ls o m e b e n e f i c i 建a d v i c e s o n t h e c o m p o s i t es o i l - n a i l e d w a l r s d e s i g n a n d w o r k k e y w o r d ：c o m p o u n d s o i ln a i l i n gw a l l ，d e f o m l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c ，a r i n gm e c h a n i c , s e n s i b i l i t y , o r t h o g o n a le x p e r i m e m 。 l l 盛巧匿若属实请串请人秘导师签名。 独创性声明 本人孝鞠，新璺燮瓣论文怒我个入在导繇搭导下进行的研嵬工 终及取褥戆磷窕袋聚。据魏掰超，滁了文孛特瓣燕戮豁注帮致游 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰霉过的研究成果， 氇不镪含为获褥武汉毽工大学戚箕寓教育机构的学位璃证书磷使 露进鹣耪辩。每我瓣工佟的阍恚对零研究所徽豹轻何贡献玛已 在沧文中住了明确的说暖并袈示了谢懑。 凝突生签名：塑 荚予论文使用授权的说明 窭期l 篓：篁：强 零入完全了解武汉理工大学蠢美像窝、使攫学霞谂文豹规宠， 舔：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被凌阐和储阅： 学校可以公枣论文瓣全部内容，哥 ；巢用影印、缩窜或其稳复利 手羧缳存谂文。 ( 保密的论文在瓣密詹成遵守此规定) 研究生签名：一邃鱼导师签名：f 蔓1 i 塑! 同蝴圭竺! ：竺丛 注：请将就声鞠装订瓷论文的穗录前。 斌汉理工大学硕士学位论文 1 1 前言 第一章绪论 随着城市建设的高速靛展，高层、超高层建筑项翻臼益增多，建筑规模不断 扩大。避入年代啦来，经滂静聪飞发震，鹰遣产行照静舟瀵，馕褥蹇屡、趣 高层建筑如同雨厨春笋般的拔地而越。由于建筑结构及使用上的要求，基坑开挖 的深度越来越深，歼挖面积也越来越大，基坑深度由原来的5 m 发右发展剁目前 的2 。多米之深。 高层建筑深基坑工程邋常是在城市密集的建筑群中建造，其场地之窄，施工 按末难发之夫是裁所未有豹。深基瑰工程开攘除了绦谖蓁壤鑫身酶稳定之舞，还 必须保诞i 临近建筑设施的巍全，因此在狭窄的场地内开挖深基坑不仅会给支护设 计一带来壤大困娥，也会对临近建筑的安全使用造成缀大威胁、滚基坟王程是一 个高难发的岩工程技术谍题，其影响因素较多，与场地条件、地层情况、水文 地质条件、施工管理、现场检测及相临建筑场地的施工相互影响祷密切相关，因 筵事薮戆意多。潦羹坑工稔又是一个复杂靛、每众多学科辕关匏交叉学瓣，涉及 到土力学、水文地质工程珧质、结构力学、施工技术等知识，因此它要求研究的 阚题较多，不僵要研究土熬强度、变形、稳定性润题，还要研究与支护缝鞠戆 相互作用；同时还蒙研究施工方法及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，设计方法和计算方法( 例如考虑时空效虚、体本构关系) 等重要朗惩。由予深基坑工程的复杂性和不确定性，信息纯施工成为深鏊坑施工 全过程中必不可少的手段，它可以反馈信息，以便及时修改设计方案中的不足之 娃，并擞睁慕取羚救接擒。 在深基坑开挖及支护研究中，以前对深基坑开挖工程的时空效应问题研究很 少，随饕基坑开挖深度的蠖舾、面积啦增大及城质条仕的复杂怯，研究时空效应 问题显褥越来越黧要。所谓“时空效应”是指基坑分布开挖的空间尺寸和支护墙 体开挖部分的无支护暴露时间对周嘲墙体及土体的强度及变形的影响。由于各种 蓊技术耨方法不断缝痘蠲予基琉串，漤现了褰蔑超前予理论静畿象，经典的一些 理论对予这些新技术新方法已不太适用，因此设计施工中常采用以理论为导向， 工程、经验、鞭i 试定量摺络合豹方法。 目前，我国深基坑支护的方法较多，其分桊方法也较多。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： 斌汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 被动受力支护结梅其特煮为支护鳍稳蔽靠蠡身静结稳耩l 度鞍强度被动 的承受土压力，限制土体的变形，从而保持边坡安全稳定。常用的方法 多为传统的支护技术，侧翅：人工挖琵挂、撼辕链孔糖、预毒l 铡篾漫凝 土桩、钢板桩、铜管桩、支撑围护结构及地下连续墙等。 ( 2 ) 主动受力支护结构其特点为通过不同的途径和方法提离土体的强度，使 支护材料与土体形成共蔺作两体系，从而迭绷支护的鞠的。常掰的方法 有土钉支护技术，树根桩技术和近儿年在软土地区采用的搅拌桩技术 等。这监技术又管旋称舞铃强类护缓技术。 ( 3 ) 组合形斌根据土体力学性质，将前两种支护方法同时成用于同一个基坑 工程中。这种支护形式已经在许多工程中得到了成功的应用，袭现出很 大的优势和潜力。 被幼受力支护结构是传统的支护方法，其应用时间较久，在设计和施工中积 累了一是豹经验，嚣燕在工程孛采霹l 率较高：这静支护方法造价离、工期长、施 工难度大，其局限性日渐突出。因此，寻求种适合目前基坑工程新特点的支护 模式显德尤为重蒙，主动受力支护缭糖就是在这弹情况下应运露生鼓。主砖受力 支护结构是当前阐内外较为流行的商法，在慕坑支护工程中占有主导地饿，其最 大的特点在于安念度较高，施工简单方便，王期较短，造价低，噪音污染小，弥 补了镥统方法的许多缺煮，霞魏深爨岩主工耩界的青睬。竞其i 爱些年来，其设计 施工经验逐渐积累并日趋宪善，发展较快，其中土钉支护技术怒现在己得到广泛 应惩戆支护方法之一。 1 2 士钉墙的应用与发展 1 2 1 土钉墙的概：畚 土钉墙是近二十年来发展起来的一种薪裂的挡土技术。它怒种原德加筋搜 术，道过在土体内放置具霄一定强度的细长j | 干件，再辅以一定愿力的水泥沙浆、 钢筋翻囔射滢凝主面层，与主体共潮作用，激弥补体抗拉、抗翦强度低的弱点， 使土体开挖和边坡达到稳定。 典型瓣钉滚龟捶三个篷或帮分：置予凝位俸中懿钌( 缨长抒终及箕趱 围的注浆体) 、开挖坡面上的喷射混凝土面层以及被加固的土体。土钉墙充分利 用了土体的自承熊力，通过喷、锻、网，进一步增强土体的强艘和稳定蛙，形成 一种自稳性结鞫的主动支护体系。主钉班它的较高的抗拉、抗翦强度弥补了土体 在这方面的不足；同时，纲长杆件周围的注浆体在高服作用下向周围土体挤压、 扩数，一方覆戳水泥浆鬣软部分薅，舅一方嚣挺瘸潮傣旃蕊密实。舔层的骥 藏汉理工大学硕士学位论文 燕| 捏凝能较努豹充壤表霸倭瓣袋骧帮强穴，它吴鸯摄裹的辖结力；蘩强度，增 强表面士体的整体性，封闭住土体，防止因雨水冲刷衙产生局部滑塌，并与土钉 一起共阏竞成对复会体的攘束作翔、应力搀遴 乍用、应力分撵 乍用、拔蕊保护 作用四个方面。 综上所述，土钉墙从某种意义上说是一种地基加固措施，它与被加阉士体一 起形或一个类经燕力式瑶豹挡主墙，戮魏来抵抗藩螽士压力秽筵毪祷载。 1 2 2 土钉墙的产生 土钉墙的思想来源于新奥法施工6 0 年代初期的新奥法施工将喷射滟凝土技 术和全牯结注浆锚杆结合起来并首先用于硬豢中的隧道断丽开攘。它的理论基础 是最太隈度逢发簿岩石的自身支撵作用，通过喷射禚凝土面层和锚秆加蔺围岩， 使得开挖后的洞体很快稳定下来。1 9 6 4 年，新奥法开始应用于软岩隧道中的开 挖，戳嚣裁逶一疹试爱予主锌，箕簸翠应嗣楚1 9 7 0 霉在德国浃兰竟福中逢铁 的小断面隧道开挖，不久狸纽伦堡地铁车站的士体开挖中再次获得成功。新奥法 的成功怒岩土工辍技术蛉一次革命，在此愚想下，工裰瘿们在蜜际应用中产生了 土钉墙这种技术。 1 。2 3 钉墙的应用与发展 般的挡土墙结构是以自身的结构强度承受其背后土体主动土压力的被动 支护结构，两豁墙是基予一癸主动约束枧裁，裁援遗坡在失稔蔫具有一定豹耋 承能力，把边坡士体作为支护结构的一部分，使得该种支护结构体系具有造价较 低的优点。此外，士钉墙作为一种基坑支护方法，与一些传统支护技术相比，有 叛下静优越佳： ( 1 ) 性能可靠 ( 2 ) 麓王设鍪簿单、藏工灵活 ( 3 ) 对场地土层的适戚能力强 ( 4 ) 支护结构延性和抗震性能好 近年来，在深圳、广州、北京等地土钉墙支护己缀获得了广泛的应阁。土钉 墙的应用范围很广，主要销： ( 1 ) 主体开挖露弱錾辩支撑，鲡：商基建筑基坑开襁、地下臻稳藏工开挖、 坡开挖等。 ( 2 ) 永久性搂结构，鲤：隧道栌壁、爨瓤主坡挡麓、褥套接壤等。 ( 3 ) 现有挡土结构和支护的改建和抢险加固。 ( 4 ) 边坡稳定，己用于加固可能失稳的士体或边坡。 溅汉理工大学硕士学位论文 燕其是睫着我国国爨经济裹遂发震，嵩滕建筑不辑在各犬枣城索骚怒，瑟量 由于开发利用地下空间及人防等需鬻，高层建筑的地下室深度随着上部结构高度 的增加，基坑深壤达十几乃至二十见米已屡冕不鲜。这样的形势绘钉壤静发聂 提供了报好的的实践机遇，在深基坑开挖支护中土钉墙支护己成为撑式支护、排 桩支护、连续墙支护、锚轩支护之蕨又一项有效的支护技术。 钶墙静应翔对闻并不长，7 0 年代开始在法国、德国、j 蒺等地槽继应用， 我国从8 0 年代在山西柳湾煤矿边坡稳定中首次在工程中应用士钉墙。而是早应 用土钶罐这耪拱念挡主的工程实铡怒1 8 3 5 ：棼在英国豢晤士浮熬缝下隧筵耋豹开挖 工程中，采用铁钉作为开挖面挡板的辅助支护以及在遇到软弱土层时加网挡板。 现4 t 土钉墙驰开发最早是在法阑“1 3 。1 9 7 2 年，法国著名熬承包商b o u y g u e s 当时将新奥法隧道施工静疑验推广予边坡开控戳保持边坡稳定，在法国凡尔赛甜 近为拓宽一处铁路路基的边坡开挖工程中，采用了喷射混凝土面层并在体中置 入钢筋停先裾秘变护。1 9 7 4 年，b o u y g u e s 先嚣在l e s m e t r oi n 建铁蛄和b o u l e v a r d v i c t o r 的地下停车场的基坑支护工程中使用了击入型士钉。1 9 8 4 年，法国发展 了一静趣压嚷射注浆击入钉鲍新技术，此钋还用过主钉与桩联念驰支护。尔痿， 钉墙作为边坡加固和深麓坑支护的有效方法在法国酱遍发展越来。 对士钉墙的应用仅次于法国的是德阑“”。德国于1 9 7 9 掣首先在 s t u t t g a r t 建造了第一个永久性主钳工程。1 9 8 3 年建造慕尾煞缝铁时，在一处 1 8 米深的临时性土钉支护中，采用注浆帷幕对付地下水，并酋次在土钉支护重 搋用锻蕊纾维混凝终为囊晷。据1 9 9 2 年调套，德辫已建成5 0 0 量餐壤，所 用土钉除了注浆钉和二次挤裂注浆钉外，还肖先击入厝注浆的方法。现在土钉墙 在德国的应用已非常广泛瓶成为一种常规技术，不仅用于基垸汗挖，而且用于铁 路和公路边坡静永久往挡臻。 美国“最早应用土钉墙是在1 9 7 4 年。1 9 7 6 年在o r e g o n g 州波特兰市一所 医院与蒸紧挨鹣毒己建建筑耪，舞趁对黠瑟俸了注浆娃理。i 琏年来，美国联邦 公路局积极推广土钉用于酞路路基边坡稳定和公路轿挡土结构，特别是在加卅i 公 路建设中，许多媳方使用了钉。在英国，实际的土钌工程震褥著不多，丽旦主 要是用于加固现有的土玻和旧的挡墙。此外，在7 0 年代应用于土钉墙的国家 还有日本、巴西、澳大利照等。 我鞠在t 9 8 0 年籍主钳孺子出谣秘湾爨矿蠡每透敬工程“”岳，中国a 解放军 8 9 0 0 2 部队在长期对土中喷锚支护进行研究开发的基础上，咀其自身经验，首先 壤土钉技术用予深萋坑支护，仅该攀位皂1 9 9 0 年鞋来竞成静钌墙项联藏多这 3 0 0 项，其中许多用于失稳基坑的抢险加固，有些与预应力锚秆联合使用。但从 总的来籍，土钉域在我国尚处于起步阶段，应用的领域还比较密。例如，在公路、 武汉理工大学硕士学位论文 铁路工程串霞强钶壤作为永久支栌还是空窦。 1 2 4 土钉墙圜内外研究方法及现状 对一般土钉墙支护技术的研究，国内外不少学者取得了一些研究成果。目前 对一般土钉墙支护的研究包括理论研究和实验研究，理论分柝主要有极限平衡 法、有隈元法、工程简记分析法班及鞭据工程经验总终的经验设计法：试验研究 方法主要包括室内的模型墙试验、离心试验、现场抗拨试验和土压力测试等。迄 今鸯止，在工程竣诗方瑶，德国弱美嗣等国家蠢经毫了较舞竞善豹钉支护设计 规范，而在我国还没有专门的土钉支护技术规范。 1 2 4 1 理论努斩 对钉墙支护的理论分析主要肖极限平衡法、有限元法、工程简化分析法和 经验设计法“。 a 极限平衡法极限平衡法是土坡稳定和基坑嶷护理论较早采用的方法，也是目 蘸钌支护应用壤是广泛鹣方法之一。诲多嚣家对其遴行了大爨戆磅究出于寿 不同的安全系数定义，不同时滑动面形状假定以及不弼的钉土相强作用类溅和土 钉内力分布的假定，国外发展了许多种与其棚应的试验成果一致的方法。工程中 应用较多鲍并具有代表性的有以下凡种： ( 1 ) 1 9 7 9 年由s t o c k e r 等人提出的德国方法“”。该方法假定滑动面为双曲 线形势避遘竣敬辫，避露为豹壤隈乎鬻葱钵稳定分辑，莰考瘩主钌盼 抗拉作用，土的剪切强度由莫尔一库仑准则确定。 ( 2 ) 1 9 8 1 年由沈智嚣等人提出鲍d a v i s 法以及舞来经过j u r a t 等人( 1 9 8 8 年) 改进的d a v i s 法。该方法假定滑动面为过坡脚的抛物线形，仅考虑 士钉的抗拉作用。d a v i s 法和改进的d a v i s 法区别在予土体强度参数和 舒抗蔽力所褒瀚分顼安垒系数不潲，其余肉容均相潮“1 。 ( 3 ) 1 9 8 3 年由s c h l o s s e r 提出的法国方法”1 。该方法假定滑动面为嘲弧形， 根据传统逮坡稳定分摄中熬条分法，势考瘩穿过涛动瑟镊戆抗短、撬 剪和抗姆作用进行力矩极限平衡总体稳定性分析。 ( 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。该方法假定游动薅 为对数螺旋线形并通过坡脚，用条分法分析满动体的平衡，并认为滑 动总力矩与抵抗总力矩问的不平衡力矩即为士钉应提供的平衡力矩，进 磊确定囊钌鳇位爨黉绘出了谵算钌赘力豹经验公式。 ( 5 ) 1 9 9 0 年，由j u r a n 等人提出的机动法或运动法o 。该方法假定滑动面 为对数螺旋形。继含模型试验中观察的机动许可位移( 破坯) 与静力极限 斌汉理工大学硕士学位论文 平餐进行稳定分橱。这释穷法不莰考褒了主髂豹整体平衡，嚣量认为主 钉墙的必稳往往魁上层土钉被拔出，再逐步发展为整体失稳，并由此引 入了土铥最大内力局帮稳爨鼗算靛蠹窖。 国内的主要方法有： ( 1 ) 稷良奎、杨志银提出的方法。该方法假定滑动面为圆弧形，稳定分孝斤 中考虑了土钉墙豁都整体稳定往。值钳闻的作用凳考虑土钌的抗拉作 用，同时编制了相斑的计算程序。 清华大学强弱聚、窳二襻、拣肇元提出类戗迭瑗稳定努板中熬壤共条 分法的计冀方法，谚方法仅考虑土钉的抗拉作用，其抗拉能力由其拔出、 投断强度的条件决定。 ( 3 ) 王宝安、史维汾、芏国俊8 ”在条分法分祈土钉支护稳是的基础土，针对 条分法存在大量试算搜寻最危险滑动丽的缺点，采用优化理论中复形调 谯法对滂动蟊遴簿了势掇，薜建立了渡寻最危除潜动嚣静计算攮戏 ( 4 ) 罗晓辉等”3 采用5 a r m a 提出的扰动力概念，建立了考虑_ 土条间作用力影 晦鲍钉滚支护续构稳定分糖极限状态方程，辨结合霹靠蛙理论，分析 了影响土钉支护结构稳定的备随机燮燕的变异性以及安全系数与可靠度 的相互关系。 鞋上各释方法是在不嗣时期、缭合不同耱试验麓濑帮理论轿究得出来的，其 有一定的价值，谯实际工襁中起着一定的作用，但也材其不足之处： ( 1 ) 不麓 砉谤主俸鹣交澎，也不戆考虑逑坡或基境分步舞撼鹣影响。 ( 2 ) 除机动法育街进行土钉的局部稳定憔分析，给出特定的较符合实际的土 钉内力外，其它方法则不绘出备土条对于土钉施加的控力大小，就机 动法箍亩也仅考虑水平方向的平衡，没有考虑难壹方向的平衡。 ( 3 ) 上述各种方法是根据特定的试验场地和试验条件，同时为简化计算而进 行了一璺假定，嚣琵有一定馕瑁莛澍鞠弱限毪。盔s t o c k e r 等撼蠢静德 国方法，其双直线滑动面形状是根据地面有较大超载的情况下所进行的 试验丽髂蹬的假定，由此方法确定的滑动垂部分廷 枣到士钌搬霆区之蛰， 困此，这种方法对于非粘性土在有限范围内受较大地面超载的情况较合 适。此外s c h l o s s e r 方法中考虑了土钉的弯曲作用，攀实上，土钉弯盐 剐度熊大，j 、对摔豹最大东平位移戮及钉所受的最大拉力帮势力均无 明显作用。目前士钉的抗弯作用对稳定性影响仍然是个争论的话题。 d a v i s 法蠢s t o c k e r 法对土傣豹挂惑，麴分鼷、孔隙拳嚣力瓣毒虑帮毒 一定的髑限性。j u r a n 的机动法关于土钉内力剪力计算的假定不严格。 b r i d l e 穷法计算土钉剪力过程中引用了桩基础的经验公式有一定的欠 6 武汉理工丈学硕士学位论文 缺。 b 有限元法有限元法作为一种强有力的数值计算方法，不仅自合汁算土钉墙中 土钶的浅力，不弼俸模型的应力巍交关系，模拟并挖涟程鳟，丽且w 班考虑土 俸荫 # 均匀谴藕各离异性警复杂往态。由于土体魏链惑鞠结构的复杂健，将这一 方法赢接鼹于工程著能褥到潢意的结果还程段距离，但仍不失是嚣裁公认薛露 来分毒慝不同参数嶷化醚媳工缝鞠性能燮他翘律懿较先寿散熬一秘方法1 9 8 1 年美国沈智刚等曾用该方法进行了土钉支护体系的内力刺变孵研究以及一些 参数对士钉墙攘体工作性能影响的磷究，并开发了捆应的二维肖隈元程守。1 9 8 5 年p l a m e l l e 等人也使翊过有限元方法。德国、法豳等也开发了土钉的专用有限 元瑕窿，舞法黧t a l r e n 糅枣、s t a r s 程序、c l o u d i m 翟痔、德蓬携b a u e r 程序和 英国瓣n a l 一s 菠l l 矬l l 程痔等。 我国清华大学的宋二祥与荷兰同事会作开发了p l a x i s 土王有限元程序并 进行丁钉支护体系豹计舞，此外橱明、郡龙浮“在采用桎隈乎锤理谚验证毒黢 元边坡稳定分析绪果的基础上，将其方法用于士工加筋结构( 包括土钉) ，进行了 主钉疆摄的型式、丽度对钉墙稳定性的影响的研究。慧的来说，目前用于士笥 支护静谢隈元程净对主钉肉力静计葬结莱较为满意，德变形的输出则不够理想， 这与其计算横裂及参数灼选取有燕，途也是将窍隈嚣 去座弱予铤建势辑豹关键 蜃在。 c i 工程简化分析法在工程实践中，人们掇出了许多简化分析方法。简化分析的 实痿就憝壹接缭定潜动丽的位置，誊接绘逝不同部谯的钉的最大拉力。强然遽 类方法在淫论上撼得较 巍耀糙，缳用于髅箨土钌挝力并爨谢经验赣避行主钌熬拐步设计之用锯然不失为 一耱簿矮可行麴方法。 在国外3 u r a n 曾综合了一些王瑕实测的结果，提出了当土钌游长设饕蛙，不 同赢度镁置上的土钉最大投力分布简圈，钉的控力按其势毒简图确定， 如图i 2 1 所示0 3 图1 2 1 确定强钌疑力豹经验方法 斌汉理工犬学硕士学位论文 需簧一撵懿怒j u r a n 提窭懿钌最大藏免懿分蠢嚣是参考了t e r z a g h i 和 p e c k 针对支撑板桩支护所建议的土压力分布，将士钉墙中的士钉比作支撑，并 加鞋遭囊的修正，馒适用予均质体，境壁_ 蠢立、地袭水平无趣载的情凝，不适 用于软土和地下水的土体。在国内闷前，土钉墙常用的简化分析方法有： ( 1 ) 我国有色金属工业长沙勘察院提出的二分之一分割法“1 。该方法首先 要确定土钉瑶板上的土压力鹜形窝主钉的霹鞭s v ，s 。然居再按二分法 来进行每根土钉的受力情况分分析。 ( 2 ) 侯定潜在疆坏瑟的方法，惫括楔形皴坏港动嚣耱取拆线潺动嚣浚。楔形 破坏滑动面法是套用重力式挡墙背詹的上体楔形破坏的特点，按照库仑 压力理沧，滑动谣的倾角为4 5 。+ 巾2 ，与c 无关：双折线滑动面法是 仿照如翁挡墙滑动丽，上为直线，下为斜线，直线段离开墙颟的距离 约为基坑深度的0 3 倍。遮两种方法的土钉的拉力均由土体侧向土压力 分毒求鑫。按蘸者方法诗冀数蓬藕予安全，摄然上帮钌编长，僵在蠛 区实际工程中考虑到上部土质多为回填土结构较松、变形量大和一定量 豹变形会对建筑物和地下繁线等周泼环境造成较大熟影响等溅强为严 格控制燮形，往谯加大上都土钉的长度，但扁部土钉长度偏短，存在不 安全的隐患：按后糟计算偏于不安全，因为加筋挡墙是由下向上构筑的， 填经撵选，薄魂面位置静霰定眈较符台实际，嗣于土锯设计胃能导致 上部土钉长度不够。 ( 3 ) 王步云努法。壬多云建议豹楚证方法在实藩王程中立耀较鸯普浚，该方 法也假蹴滑动面为双折线，即上为崴线下为斜线。与假定潜在破坏面的 方法不同的是土钉结构由经验公式确定，其中土钉长度设计公式 为：l - - m t t + s 。式中m 为经验系数，一般可取m = o 。6 l ，0 ；s 。为止浆器长 度，一般为0 6 1 0 ：h 为繁坑深度。士钉间距设计公式为：s ，6 。 可按表t - 2 。1 进褥经验设计”1 。 武汉理工大学硕士学位论文 表1 1 经验设计参数 主舒结i l 蓖径 $ 4 0 钶的长发 3 。4r a 土钉躲闯鼯l “i ，7 5 * 镊的冀经0 2 0 “垂3 5 炼绞钢黪 土钉的倾角f 1 0 1 2 4 2 试验研究 荚疆w a l e s 大学c a d i f f 学院舞擞麴囊赘试验表蹦：当鸷螺囊移小予2 0 m 时，未加箭租加筋试样的葡载位移特性基本相似：而当剪切位移丈于2 0 啪时，在 相同位移下，如筋样所承受的水平荷载太大翅过未加籁榉。英国剑棱大学的 j e w e l l 和j o n e s 也作了类似的大型盥剪试验，试验的结槊和前者慕本相似。 髫本程平瑟囊叠耪和璃心撩载两种试验豹条件下分澍瓣模骛 避行了试验珊究， 绫巢衰弱船荔竣魄未臻籁主玻弱承虢力鸯褥多，磊强攒翁越饫，翔蠢效采越壹 ， 假插筋长魔超过一定长度，加固效果的增加就不很显罄了，这袭明钉的竣最存 在最佳长度e 离心试验袭弱券热固酶坡滑移曲线黪端点的中帮，露对舰蕊坡 的破坏曲线形状的影响却非常显著。 b o l t o n 等( 1 9 9 0 年) 运用离心模肇试骏研究了生钌支护在越闺结土开挖中 的应用，溺述了施工末耨的籁麓稳定性、主体黪胀以及负孔陈水蕊力的消散交仡 攮嚣。运用楔体平檬理舱德冀了苓捧炊秘长麓接水鳇坡稳悫憾凝。研究鲢祭表 明舒支护可戳瘫爝于鹾辕上静野挖审。p l u m e l t e r 8 ( 1 9 9 0 年) 遴过试验裂究指 出，土钉中的最大张力不是位于墙前而是位于墙后一段距离处。最大张力的连线 佼于破坏区内。士钌中首先产生的抗力是拉力。如果一次开挖深廉过大，会在土 中产生土拱，而土拱上方土的变形依然很小。继续开挖时土拱会不稳定井椴快产 墅酸坏。 k i m 等。馨( 1 9 9 6 年) 为了磅究超载对钶支护结椽毅坏瓿瑾黪影翡，避行了 模型试验。研究的主要变摄是土钉的弯曲刚度、抗拉隰力以及所施加的超载承平。 采用疆骅不同的试骧步骤分嬲模拟超载条侉下钉崧新建缝掬及扩建销j 系统 中的应用。为了有效地沽计荷载对破坏机理的影响，进行了无超载的破坏试验当 魏蕊越载时上部钉逐渐折龋支护系统酸环。在超绶永平较低的情况下，主部 舒静瘫力状态与不蕊趟载薅豹盛力状态稿透。当趣载灞热辩上部钉的等效 土压力系数趋手静业主鹾蓉数。在超载作髑下，土钌撅凝点懿经援与超载豢牲钉 的破坏馑鼹非誉犊逐。 9 武汉理工大学硕士学位论文 姜振泉等。”( 1 9 9 6 年) 在综合分析插筋补强土体剪切试验的基础上参考横 向受力桩所受剪切力的计算方法，提出了用于评价插筋横向抗剪作用及其补强效 果的理论计算方法，并据此计算方法对试验条件下插筋在变形不连续面及由此剪 力产生的抗剪补强效果进行了计算，然后将计算结果同试验的实测结果进行了分 析，结果表明其理论计算方法在一定的土体变形下，同试验实测结果符合较好。 王增忠等。( 1 9 9 6 年) 通过对深基坑土钉墙支护的现场实测探讨了土钉锚固力 的分布规律，侧向土压力的大小及其分布状态、破坏滑动面的位置与形状。 1 3 土钉支护技术与传统支护技术的比较 1 3 1 土钉与加筋土挡墙的比较嘲 主要相同之处为： a 加筋体( 拉筋或土钉) 均处于无预应力状态，只有在土体产生位移后才能发挥 其作用。 藤胤匾唼舯辩援蔺崖 去。r 一一生要 l 巾、 预 卜开 缱i l 士l 升 2 屡篓 ( a ) 土钉支护的施工顺序 謦计抽堆面粼躺 毪l 。二磊荤熹纛 f 豳壤土 3 4 = ：= ， 。艨一垦 ( b )加筋土挡墙的施工顺序 图1 3 1 土钉支护与加筋土挡墙的施工顺序 b 加筋体抗力都是由加筋体与土之间产生的界面摩阻力提供的加筋体内部本 身处于稳定状态，它们承受着其后外部土体的推力类似于重力式挡墙的作用 c 面层( 加筋土挡墙面板为预制构件，土钉面层是现场喷射混凝土) 都较薄，在 支挡结构的整体稳定中不起主要作用。 尽管土钉技术与加筋土挡墙技术有一定的类同之处，但仍有一些根本的 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 蓑别，虽然竣工后两神缝构夕 观期戗，键其照工程枣却截然苇强，如图1 3 1 所示。 主要为： a 。钉施工是“自上两下，分步施工。丽加筋籀墙的施工刚是“囱下而 上”。这对簇体应力分毒蠢璧大影嫡，照工期闼燕甚。 b 镊是一耪原位热翁技术，怒潮亲改惑琵熊屡的，不象热簸挡壤，戆 够预定和控制加筋土壤土的性质。 c 土钌技术通常包含使用灌浆技术，使筋体和其周瀚层粘绪起来，赘载通 过浆体传递层。在加筋土挡墙中，摩擦力直接产生于筋条和土层间。 d 钌篾可农乎奄置，魂可矮瓣毒萋，警冀垂壹予港在潺袋嚣设置时，将会 充分墙发挥箕菝力；嚣黯篱主挡壤内静拉翁一般为承平- | 鼗麓( 或禳夺旁度静 倾斜布置) 。 e 土钉支护与加麓土挡墙的变形举彝。土钶支护拣掬底邦基本不变形，蠡下 而上水平位移不断增大；而加筋土挡墙是顶部基本不变形。如图1 3 2 所 汞。 6 争 2 “h 篓羔 a ) 走舒媸强翻簦童糍壤 躜i 3 正钉戈轳与搠筋然墙的燮形示意溺 1 3 2 士钉与土层镟杆的比较 表面主，当罐子边玻船蠲和开挖支护对，钉和颥藏力锚秆澜有一擅栩似之 处。毽两卷闯仍蠢较多的麓别： & 攫锚抒在安装葳避常施越颈废力，主确约窳鹳缠擒憋变形：褥生钉一 般不施加预应力，在发生少量位移后才可发撵作用。 b j = 钉长发的绝大部分嗣土联接触，两土层镪秆则一般是柱锚围长发内受 力，自由段懿起倦力作用。因j 蹴两者在杆件长度方向上的应力分布怒不同 的。知爨l 。4 蕨示。 斌汉理工大学硕士学位论文 一 艇 一一陟7 7 艄段 l ( a ) 士钉受力图( b ) 锚杆受力图 圈1 3 。3 钌与镄转受力黠汔图 c 锚杆的密度小，每个杆件都烙重要的受力部件i 而土钉密度大，辩土钉的 相互作用形成复合熬体作用，其中个别钉发生破坏或不起作用，对整个 结构物影响不大。 d 因锚杆承受荷载一般很大，在锚杆的端部需安装适当的墩载装置，以减小 潞现穿过挡结梅疆发生“蘩j 入”破落匏霹镱健，焉舒戆嚣板受力不大， 其端部承担的荷载小，可由嶷装在喷射混凝土袭面的钢檄来承担。 e 镶抒往往较长，困姥器要用大型设备寒安装。镟楞体系常震于大型挡结 构，如地下连续墙辅钻孔灌注桩挡墙，这些结j 訇本身也需隳大型施王设备。 丽土钉的长度一般较短，所髓的各种机具均较哭便。 1 3 3 钉支护与被( 墙) 式赢护蒋系的比较 摭( 壤 式支护俸系应翔蹲闻较久，震予被动受力支护结掬。其特点怒支护结 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。土钉支护属于主动受力支护结构，其特点是通过提高土体的强度， 使支护材料与体形成共同作用体系，飙而这至8 支护的韬的。 1 4 钉支护的优缺点 1 4 1 土钉支护的优点 土钉支护自2 0 世纪7 0 年代产生以来，歪今也不过二十几年的历史，由于其 明显的优势，在边坡工程、基坑工程中得到广泛的应用。与其它的挡土技术相比， 土钌技术具有如下优点： ( 1 ) 材料用餐和工程量少，施工速度快。土钉支护的土方开挖量和混凝土工 程量较少，全部钌连羁嚣藩钢篱嘲瓣惩钢激遣甚炎誊疆，材料矮量远 低于桩支护和连续墙支护。在施工速度上，有的甚至可将工期缩短一半。 施工设簧轻便，操作方法麓单。土钉的制作鸟成孔不霰复杂的技术帮大 武汉理 二大学硕士学位论文 型机械设施，施工方法膏较大灵活性，旌工孵对环境麴千摅也缀小，特 别适合于城市地区施工。 ( 3 ) 辩场璃主菇的适应髋强。钳支护特剐适合于稳一定糨睫的砂土、粉土、 帮硬誊与予疆糙土。对于有赫都的软瑟糖往滕，在采取一定措施磊氇 凌可能采用钉是护。当场地同时存在层嚣l 不同爨i 他程度的姑嚣时， 应用钉竞护特别鸯到。 ( 4 ) 结构轻巧，柔性大，有很好的延性。土钉支护自重小，不需作专门的基 础结构，并具有嚣常良好的抗地震及抗车辆振韵的能力。土钉支护即使 破坏，一般也不至予发生彻底铡塌，并在破坏前有一个变形发展进程。 1 9 8 9 年荧瓣趣列7 。1 级避震中，震嚣肉蠢8 个钙结构，髅诗遭戮约0 。4 9 水平地震热速度黔绍翔，健都没有逡璃柽 莓按搭迹象