（地质工程专业论文）隧道明洞段黄土高陡边坡土钉支护的离心模型试验研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 离心模型试验技术是目前在土木工程领域内进行科学研究竞相采用的一 项新的试验技术，其优点是能在原型应力状态下研究和观察岩土工程的变形 状态和破坏过程。 本文首先全面总结了离心模型试验技术和土钉支护技术的发展历史及应 用现状，系统阐述了离心模型试验技术的基本原理。为了探讨离心模型试验 技术这一研究手段在土钉支护边坡中应用的可行性，结合吕家崖隧道具体实 例，应用我校新近建成的l o o g t 土工离心试验机，进行了两组离心模型试验。 通过边坡分布开挖与支护，对边坡以及土钉的变形进行了研究。 本文提出的结论： 1 ) 土钉支护的变形与普通边坡相比，具有不同的分布形态。 2 ) 土钉支护边坡由于土钉的刚度较大，限制了土钉加固区土体的变形， 而被加固后的土体又如同挡土墙一样，有效减小加固区内土体的变形。面层、 钉体的应力传递扩散作用，将坡面开挖荷载传递到土钉锚固区内土体，调动 了更大范围的土体抗力，减缓了塑性区域的扩展，限制了塑性变形的增加。 3 ) 土钉的应变沿钉长的分布形态是：在土钉中部，应变最大，往土钉两 端，应变逐渐减小。 4 ) 土钉的最大应变值在边坡的中部最大，上、下部较小。 最后指出了离心模型试验技术目前存在的一些问题和今后的发展趋势和 研究方向。 关键词：离心模型试验；土钉支护；边坡；变形 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a bs t r a c t c e n t r i f u g em o d e lt e s ti sat e c h n i q u et h a ti sw i d e l yu s e di nt h er e s e a r c hf i e l d o fc i v i le n g i n e e r i n g o n eo fi t sm o s td i s t i n c ta d v a n t a g e si st h a tt h ep r o c e s so f d e f o r m i n ga n db e i n gd e s t r o y e do ft h es o i lc a nb eo b s e r v e dw i t hp r o t o t y p e a tf i r s t ，t h i st h e s i ss u m m a r i z e st h ed e v e l o p i n gh i s t o r ya n dt h es t a t e o f - t h e a r t i nc e n t r i f u g em o d e lt e s ta n dt h es o i ln a i la n ds o i ln a i l i n gs l o p e ，d i s c u s s e st h e p r i n c i p l eo f t h et e c h n i q u eo ft h ec e n t r i f u g em o d e lt e s t t od i s c u s st h ef e a s i b i l i t y o fa p p l y i n gt h i st e c h n i q u ei n t ot h es o i ln a i la n ds o i la n c h o rs u p p o r tp r a c t i c eo f e n g i n e e r i n g ，t h i sp a p e rr e f e r e n c e st h er e a lp r o j e c to ft h el vj i a y at u n n e l ，u s e st h e g e o t e c h n i c a tc e n t r i f u g e o fs o u t h w e s t j i a o t o n gu n i v e r s i t y , m a k e t w o e x p e r i m e n t a t i o n f o r mt h es t a g e do ft h es l o p ee x c a v a t i o na n dr e t a i n i n g ，r e s e a r c h t h es e t t l e m e n to ft h es l o p ea n dt h ed e f l e c t i o no ft h es o i ln a i l t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t ： 1 ) t h ed e f o r m a t i o np r o f i l e so fs o i ln a i l i n gs l o p ew e r ed i f f e r e n tf r o mt h o s eo f g e n e r a ls l o p e 2 ) b e c a u s et h es t i f f n e s so f t h en a i l si sl a r g e rt h a nt h es o i l ，t h ed e f o r m a t i o n o ft h es o i li sr e s t r i c t e d t h es o i lt h a ti sr e s t r i c t e d ，a c t i n ga sr e t a i n i n gw a l l ， d e c r e a s et h ed e f o r m a t i o no ft h es o i lt h a ti sn o tr e s t r i c t ed e f f e c t i v e l y t h es t r e s so f t h es u r f a c ec o u r s ea n dn a i l st r a n s ；f e rd i f f u s i o n ，i e t h es u r f a c ec o u r s ea n dn a i l s t r a n s f e rt h ee x c a v a t i n gl o a dt ot h es o i lt h a ti sr e s t r i c t e d ，s os o i la m o n gm o r ea r e a t a k ea c t i o n ，w h i c hs l o w e rt h ee x t e n do ft h ep l a s t i ca r e a ，a n dr e s t r i c tt h ei n c r e a s e o ft h ep l a s t i cd e f o r m a t i o n 3 ) t h es t r a i np r o f i l e so fs o i ln a i l i n gs l o p ei s ：t h el a r g e s ti nt h ec e n t r a lo ft h e s o i ln a i l ，a tb o t he n d s ，g r a d u a l l yd e c r e a s i n g 4 ) t h eb i g g e s ts t r a i no f s o i ln a i l i n gi nt h ec e n t r a lp a r to f t h e s l o p e ，t h es m a l l e ri nt h e t h eo t h e rp a r t a tl a s t ，t h i st h e s i sp o i n t so u ts o m ep r o b l e m se x i s t i n gi nt h ec e n t r i f u g e m o d e lt e s tt e c h n i q u ea n de s t i m a t e st h ed e v e l o p i n gt r e n do ft h i st e c h n i q u e k e yw o r d s ：c e n t r i f u g em o d e lt e s t ，s o il n a ili n g ，s l o p e ，d e f o r m a t i o n 西南交通大学曲南父遗大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密日，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：冷 哮艾指导老师签名： 日期：洳| ；、谬日 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 通过离心模型试验，研究了黄土地区临时边坡土钉支护的工作机理。 2 通过填砂法近似模拟了土钉支护边坡的分布开挖的施工过程。 3 运用相似原理，采用空心铝管模拟土钉，并成功测试了土钉的应变， 为分析土钉工作原理提供了详实的数据，并为土钉支护模型试验提供了参考 资料。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 选题意义 第1 章绪论 随着我国西部大开发战略的实施与进行，黄土地区重大的基础设施建设 将会越来越多。由于黄土独特的物质组成、结构及其所处的地貌和构造环境， 在切割强烈、地形起伏较大的黄土沟壑和源、梁、峁区修建铁路，因一系列 技术要求和条件限制，不得不进行大量的开挖，形成大量高陡的黄土边坡。 这些黄土高边坡未来的稳定性以及防护效果如何将直接关系到铁路运行的安 全和国家对西部基础建设投资的效益。多年来，铁路、公路等部门对高3 0 m 以下的黄土中、低边坡都做过较为系统的研究【l 】，并在其各自的规范中提出 了明确的设计标准，成功地指导了边坡工程实践。而关于3 0 m 以上的黄土高 边坡变形破坏机理、稳定性分析评价及设计和防护方面的系统研究成果还较 少，以致因设计不当而导致的黄土高边坡变形破坏现象时有发生。为此，开 展黄土地区铁路高边坡防护技术研究、优化，对提高黄土地区铁路高边坡的 设计水平，指导今后的工程实践，是非常有意义的。 土钉支护是近年来发展起来用于土体开挖和边坡稳定的一种新型挡土结 构。由于其明显的优点【2 儿3 1 ，已在大量工程中得到应用，成为继排桩支护、 地下连续墙支护等传统支护方法之后的又项新的支护技术。据有关资料显 示 3 】，土钉支护技的应用在各种支护中己占据重要的地位，已在许多国家中 得到迅速推广和应用【4 j 。除了作为基坑开挖临时支护外，也可作为一种性能 可靠的永久性挡土工程。本课题以郑西客运专线z x z q 0 4 标段的5 座隧道开 挖的临时高陡边坡为研究对象，通过室内物理模型试验模拟原型，研究土钉 工程设计中的关键技术参数，比选验证优化设计方案；并了解土钉支护边坡 运行情况，预测未来的运行安全性与可靠性，从而为黄土地区使用土钉支护 提供了理论依据，对于土钉的施工与设计可以提供一定的依据。 1 2 土钉国内外研究现状 1 2 1 国外土钉支护技术的发展概况 所谓“土钉”( s o i ln a i l ，源自法文c l 曲a g ed es o i ) ，就是置入于现场土体 中以较密产距排列的细长杆件，如钢筋或钢管等，通常还外裹水泥砂浆或水泥 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 净浆浆体( 注浆钉) 。土钉的特点是沿通长工与周围土体接触，以群体起作用， 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，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其稳 定。国内亦有资料称土钉为“插筋”( i n s e r tb a r ) t 引、锚钉【6 j 等等。 最早将土钉技术用于工程并在理论上进行研究的国家是法国。法国承包 商于1 9 7 2 年将新奥法隧道施工的经验推广到边坡开挖以保持边坡稳定，在法 国凡尔赛附近为拓宽一处铁路路基的边坡开挖开程中1 7 j 【引，采用了喷混凝土 面层并在土体中置入钢筋作为临时支护，并且进行了现场抗拔试验，这是有 着详细记载的第一个土钉工程。之后，土钉技术和深基坑开挖支护方法在法 国得到了普遍使用，并且发展了许多新技术，如不注浆的击入钉、高压喷射 注浆钉等。与此同时，为了解土钉的工作性能，法国还开展了土钉的基础性 研究，最为著名的研究工程是在s c h l o s s e r 教授领导下，1 9 8 6 年开始的名为 c l o u t e r r e 的四年研究项目，该工程是为了研究土钉墙的工作机理、改进土钉 墙设计方法和编写土钉墙规范而进行的，这个项目包括三个高7 m 的大型土 钉墙足尺试验和六个现场工程的详细测试。在设计方面，法国在8 0 年代发展 了一个叫t a l r e n 的设计程序，以极限平衡分析方法为基础，得到了广泛的应 用，以后还发展了一些其他的设计程序以及有限元分析程序。 德国、美国是开发应用土钉支护技术仅次于法国的国家。德国最早对土 钉支护技术的研究是由西德承包商k a r lb a u e ra g 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，于1 9 7 5 年月开始了一项为期四年的研究，共进 行了七个大型足尺土钉墙试验与许多模型试验，另外在不同理设条件下进行 了上百个抗拔试验【9 】【。k a r l s r u h e 大学的s t o c k e r 教授与g a s s l e r 等人还作 了许多理论研究工作。德国于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 年的连续测量，获得了宝贵的数据。1 9 8 3 年建造慕尼黑地铁时，在一处1 8 m 深的临时性土钉支护中，采用注浆帷幕对 付地下水，并首次在土钉支护中使用钢纤维混凝土作为面层。 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。 详细记载美国早期应用的一个工程实例是1 9 7 6 年在o r e g o n 州波特兰市一所 医院( g o o ds a m a r i t a nh o s p i t a l ) 扩建工程中的基础开挖。在北美，加拿大的 温哥华地区早在上世纪6 0 年代末期己经用过土钉作为房屋基础开挖的临时 支护，其深度有达1 8 m 的。美国另一项有名的土钉工程是匹茨堡p p g 工业 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 总部的深基开挖，与其紧挨的有己建建筑物，所以开挖时对土层作了注浆处 理，并且对土钉区内的己有房屋基础用微型桩( m i c r o p i l e s ) 作了托换。美国 早期进行土钉基础性研究工作主要在加州人学d a v i s 分校( c k s h e n 教授等) ， 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、有限单元法分 析等研究【l l 】。目前，土钉支护技术已经在法国、德国、美国和日本等国家得 到了广泛的应用，受到土木工程界的极大重视，并进行了大量的试验研究工 作。1 9 9 0 年在美国召开的挡土结构国际学术会议上，土钉墙作为的专题与锚 杆挡墙并列，成为一个独立的岩土加固学科分支。 1 2 2 国内土钉支护技术的发展概况 我国在土钉支护技术方面的研究起步较晚。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( 1 9 8 0 ) ，用于山西柳湾煤矿的边坡支护工 程。这一边坡的挖深为1 2 m ，坡角8 0 0 ，总长近4 0 m 。土体为粉质黄土，采用长 9 m 的注浆钉。孔径1 2 0 2 0 0 m m ，土钉钢筋直径2 5 m m ，倾角1 5 0 ，面层喷射混凝 土厚1 8 c m ，这是有记载的国内应用土钉工程的首例【1 2 1 。自上个世纪9 0 年代以后， 土钉支护技术在国内流行起来。国内研究土钉支护的单位主要有太原煤炭设计 研究院、清华大学、冶金建筑研究总院、总参工程兵三所、同济大学、中国建 筑科学研究院等。研究内容主要集中在工程实测、计算方法的研究上，虽然国 内对土钉支护技术还很少进行系统深入的研究，但与国外相比也有其特色，主 要有： 1 ) 结合国情，发展了如洛阳铲那样简便的施工技术： 2 ) 对地下水位较高的软弱土层中采用土钉支护进行了探索，并取得了初 步经验。如止水型土钉墙； 3 ) 由于在砂层和软土地层难于成孔，开发了注浆钉； 4 ) 为了限制位移，将土钉墙与预应力锚索联合使用； 5 ) 采用了超前加固技术，应用于土层较差，自稳时间较短的情况； 6 ) 用于超深基坑( 深度 1 2 m ) 。 1 2 3 国内外关于土钉支护的试验研究状况 对土钉支护技术的研究，国内外己取得了一些可喜的研究成果，但还存在 着一些难以解决的问题，例如支护结构的变形、面层土压力与土钉密度、长度 间的关系及最佳土钉间距的确定等。目前，对土钉支护的研究包括理论研究和 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 试验研究。试验研究方法主要包括室内的模型墙试验、离心试验、抗剪试验、 室外足尺墙试验、现场抗拔试验、压力、应力应变测试等；理论分析主要集中 在极限平衡分析和有限元数值模拟工作上。 试验是研究岩上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【l3 1 。试 验土体采用f o n t a i n e b l e a u 砂分层夯实，每层厚2 0 c m ，堆积后相当于“中密砂”， ( p = 3 8 0 ，c = 3 k p a ，标准贯入击数在l m 深处为8 ，6 m 深处为1 5 。为保证结构的平 面变形，墙体两侧均用双层塑料薄膜与周围隔开。通过每步开挖1 米逐步建成 该土钉墙，土钉的水平间距1 1 5 m ，钉与水平方向的倾角为1 0 0 ，钉长在6 8 m 范 围内。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 置不在端部面层处，而是离开面层一定距离，土钉靠近面层的端部拉力与钉中 最大拉力的比值随着往下开挖而降低；上部上钉拉力接近主动土压力算出的数 值，而下部土钉拉力远低于按主动土压力算出的数值：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，使上钉同时受到弯剪作用，土钉破坏时的弯剪作用对于提高支 护承载能力的贡献甚少，但对防止快速破坏有好处：施工过程中的每步开挖深 度对于支护的稳定至关重要。 ( 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1 3 j ，该项试验共有7 个墙体，高6 m 或7 m ，试验所用土体包括松砂、中密砂、 粉砂和粘土。试验研究的主要结论：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0 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 , 4 2 7 倍。 ( 3 ) 美国的c k s h e n 等( 1 9 8 1 ) 在加州大学d v i a 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 t ( 1 f t - - 0 3 0 5 m ) 处，水平位移在地 表位置最大，在开挖面后1 5 f t 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。此外，在试验中还研究了交通荷载下支护结构的变形情况，当开挖深度 为3 0 f t 时，最大水平位移仅为0 8 i n ( 2 0 m m ) ，说明土钉支护结构的抗动载性能良 好。 。 ( 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 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。土钉在超载作用下的变形特征表现 为持续的渐进性破坏，即使土体己出现局部剪切面和拉裂缝，并且随着超载程 度的增加而扩展，但仍可维持较长时间而不发生整体坍塌。另外，王步云还研 究了土钉与土体之间的摩擦作用，以及面层的土压力问题。 ( 5 ) 为了研究土钉的抗拔作用，g u i l l o u x 等进行了土钉抗拔试验，试验结果 表明，当钉土的相对位移达到o 6 3 o m m 时，钉土间的极限剪应力达到最大， 土钉所受的剪力与钉土间的相对位移直接相关，并在位移达到某一值前，随位 移的增大而显著增加。极限剪应力的大小与土钉的埋藏深度几乎没有关系。试 验同时表明钉土问的相互作用与应力应变的关系极为密切。 ( 6 ) 姜振泉等( 1 9 9 6 ) 进行了土钉支护模型的剪切试验【l4 1 ，研究了不同土钉 长度和插入角度情况下的补强效果，得出以下结论：只有在稳定土体内具有一 定长度时，土钉才能发挥补强作用；单筋的抗拉补强作用与插筋密度密切相关， 但土钉密度对单筋的抗剪补强效果的影响不如前者明显，单筋的抗剪补强作用 主要与材料的抗弯刚度及插筋长度有关；土钉抗拉作用所发挥的补强效果比抗 剪作用所产生的补强效果显著，但如果土钉具有较高的抗弯刚度，且没有产生 明显的弯曲变形，土钉可以产生明显的抗剪补强效果。参考横向受力桩所受剪 切力的计算方法，作者还给出了用于评价土钉横向抗剪作用及其产生的补强效 果的理论计算方法。 1 3 土工离心模型试验的发展状况 1 3 1 国外发展状况 1 8 6 9 年1 月，法国人e d o u a r dp h i l l i p s 首先提出了采用离心机做模型试验 的设想。这一设想是将离心模型应用于研究法国到英国横跨英吉利海峡的大 铁桥，根据弹性体的平衡方程推导出原型与模型之间的相似关系，提出利用 离心机产生的惯性力来增加模型的重力，用来研究结构的特性【l5 1 。但限于当 时的条件，没有得到应用1 16 j 。直到1 9 3 1 年，美国哥伦比亚大学p h i l i pb u c k y 将此技术应用于煤矿坑顶稳定性的模型试验中【】丌，所用的离心机半径仅为 2 5 c m ，因所用离心机半径过小，未取得有价值的成果，在土木工程界并未引 起应有的重视。1 9 3 2 年，前苏联以鲍克洛夫斯基( p o k r o v s k y ) 和费德洛夫( e c f e d o r o v ) 为代表的学者们开始在大中型离心机上对离心模拟技术进行了广泛 的研究。从1 9 3 2 年之后约2 0 年，前苏联先后建设完成了十多台离心机，研 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 究领域涉及了土坝和土坡稳定、隧洞土压力、运河工程、沼泽软土、矿山工 程、挡土墙振动土压力以及土木工程的许多领域。虽然6 0 年代后期建置的离 心机规模稍大，半径达到2 2 5 m ，并于1 9 7 4 年在巴库建成前苏联最大的离 心机，半径5 5 m ，容量达到1 5 0 0 9 t ，但由于其结构形式较为单一，加之测量 设备较为简单，限制了它在岩土工程研究领域中更大的发展【l8 1 。 2 0 世纪6 0 年代后期，继美国和前苏联之后，离心模拟技术开始在英国 和日本发展起来。英国先后在s c h o f i e l d 等的领导下建立了近l o 台离心机引， 在剑桥大学、曼彻斯特大学的科学技术研究所和西蒙工程试验室，利物浦大 学建立了四个土工离心模拟技术研究基地，以斯科菲尔德( ( a n s c h o f i e l d ) 和 罗尔( p w r o w e ) 两位教授为中心开展研究，他们都是研究土的本构关系的先 驱者，坚定认为土的本构模型及其数值计算方法的可靠性必须通过物理模型， 即离心模型试验来验证。在日本，研究离心模型试验最早的是大阪市立大学 三笠正人( m m i k a s a ) 教授，他认为利用离心模型试验研究土坡稳定、地基 承载力是可靠而有效的方法。他曾利用离心模型研究高9 0 m 堆石坝的抗震稳 定、粘土层内钢板桩的破坏以及软粘土自重作用下的固结理论。此后，日本 除运输省港湾技术研究所建置了半径3 3 m 的大型离心机外，东京工业大学 研究机构也先后建立了类似的小型离心机。1 9 6 9 年，第七届国际土力学与地 基工程学术会议在墨西哥举行，在会上来自英国、前苏联、日本的学者提交 了关于离心模型试验方面的研究论文，研究内容基本上都是土体边坡的稳定 问题。 到了1 9 8 5 年，世界上有2 0 多个研究小组开展离心模型试验技术研究， 分布在英国、美国、日本、法国、丹麦、前联邦德国、意大利、荷兰、中国 等1 0 多个不同的国家。1 9 8 1 年国际土力学与基础工程学会成立了离心模型 技术委员会，以期扩大在该领域研究中各个国家、机构的联系，促进技术交 流。1 9 8 5 年国际土力学与基础工程学会在美国旧金山举办了第一次关于离心 模型试验技术的专题学术研讨会，会议出版了离心模型在上力学中应用的第 一本论文集。这次会议极大地推动了离心模型试验技术研究的发展，成为离 心模型试验技术的一个新的起点。 1 3 2 国内发展状况 我国早在五十年代中期就了解到模型试验在模拟土工建筑物原性状和研 究土力学基本理论等方面的良好作用。水利水电科学院曾收集了一些资料， 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 初步考虑了设置离心机的可行性。长江水利水电科学研究院在前苏联专家的 协助下也着手筹建容量为4 0 0 9 t 的大型离心机，不过限于当时的客观条件， 该项工程未能最终完成。1 9 8 0 年和1 9 8 4 年黄文熙教授先后率团访问英国和 美国，在考察土工离心模型试验技术后指出：“土工离心机模型试验己成为验 证计算方法和解决土工问题的一种强有力手段 ，是“土工模型发展的里程碑” 【2 0 - 2 2 】 o 7 0 年代末，长江科学院建成一台容量1 5 0 酉的较大型离心机，并于1 9 8 3 年正式运行。八十年代上海铁道学院、成都科学技术大学、南京水利科学研 究院、河海大学也分别建造了容量2 0 昏至l o o g t 的中小型土工离心机。在国 家“七五”科技攻关期间，中国水利水电科学研究院建造了一台最大加速度 3 0 0 9 ，容量4 5 0 9 t 的大型土工离心机，该机于1 9 9 0 年建成，1 9 9 1 年正式投 入使用【2 3 1 ，南京水利水电科学研究院也同时建造了一台最大加速度2 0 0 9 ，容 量4 0 0 9 t 的大型土工离心机【2 3 】；清华大学水利水电工程系于1 9 9 3 年建成最大 加速度2 5 0 9 ，容量5 0 甜的土工离心机【z 引。 通过近几十年的努力，我国土工离心模拟技术已取得很大发展，并于 1 9 8 7 年和1 9 9 1 年分别在武汉长江科学院和上海铁道学院召开了两届全国土 工离心模拟技术交流会。与国外主要进行工程机理、验证理论的研究内容相 比，我国在运用离心模型试验研究解决工程实际问题方面形成了自己的特色， 先后结合三峡围堰工程、三峡高边坡工程、瀑布沟坝基防渗墙、小浪底斜墙 堆石坝、天生桥面板坝、京九铁路加筋挡土墙、深圳五湾码头、上海地下铁 道、南水北调穿黄隧道工程、苏通长江大桥超长桩基础等国家大型重点工程 项目建设完成了大量的研究工作，还开展了加筋土机理研究、边坡稳定、非 饱和土、地震液化、新型大圆筒码头结构、软土地基加固机理、污染物的迁 移等方面的基本理论研究。从研究水平和软硬件设施上都与国外基本保持同 步。 1 3 3 离心模拟试验在土钉支护研究中的应用 2 0 世纪8 0 年代以后，随着世界各国离心机的大量建置和国际环境的和 平化倾向，土工离心模型试验在岩土工程领域的应用r 趋广泛，内容涉及土 石坝、地下支挡结构、软土地基、土工合成材料加筋挡墙、岩石边坡稳定、 海洋石油平台、隧洞开挖、冻土工程、环境土力学、爆炸模拟、地震及液化 模拟等诸多方面。近年来，离心模型试验除在传统工程领域如大坝、边坡及 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 挡土墙、地基基础和隧洞、地基处理等方面的研究继续深入外，得益于量测 仪器的发展和模型制备技术的提高，在环境岩土工程、地震工程等新的研究 领域也取得了很大进展【2 引。 近年来，随着土钉支护形式的兴起，国内对土钉支护技术的应用、研究状 况来看，总体情况实践超前于理论，离心模型试验被用于土钉支护的机理研究 中来，还不是很成熟。国内外关于土钉支护方面的离心模拟试验研究的一些具 体成果如下： ( 1 ) 加利福尼亚大学的v u c e t i c ，m ( 1 9 9 3 ) 进行了一系列土钉开挖支护的 离心模拟试验【26 ，通过对模型施加不同水平地震力来研究原型在地震条件下的 稳定性，其中模型的相似比例为1 ：5 0 ，原始边坡高度( h ) 为7 6 m ，模型中土 钉长度长度为0 3 3 h m ) 1 h 。试验表明：模型大多在较高的地震力下破坏，说明 在地震集中区内土钉是很好的边坡支护形式。研究表明离心模拟技术能较好的 模拟土钉支护的动态过程，但是如何将原型的一些边界条件加入到模型中，还 需要作进一步的研究。 ( 2 ) 浙江大学的陈福全( 1 9 9 9 ) 对用土钉加固的边坡进行了离心模型试 验【2 7 】得到了土钉在工作状态时的位移场和土钉力的分布规律。 ( 3 ) 加利福尼亚大学土木与环境学院的m a r kr t u f e n k j i a n ( 2 0 0 0 ) 2 8 】，为 了评价强地震作用下土钉开挖下的变形及稳定性，制作了四个土钉模型，在水 平循环加载条件下，研究其动力以及破坏机理。试验显示每个模型的破坏机理 大致相似，大致分为两个比较明显的阶段。最初，底部的土钉象锚杆一样排列， 导致了土钉墙沿土钉与土接触面滑动，随后，由于持续的强水平地震力的影响， 土钉抗拔能力增加，在循环荷载下，土钉墙在侧向上变形大致表现为一个双曲 线的模式。如果地震力的持续时间足够长，模型产生大变形，将最终导致破坏。 模型试验表明了土钉长度的增加有利于土钉墙的稳定。 1。 ( 5 ) z h a n g j ( 清华大学) ( 2 0 0 1 ) 通过离心模拟试验研究了非饱和粉质粘 土的陡峭边坡开挖支护【2 引。得到以下结论：土钉能显著提高边坡的稳定性， 有土钉支护的边坡破坏深度要大于素土坡的破坏深度；土钉的长度以及布置 密度对于土钉支护的变形及破坏有着显著作用。 ( 6 ) 长安大学的汪班桥( 2 0 0 2 ) 通过土钉墙模型试验【3 们，研究了土钉在 黄土中的变形情况、土钉加固黄土类深基坑的作用机理及土钉的应力分布规 律，并得出主要结论：开挖面的最大水平位移发生在坡项，随基坑深度的 增加而减小。土钉所受的拉应变随时间的延续而不断增加，且土钉的受力 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 、 具有开挖效应，即下层土体开挖对上层土钉的受力有较大影响，各层土钉的 拉应变均有突变增量。不同埋深处的土钉拉应变的分布特点相同，即土钉 中拉应变沿土钉长度呈中间大、两端小的曲线分布。其最大点的连线与目前 所说的双折线的破分布。其最大点的连线与目前所说的双折线的破裂面相拟 合。土钉上的拉应变曲线在靠近面层处也有一个小峰值，对面层有一个约 束作用，可以起到护坡的作用，以防止局部土体脱落滑塌。 ( 7 ) 石家庄铁道学院的杨茜( 2 0 0 4 ) 对深基坑复合土钉支护模型进行了模 型试验研究【3 1 1 ，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1 ：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。在地表沉降量、基底隆起量、支护面的侧向位 移和基坑边壁的深层土体水平与垂直位移等方面进行了观测。试验结果表明： 复合土钉支护能够充分调动周围土体共同作用，有效地控制基坑变形；复合 土钉支护中止水帷幕的插入深度和强度对控制边坡变形与失稳有较大作用； 复合土钉支护效果明显优于一般的土钉支护。 1 4 论文研究目的和内容 本文主要通过离心模型试验，观测不同工况土钉支护边坡的工作状况、 变形性状以及边坡破坏过程，总结出土钉支护边坡的一般变形特征、破坏机 理。在此基础上提出黄土地区隧道洞口段高陡边坡合理经济的支护方案。主 要研究内容将集中体现在以下几个方面。 ( 1 ) 在素土坡情况下进行室内模型实验，确定黄土地区高边坡一定坡率 下开挖的临界高度；并对比分析加与不加支护时，边坡受力和变形规律的差 异，对高边坡的土钉支护作用进行分析和研究。 ( 2 ) 按不同的布置方式( 土钉长度、间距等) 分组进行室内模型试验， 研究支护体系中土钉所受的轴力、剪力和弯矩的传递、分布规律以及土体的 位移场和应力场的变化规律，总结土钉支护的工作性质和作用机理。 ( 4 ) 对实验资料进行统计分析，研究土钉结构参数的变异性对支护效果 的影响规律。总结不同支护条件下边坡的破坏过程，对土钉支护结构的破坏 机理进行分析；结合现场工程施工经验，对土钉支护体系的设计和施工提出 几点意见。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 1 5 论文研究方案及技术路线 1 5 1 研究方案 ( 1 ) 国内外相关文献资料的收集、整理和分析：在国内外，土钉支护在 深基坑开挖、支护中的应用较多，大部分支护工程应用于临时边坡，也取得 了大量的成功经验。通过阅读大量的黄土边坡土钉支护方面的文献，结合国 内外土钉支护在边坡工程中的应用，了解土钉支护的作用原理，土钉支护的 破坏形式，钉土相互作用机理，土钉支护的应用范围，以及土钉支护整体稳 定性分析方法。 ( 2 ) 现场踏勘、测绘及土工试验：通过现场踏勘，从总体上了解依托工 程黄土地区的地形地貌、黄土地层的结构特征，建立黄土剖面的地质模型。 详细调查隧道进出口段地形地貌特征，重点调查黄土冲沟、陡坎、陷穴等空 间位置、发育规模及其对边坡卸荷变形的控制规律。调查黄土节理的类型、 分布、规模及其对边坡卸荷变形的控制规律。从现场采集具有代表性的土样 进行室内土工试验，测试黄土的物理力学指标，为室内物理模型试验提供参 数。 ( 3 ) 室内物理模型试验：采用现场采集的扰动黄土样，根据相似理论， 在室内进行离心模型试验，根据实测的数据进行整理和分析，定性地分析黄 土地区土钉支护的影响因素及其工作性状，并给出经济合理的支护方案。 1 5 2 技术路线 通过对各种研究手段的对比，确定采用离心模型试验来完成本次研究工 作。拟采用的技术路线图如图1 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 隧道明洞段黄土高陡边坡钉支护的离心模拟试验研究 黄土高陡边坡工程地质特性分析 黄土的室内土工试验工程地质勘查 黄土边坡地层结构及地质模型 黄土边坡土钉支护的离心模型试验 图1 - 1 论文研究的技术路线图如图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 第2 章离心模型试验的基本原理 2 1 概述 常规物理模型试验由于是在1 9 的重力场中进行试验，所以对建筑物结构 进行试验分析时，由于受到建筑物结构尺寸和试验时间的限制，很难对其整 体以及在很长运行过程中的情况进行试验分析。而将试验模型通过一定的缩 尺放置在刀倍的重力场中，这些问题就都可以得到很大程度的解决，这就是 利用相似模拟来研究解决问题的方法。离心模拟技术就是其中有代表性的一 种。 离心模拟试验是把土工模型置于高速旋转的离心机所产生的离心力场 中，借助离心力场的作用来模拟土工结构物的自重惯性力。将模型置于馏的 重力场中，使模型材料加重刀倍，将模型中点的自重应力提升至与原型中对 应点等量的程度，使模型满足重力相似条件，使常规物理模型试验中难以模 拟的岩土工程结构物的最主要受力一自重得到较为理想的模拟，从而达到表 现以及模拟原型的目的。 2 2 离心模型试验相似理论 相似理论的理论基础是相似三定理，其实用意义在于指导模型的设计及 其有关试验数据的处理和推广，并在特定情况下，根据经过处理的数据，提 供建立微分方程的指示【3 2 1 。为了满足模型与原型严格相似，离心模型试验必 须在相似理论三个定理的指导下进行： 第一定理( 正定理) ：对相似的现象，其相似指标为1 或相似准则的数值 相同。 一 第二定理( 万定理) ：设一个物理系统有，z 个物理量，其中有k 个物理量 ( 石、2 2 厄) 相互独立的，那么这，1 个物理量可表示成相似准则巧、a - 2 兀一。之间的函数关系。 描述物理现象的方程： ( 石，石，以，靠+ l 兀) = 0 ( 2 1 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 可改写为： 其中： ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) f l r n - k - - 志( 2 - 5 ， 即( n - 尼) 个无量纲万数，可由这k 个独立物理量的幂乘积得到。对于相似 的现象，在对应点和对应时刻的相似准则都保持同值，所以他们的万关系式 也应当是相同的。即： 原型： z ( 巧，死一t ) ，= 0 ( 2 6 ) ，j 、：c 、一v ， 模型： z ( 互，砭，瓦以) ，= 0 其中： 巧脚= 蜀p 乃肼= 乃p ( 2 7 ) 巧，一j i ) 删= 巧n t ) p 第三定理( 逆定理) ：对于同一类物理现象，如果单值量相似，而且由单 值量所组成的相似准则在数值上相等，则现象相似。 相似第一定理和相似第二定理是在假定现象相似的前提下得出的相似后 的性质，是现象相似的必要条件。相似第三定理由于直接和代表具体现象的 单值条件相联系，并强调单值量相似，所以显示了它在科学上的严密性，是 模型试验必须遵循的理论原则【3 3 1 。 = 一 彳 巧 呢 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 3 离心模型试验原理 2 3 1 离心模型试验基本原理 离心模型试验是用离心力来仿真重力，使工程结构模型的自重提高到原 型的状态。离心机在高速旋转情况下，使相似比尺为1 n 的模型处于馏的离 心惯性力场中，只要模型的几何形状，边界条件相似，试验材料与原型相同， 由于惯性力场与重力场在物理上等效，且土的特性不受加速度变化的影响， 这样在模型中某点受到与其原型对应点重力等效的离心惯性力，则使两对应 点处于相同的应力水平，从而满足物理条件的相似性，这便是土工离心试验 的基本原理【3 4 1 。 离心模型原理的j 下确性是基于下面两个物理原理： ( 1 ) 根据近代相对论解释牛顿的重力与惯性力是等效的，所以原型受地球 重力与模型在离心机上受离心惯性力其物理效应是一致的。 ( 2 ) 材料的力学性质主要与电子云内的电磁力有关( 重力或离心力与电磁 相比微不足道，一般的机械设计并未对处于高加速度的机械零件作特殊的考 虑) ，因此在离心力场内土壤的材料性质也不至于改变。 2 3 2 离心模型试验中各物理量的相似关系 ，相似的概念在科学研究及工程设计中起着十分重要的作用。目前，在各 种工程技术领域中，一般都能接触到与相似有关的问题。特别是在近代科学 实验工作中，总要应用相似概念及相似理论。相似的概念首先出现在几何学 里，如我们说两个多边形相似，实际上是说它们的边数或角数相同，同时对 应边保持相同的比例。反过来，如果两个多边形满足了这些条件，它们就是 几何相似的。推而广之，各种物理现象也都可以实现相似【3 引。 而在模型试验中，除了要求几何相似以外，我们更要求模型各物理量在 对应点和对应时刻成比例。在模型相似问题中，常常涉及到以下物理量的相 似问题： 载荷相似：方向相同，大小成比例，作用点相同，分布相似； 刚度相似：模型和原型各对应点材料的拉、压弹性模量成比例； 质量相似：质量大小成比例，质量分布相似； 时间相似：对应的时间间隔成比例，频率成比例； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 速度和加速度相似：对应质点的速度和加速度成比例，或者它们的分布 成比例。 由此可见，所谓物理量的相似，是指原型物理量与模型物理量在方向、 大小、分布上存在某种确定的关系，而各相同物理量之比称为相似常数( 或 称为相似比、相似系数) 即 器相f 懒 如常用的应力、时间的相似常数就可以表示为： 应力相似常数 时间相似常数 仃。 2 考( 2 - - 9 ) t 9 c 2 二 。t 。 ( 2 一l o ) f u g l s a n g 和o v e s e n 根据土工离心模型试验的需要，已经总结了若干工程 问题中常见参数的比尺关系【3 6 】如图2 1 。 表2 - 1 离心试验中的比尺关系 物理量比尺物理量比尺 加速度 n粘滞性l 长度 l n渗透性n 土密度1 摩阻力 1 颗粒尺寸 l颗粒强度l 孔隙比 1粘聚力1 饱和度 l压缩性( 时间)1 液体密度 1惯性1 n 表面张力 1层流1 n 2 2 3 3 离心模型试验相似关系 大多数土工问题是研究土体中的应力一应变状态的变化，从而解决土的 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 变形和稳定问题，所以土工离心模型试验主要是模拟土介质中应力状态，其 模拟条件可用相似原理来建立，以保证模型与原型的相似性。根据弹塑性理 论，模拟土的应力状态与下述物理量有关： 仃= f ( p ，g ，仃，c ，咖 ( 2 1 1 ) 式中的p 、g 、，