基于土拱效应的土钉支护结构稳定性分析.ppt

基于土拱效应的土钉支护结构稳定性分析,摘要：土钉支护结构整体稳定性分析作为土钉支护设计中的关键验算项目，直接影响到土钉支护结构的正常运行。本文从土钉与土体之间相互作用原理出发，运用土的塑性理论和土坡的极限平衡分析方法，提出了基于土拱效应原理基础上的土钉支护结构稳定性分析的新方法，并与现行规程方法进行比较。研究表明：土钉直径和间距对土钉支护结构稳定性的影响远比规程方法的要大。关键词：土钉支护；土拱效应；塑性理论；稳定性分析,0前言,深基坑土钉支护弥补了土体抗拉、抗剪强度低的弱点，同时改变了基坑（或土坡）的变形和破坏性状，以提高地基土的整体刚度和稳定性，确保基坑的稳定。现行规程的土钉墙整体稳定性分析是运用瑞典条分法，仅考虑土钉的锚固抗拉作用，计算穿过最危险圆弧滑动面的土钉与地基土之间的锚固力（抗拉力）对滑动土坡所提供的抗滑力矩。然而，笔者在土钉基坑支护的工程实践中发现，土钉墙的变形及其稳定性很大程度上取决于土钉的注浆质量，而对土钉浅部实施二次注浆也能有效防止土钉墙地表裂缝的产生，有效控制土钉墙的变形。为此笔者认为土钉在土钉支护结构整体稳定性中所起的作用不能简单地用土钉的抗拉作用来描述，而应考虑土钉对基坑（或土坡）的加固作用。为此本文从土钉与地基土的相互作用原理出发，运用土拱效应原理，研究土钉支护结构的稳定性。,1土钉土拱效应分析,在基坑开挖过程中，由于不平衡土超载的作用，基坑（土坡）产生侧向位移，甚至会产生塑性流动破坏。在土钉支护结构中，由于土钉的存在，一方面可以有效地阻止土坡的变形，从而增强其整体稳定性；另一方面，由于土坡的变形对土钉产生相应的作用力，土坡与土钉之间建立了作用与反作用的受力平衡体系。如上所述，由于土钉之间存在着一定的间距，当土坡产生位移时，地基土会在相邻土钉间产生挤出的趋势，同时由于土钉与地基土之间存在摩擦作用，将在土钉与其周围地基土之间产生土拱效应。,1土钉土拱效应分析,随着土的抗剪强度的发挥，会在沿着滑动面方向形成大主应力拱，将土钉间地基土的侧压力传递到两侧的土钉上，即相邻两土钉提供了大主应力拱的拱脚，保证了土钉间地基土的稳定。土钉与其周围地基土之间的土拱效应分析见图1，土拱由圆弧环BBAA组成，若地基土为Mohr-Coulomb材料，则图中的a，b依次为p/4-j/2和p/8+j/4。,2土钉受力分析,由图1可知，土钉作为大主应力拱的拱脚，承受着由于土体水平位移而产生的土压力的作用（如图2所示），由于土钉之间存在着一定的间距，作用于土钉上的土压力有别于朗肯主动土压力。ItoandMatsui曾将土和桩分别作为Mohor-Coulomb材料和刚性体，考虑软弱土体从排桩间产生挤出的塑性变形，利用土的塑性理论建立了位于边坡中的排桩承受边坡滑动时的极限侧向土压力，并用室内模型试验进行了验证。这为土钉支护中的土钉极限抗滑设计具有指导作用。ItoandMatsui所提出的作用于排桩上的侧向土压力的计算式为,2土钉受力分析,2土钉受力分析,就土钉的受力而言，土钉所承受的滑动土体p(z)的作用力，只有靠锚固于稳定土体中的土钉来维持平衡，即只有当土钉穿过最危险滑动面时，才能对土钉支护结构起到抗滑作用。为此，在设计土钉支护结构时，土钉应穿过最危险滑动面，则由图2可知，位于最危险滑动面以内部分的土钉承受式（1）大小的土压力的作用，而在最危险滑动面以外部分土钉的土压力可按土钉承受弹性抗力进行计算。则由图2可得，土钉的微分方程为式中kh为地基反力系数（kN/m3），D为土钉直径。土钉与面层之间可视为固定连接。,2土钉受力分析,3土钉抗滑效应分析,由上述可知，土钉在土钉支护结构中的抗滑作用是通过土钉之间所形成的土拱效应来实现的，则可根据土钉与土之间的相互作用原理计算其对土钉支护结构的抗滑作用。分析土钉的抗滑效应可按如下步骤进行。,3土钉抗滑效应分析3.1确定土钉的长度,图3为分层开挖（模拟逐级开挖施工）时土钉长度的确定方法。图中圆弧1为开挖第一层土体并设置土钉时的最危险滑动面，圆弧2为开挖第2层土体并设置2排土钉时的最危险滑动面，以此类推，此时的整体稳定性安全系数均应满足有关规范的要求，由此所求得的稳定安全系数仅能说明土钉已具有足够的入土深度以满足其整体稳定性要求。,3土钉抗滑效应分析3.2土钉受力分析,作用于土钉上的土压力是由于基坑开挖过程中地基土产生滑移、在土钉间产生土拱效应所致，为此在计算土钉上的土压力时，首先应确定滑动土体，即应求得无土钉时的土坡的最危险滑动面（如图4中的圆弧滑动面），然后根据图4和式（1）计算作用于土钉上的土压力p(z)。,3土钉抗滑效应分析3.3土钉抗滑力矩计算,利用作用与反作用的原理，就土钉支护结构而言，作用于土钉上的反作用力-p(z)对土钉支护结构起着抗滑作用，将-p(z)对图5中的圆弧的圆心取力矩，即可求得土钉对土钉支护结构所提供的抗滑力矩。由此可求得土钉支护结构的整体稳定性。,4算例分析,某一基坑工程，位于深厚的淤泥质土地层中，开挖深度为4.0m，场地土的物理力学性指标为：固结快剪强度指标为c=8.0kPa，j=10，天然密度为g=16.5kN/m3，土钉锚固体的极限摩阻力为16kPa。采用土钉墙基坑支护结构型式，土钉墙结构剖面如图6所示，土钉墙由上下3层土钉所组成，其长度依次为9.0，12.0和9.0m，水平间距均为1.0m。,4算例分析4.1稳定性分析比较,取土钉的水平间距为1000mm，土钉直径为100mm，以下利用文中的方法分析土钉墙的整体稳定性，同时与规程的方法进行比较，计算结果如表2所列。,4算例分析4.1稳定性分析比较,4算例分析4.1稳定性分析比较,由表2可知，按文中方法计算所得的土钉墙整体稳定性系数明显比按规程要小，说明在基坑开挖过程中，基坑的破坏型式为地基土从土钉之间产生流动，而不是土钉的抗拔承载力不足。在土钉墙设计时，土钉往往为梅花型布置，当基坑较深或土质较差时，通常采用超前支护的办法，以有效控制土钉墙施工时流土现象的产生。,4算例分析4.2土钉直径的影响,取土钉的水平间距为1000mm保持不变，依次取土钉的直径为0.0，60，80，100和120mm，分别用文中所述方法和规程方法对上述土钉墙进行整体稳定性分析。表3为基坑开挖至4.0m、土钉墙施工完成时的整体稳定性安全系数。,4算例分析4.2土钉直径的影响,由表3可得，按规程方法计算时，即使设置较小直径的土钉，也对土钉墙的稳定性起着很大的作用，而随着土钉直径的增大，对其稳定性的影响不大；由文中方法计算可得，设置较小直径的土钉对土钉墙的稳定性作用甚小，只有当土钉具有一定直径时，才能对土钉墙起到稳定性作用。大量土钉墙工程实例证明：不少土钉墙产生失稳的主要原因在于土钉注浆效果差而致，这也证实了文中方法的分析结果是符合实际的。,4算例分析4.3土钉间距的影响,取土钉的直径为100mm，依次取土钉的水平间距为600，800，1000和1200mm，分别用文中和规程方法对上述土钉墙进行整体稳定性分析，表4为工况4的土钉墙整体稳定性分析结果。由表4可得，按规程方法计算时，土钉的间距对稳定性的影响不大，而用文中方法计算时，土钉的间距对其稳定性影响颇大。,5结论,本文从土钉与地基土之间的相互作用机理出发，研究了土钉在土钉支护结构中的抗滑作用，并提出了考虑土拱效应的土钉支护结构整体稳定性分析方法，并与规程方法进行了比较。两种方法比较表明，在工程的一般土钉间距的条件下，文中方法比规程方法的稳定安全系数要小。由理论分析可知，按土钉的抗拉极限承载力进行土钉支护结构的稳定性分析时，夸大了土