土钉支护系统稳定性数值研七

3.土钉对土体支护机理研究对土钉支护机理的认识，目前一般认为它是以新奥法（NewAustralianTunnelingMethod)理论为基础，在土钉体作用下，把潜在滑裂面之前主动区的复合土体视为具有自撑能力的稳定土体，以阻止土体侧向位移，支承未加筋域土体的侧压力，保证土坡的整体稳定性【8】。即认为经过加筋的土体形成类重力式挡土墙—土钉墙，土钉的作用机理类似于挡土墙。作者认为这种观点对于解释土钉支护结构的外部整体稳定性（抗滑、抗倾覆、支护结构底部土体极限承载力）是合理的，然而却无法解释支护结构内部稳定性及与钉土相互作用有关的许多问题。因此这种观点是片面的。更何况土钉支护系统的设计并不完全是按挡土墙的概念进行设计的，实际上土钉支护机理极其复杂，它与许多因素有关，例如土体的物理、力学指标，土钉本身的强度、几何尺寸、布置方式等。由土钉作用机理的复杂性，仅仅将土钉支护结构当作“土钉墙”来研究是远远不够的，将土钉支护结构称为“土钉墙”也是不太科学的，因此本文将抛弃“土钉墙”这一概念，采用具有广义的“土钉支护系统”这一术语来研究土钉支护的机理。目前对于土钉支护结构的研究有三个途径，即试验研究、理论分析、数值模拟研究。由于影响土钉支护机理的因素复杂多样，因此试验研究目前在土钉支护技术研究中占据着主导地位。许多理论分析所得到的模型和一些结果都是通过试验研究来验证、提高的，尤其在计算土钉支护结构的变位时，几乎全是建立在1:1现场试验结果的基础上的。因此，土钉的试验研究是了解土钉支护的作用机理极为重要的环节。目前对于土钉作用机理研究的试验可以分为室内的直剪试验、离心模型试验、室外的现场抗拔试验、1:1现场试验。由于受经济条件所限，在离心模型试验和1:1现场试验方面的研究工作进行的寥寥无几，在国外法国、意大利、美国及英国都进行过此类试验研究，国内目前还没有这方面的研究见诸于文献，大多只是开展了室内剪切试验、模型墙试验、及现场的土钉抗拔试验研究工作。3.1土钉抗拔试验分析土钉抗拔试验是土钉支护工程中最常用、最直接的试验。利用该试验可以确定单位长度土钉的抗拔力，继而为确定土钉支护结构的设计参数提供直接的依据。同时，土钉的抗拔试验也是衡量土钉施工质量好坏的一个标准。研究土钉抗拔机力，掌握抗拔作用下的应力与应变、拉力与位移等关系，能为土钉支护结构的合理设计提供理论上的指导作用。当前，工程界常假设剪力沿土钉均匀分布，根据抗拔试验结果，利用下式来估算钉土剪切面处的最大剪应力（极限抗剪强度）。(3.1)式中，为钉端拉力,,分别为土钉的直径和长度，为土钉平均深度处垂直应力,为钉土切向剪切面处的粘聚力和内摩擦角。实际上按照（3.1）式计算的剪应力既不是局部剪应力，也不是平均剪应力，而是整体剪应力（globalshearstress)【51】。Schlosser和Guillious(1984)提出了土钉抗拔时最大剪应力（极限抗剪强度）的计算公式为【49】(3.2)式中，为钉土作用面处的似摩擦系数，为土钉横截面周长，为土体粘聚力，为土钉的直径，为土钉平均深度处垂直应力。实际上，土钉抗拔作用的机理较为复杂，远非以上两个简单的公式所能描述。影响土钉抗拔作用的因素较多，主要有土体的物理力学参数、土钉的刚度、钉土接触面处的特征，土体的剪胀（缩）性、剪切面处介质的应力与应变关系等【50,6】。Guilloux等所做的土钉抗拔试验表明，当钉土的相对位移达到时，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【6,50】，并非如以上两式中的呈线性变化。这是由于似摩擦系数随深度的减小被土钉上部的超载()所平衡的原因【6】,试验表明，钉土间的相互作用与应力应变的关系极为密切。按照公式（3.1）、（3.2）所描述的剪应力与埋深（体现在中）的线性关系是与实际不太相符的。因此应从应力-应变的关系来研究土钉抗拔试验的机理，R.JohnByrne【41】曾利用应力应变关系研究了土钉抗拔作用，该文对于土钉抗拔时的剪应力与剪位移关系曲线的阶段性没有考虑，并且忽略了土钉刚体位移部分是土钉抗拔试验位移的一个重要组成部分的事实。本文将根据土钉抗拔试验实测的剪应力与位移关系曲线，建立土钉抗拔力学模型，用解析方法来研究土钉的抗拔试验。3.2土钉抗拔荷载传递机理当拉力逐渐施加于土钉拉拔端时，靠近拉拔端处的土钉单元受到拉伸而产生相对于土体的向外（与拉力方向相同）变形，与此同时土钉侧表面受到土体的向内摩擦力。土钉荷载通过所发挥出来的侧向摩擦阻力传递到土钉周围土体中（降低了土体的分担作用），致使土钉的轴向拉力和土钉的拉伸变形随土钉的长度方向而递减。在钉土相对位移等于零处，其摩擦阻力尚未开始发挥作用而等于零。随着荷载的逐渐增加，土钉体的拉伸变形量和位移量逐渐增大，内部土钉段的摩擦阻力随之逐步调动起来，内部土钉段处周围的土体因此而产生摩擦阻力；当土钉周侧的摩擦阻力全部发挥出来达到极限状态时，土钉周侧土体发生剪切破坏，位移增长速度显著增大并收敛与一常数，土钉以均匀的速度而被拔出。版由此可见，抗迫拔作用下钉土构系统荷载的传饶递过程可以简椅单描述为：土生钉的位移和轴狱向拉力向内（抄沿长度方向）扑递减，土钉周稻侧的摩擦阻力绞向内逐步被调雕动起来。喂3镜.3歼抗拔作用的力亭学模型邮土钉蓄【乌49,52蜜】欢与钢管队【盒53造】泄的抗拔试验的祸剪应力暗-尖位移关系可简件化成图滤3-1沾所示的实线部福分业,稳这种剪应力束-清位移关系曲线牙在形式上和高眉强度有纺土工杀织物加筋土抗炼拔试验的剪应肚力录-味位移曲线称【冶51贱】蚂极其相似。个为了建立土钉贿抗拔作用的力砍学模型，首先旬应分析抗拔试枕验时的剪应力器-陈位移曲线。土纱钉抗拔作用下界的剪应力苦-孝位移曲线根据社文献腹【弱1,5,6目】彩可简化成图鼻3-1渣的且段和倾段。毅段表示随着位哄移的增加，剪作应力与位移呈配非线性增加，说表现为土体被垄压实，并具有咽弹性体性质；读段说明了当钉滤土间的相对位细移达到一定值究(盈)开后炸,意钉土间的剪应盼力保持不变，歪整个土钉发生书均匀移动，土炊体已发生剪切心破坏。括肆根据图唉3-1,蛾可以写出下面嗓的表达式。掩透当怨时；欣过兽(3搞.3)疼壳备竟夺当盐时；磨脏新(3.恭4)烟峰以上两式中的棍为峰值剪应力急，突为达到峰值剪枕应力时所需的督最小位移，炭表示土钉懒断面处的位移昨（见下文），断为剪切变形系失数砌(浮kPa/m)扬，其值与土体凭性质、土钉表巾面的特性、土盆钉上部的垂直咏应力大小等因夏素有关。可根暴据实测资料计僵算或根据表构3-1脖确定。遥设土钉钉头（锁土钉与面层交圣点位置）作用厅着大小为缸的拉力，土钉成的长度为委,徒以土钉自由端舍为坐标原点，近土钉轴线为坐缸标轴建立如图愈3.2(a)余所示的坐标系岂。沿坐标方向连，在距离坐标硬原点位置为址处取一长度为象的单元进行分午析，取堤方向为作用力壤的正方向娱,宗根据单元的平滤衡条件有方碗消翅(3.5盾)奉式中，痕为土钉直径，骡为场截面处的轴向域拉力。狡根据土钉拉伸探变形争与轴力订的关系有：预城净构(3歼.6)断面的轴力为瓣瓜远辱(3.缓7)惠上式中，牺,棍为有效土钉模息量，圣分别为土钉的粉浆体及钢筋模尘量，愿分别为土钉的墨浆体及钢筋的峰横截面面积。肺根据交断面处力的平种衡条件得即进皮写任(3.8献)压土钉任一截面奴处的位移等于梢土钉的刚体位代移与土钉拉伸驼变性之和，则挽断面处土钉的洗总位移为垮索仪(3.9喝)班式中犹为土钉萝断面处土钉的倒拉伸变形量，词为土钉刚体位擦移。由于土钉维自由端不受拉印力作用，因此你自由端的拉伸涌变形量为零，便其位移即为土评钉刚体位移。层上式对蝴求一阶导数得津震队女粱(3.10)斧将庸(载3.8)应式代入上式得皂弯绝度(3预.11)疏上式对凡再求一阶导数锅得防贴海奔内(云3.12)击方程（眠3.12猜）可以写成下掀面的形式赏叛伤当毁时；模摧再(3.13态)志龄当劲时；姻登左(3.1用4)凝方程（倘3.13酿）的通解为嘴踏湖渗用(3.15)膜方程流(轿3.14)荒的通解为走演块依惩宜(3.16摘)臂上式中郑留，骑表示土钉对土是体的相对刚度唉，其量刚为长声度。缓钢管抗拔试验响【胡53箩】扩和加筋土的抗南拔试验日【呆5鸣】隆表明，在土体梢未发生剪切坡妻坏前（受拉杆蓝件为发生均匀拼移动前），拉倡拔端的位移最粉大；位移由抗斥拔端向自由端债逐渐减小到零舰。由于钢管常梯在工程中被用系作打入式土钉依或注浆式土钉秩的拉筋，因此极，文献杆53者中的抗拔试验柿等同于土钉的休抗拔试验。因鱼此当极时，摸，土钉的位移桨最大。在土钉野被拔出的过程获中，土钉各点栽处的位移相同线，即土钉发生映均匀移动，开猪始发生抗拔破省坏，不会存在籍的情况。因此漏应该只考虑圈时土钉的受力是及变形情况。拼将方程渡(激3.16)叹代入到方程夏(剧3.8)歼中得券挎(3.广17)固只要确定了系船数考,税，测得剪切变羡形系数座，就可以计算携出位移、轴力侧、剪力沿土钉吴的轴向分布规帮律。印,迫根据下面的边杀界条件确定。妖1)阳当丈时，巩,曲代入到盟(丛3.17)寨式得出烂止艺见总协(落3.18)近2)金当迷时，趣,衫代入到绍(旨3.17)稀式得肝叶敞(3.19智)构上面两个边界缺条件还不能确梨定怕的值，还需一怜个条件。当土附钉某个断面的基位移（或轴力疼）已知时，则飞根据位移表达叛式（或轴力表拉达式），并结卧合扮(刻3.18)栽、呀(胁3.19)乐两式便可以确吴定出系数乞的值。考虑到抵工程中经常测勒量土钉拉拔端必处的钉头位移翻，在此仅对该涝情况进行分析驴，对于土钉某亭点处的位移或脸轴力已测得的剧情况，其分析航方法是相似的怀。银假设土钉钉头姿处的位移实测喘值为要，将丢时，已代入方程貌(舞3.16)苗得色陕瑞托寸津(3.采20)励令滤,扰由方程气(瓦铁)款、趣(粒逝)注、救(夸死)骗解得些3俗.4应工程实例分析妹北京方庄住宅诱小区芳城园吼1避号楼工程基坑关深随11.2-1膀2.0m境，采用土钉支耻护，为了了解系土钉的工作性泰能，实测土钉机的抗拔力而做位了四组土钉抗雁拔试验。现对塑编号为帝01确的土钉试验进墨行分析。该土叙钉处于粉质粘罪土层中，试验超结果见表逼3-1更，试验的拉力目-责位移曲线见图央3.3-a蹦中的折线。兵表吓3-1:答01纯土钉抗拔试验绵记录表协土层类别鸭土钉资料己注浆资料督检验荷载友(化kN)笨油压表读数悄(饱MPa)个钉头位移读数内(烦mm)锻位移增量吗(存mm)串水泥浆，水硬48椅10拨15酸φ甲28失钢筋，壁与水泥之比阿99洪20片18图3激粉质粘土趟长度嫁6m渐，欠为晓0.45:1蛇，傻123旧25罩20珍2离倾角际10偏°肤泵压注浆决138奋28阻23党3签168位34特25隔2刺根据试验结果墓，采用下面的搜算式近似确定律剪切变形系数圈上式中助乓为试验加载次椅数，世，剃分别为相邻两疑次荷载增量与到钉头位移增量誉值，喜为土钉的倾角献。溪图更3.3届中的各条曲线逗是根据上面推雀导的公式所计篇算的最后一次林抗拔加载的结由果，计算中选惹取的参数见表旷3-2驻根据计算结果纲所绘制的曲线垮图可以看得出尺，轴力随土钉还位移的增大而伏增大，理论曲携线与轴力等于断拉拔荷载时的品实测曲线基本忍吻合葡(立图赠3.3-a)胳，剪应力坏-垄位移曲线、剪习应力庄-搏轴向坐标曲线御、位移胜-保轴向坐标曲线说呈线性递增关云系变化。这是贿由于采用了图显3.1配中的剪应力恨-筝位移关系的线搬性简化模型。责所有这些曲线样的变化规律和却前面所分析的颂土钉抗拔荷载劈传递机理规律征是一致的。所稻有这些曲线关稳系很好地说明翼了抗拔作用下抄钉土系统荷载谱的传递过程，总即：土钉的位赴移和轴向拉力徒向内土钉自由斩端方向递减，榜土钉周侧的摩盈擦阻力向内逐羊步被调动起来虽。从图报3.3-e蹈可以看出，土闭钉自由端处的滋位移量不为零川，说明土钉开然始被拔出，该单点的位移即为职土钉的刚体位放移。从图中的壁曲线可以看出严，在土钉被拔侄出前，土钉位晶移量的大小对含于土钉轴力及蜻剪力的分布起馒着决定作用，场因此土钉支护女设计中应采用洁荷载传递函数策来确定土钉的萄极限平均抗拔捎力。即根据轴与力与位移关系忠来确定土钉的基抗拔力，这样善才能与实际相直符。圾目前土体剪切涂变形系数最常画用的方法是根行据实测的剪应秩力障-策位移曲线，按帖照最小误差条扣件来确定丰【慧53东】势，在缺少试验纵资料的前提下史,顿剪切变形系数蜜可按照表泥3-3西确定碗【吩53棵】阶。侨表乞3-2智计算参数表州土钉长度氏(缴m)右土钉倾角找(使)倒钻孔直径丧(铲m)干钢筋直径廊(读m)烟钢筋模量示(惯MPa)暗混凝土模量毒(察MPa)足拉拔荷载秆(术kN)些钉头位移木(双m)旋剪切变形系数梳(某kPa/m)症6霸10腐0.13伟0.028半210供20满168假25僻2550家值得注意的是袄，该表中的数斥据是根据表面光光滑的钢管抗就拔试验结果统则计得出的，对降于打入式土钉遇有很大的参考痒价值。但对于停注浆土钉则不浑太适用。因为杆注浆土钉的侧胡面比钢管侧面辉粗糙得多，因腾此土体颗粒与日浆体之间出现免嵌锁现象，由熄于嵌锁作用，躲土体与土钉间纷产生高摩阻力恩，提高了剪切水变