土钉支护系统稳定性数值研

PAGE1PAGE9土钉支护系统稳定性理论与数值研究贾立宏（总工程师办公室）前言土钉支护系统自八十年代引入我国以来已广泛的被应用于建筑、交通、铁路等与岩土工程有关的专业领域。我院自九十年代初开始在北京市地区应用这一技术，并开展了一系列有关土钉支护设计的研究，经过对土钉技术广泛的应用和深入研究，在设计理论和施工方法逐渐完善，最近各行业规范也渐渐出台，伴之而来的各种土钉设计软件也日趋成熟。土钉支护系统之所以如此广泛和快速普及，主要原因是它在各类支护方法中可靠性与造价比最为合适，受到投资方的欣赏，又由于施工方便，可使用简陋的施工工具施工，适应市场的能力比其他支护方法都强，从而造成激烈的市场竞争，与最初的土钉支护系统造价相比，现在造价降低几乎一半。这一现象外在的表现是深基坑土钉支护系统事故日渐增多，造成的损失加大，充分体现出深基坑土钉支护系统的风险性，同样既经济又安全的土钉支护系统设计理论和方法的研究呈现出其重要性。本课题研究的目的是从计算力学角度出发，试图将土钉系统的变形行为描述建立于固体力学基础上，并考虑到施工过程对支护系统应力场、变形场和稳定性的影响，将计算力学方法引入到土钉系统设计中，摆脱传统和现在流行的条分法。本课题的研究分以下方面：论证现在流行的设计方法－条分法的缺陷，指出该方法在土钉支护系统设计中致命弱点。使用非线性有限元方法模拟深基坑土钉支护系统的成形过程，由此研究土钉与土体的相互作用和对土体的加固机理，并给出确定土钉设计长度的基本原则。2.条分法在土钉支护设计中的缺陷在岩土工程中计算边坡稳定性和土钉支护系统设计中，以及在将要出台的土钉支护设计规范中，都使用条分法进行设计和计算，对大部分工程技术人员，许多年来从没有怀疑过条分法的正确性。尤其在土钉支护系统设计和边坡稳定性分析中，现有的设计完全是以条分法理论为基础，在众多土钉支护系统的事故后面，除了对施工环节的反省之外，也使我们不得不对其设计理论的正确性进行一些理论反思。本章针对条分法在数学和力学理论上的谬误来论述该方法对工程的危害，并提出措施来纠正由于该方法所导致设计上的不足和对土钉支护系统设计未来正确发展的展望。2.1条分法在数学力学方面的基本错误为了论述的方便，将条分法的基本概念简述如下：图1条分法计算模型图2分条单元内力分析为了将彼得森（K.E.Petterson）的圆弧滑动法应用于φ>0的粘性土，将滑动土体竖直划分成若干刚性土条，如图1所示，取第i个土体进行静力平衡分析，如图2所示，其中Ni、Ni+1为法向力，Wi为第i个土块的重力，Qi、Qi+1为切向力，hi、hi+1为法向力距滑移面的距离，该土块相对应的圆弧段cd的长度为li，其上作用着法向力pi和切向摩阻力fi，fi中包括粘聚阻力cili和摩擦阻力Nitgφi。由于第1块土条的边界条件是已知的，所以可依次推导出各土条的内力，当推导至第i个土条时，图2中的Ni、Qi、hi是已知的，待求未知量为Ni+1、Qi+1、hi+1、pi、fi五个，由理论力学的静力平衡原理可知，对该刚性土条块可建立3n个静力平衡方程和n个极限平衡方程，共4n个方程的方程组：这里FS为安全系数。对n个刚性滑动土块，条块间的分界面有(n-1)个，则各界面上力的未知量为3(n-1),滑动面上未知力数量为2n个，加上待求的安全系数FS，总计未知力个数为(5n-2)个。而方程组(1)仅有4n个，待求未知量比所能建立的方程多n-2个，这种情况在力学中称之为超静定问题，直接无法求解。为什么会出现上述问题呢？这是因为我们研究的土体从本质和客观上讲是变形体，而需要求解的也是变形体的内力，由固体力学的基本概念出发，如果不引入变形体的变形协调条件，是无法求解超静定问题方程（1）的。条分法在这里犯下了致命的错误，它企图躲开变形协调条件求解粘性土体的内力以判断稳定性问题，这样在理论上是不可能的。为了将不可能强行变成可能，条分法对图1所示的力学模型引入了各类假设条件，从而得出不同的条分法，这些假设大致可分为三类：(1)设条块间的相互作用力为零或不计其影响，例如瑞典条分法和毕肖普法；迹(2馅)夜设定条块俱间的作用际力的方向周或规定条斥块界面间妇法向和切勤向力的比啦值为已知租，如折线唯滑动面法历；暗(3)第盏设定条块悠间力的作吹用位置，枪即早h蝇i俊和倒h丈i+1叼为条块高鞠的兆1/尾2征或系1/滚3袖，如普通膊条分法属盘于这一类咏。红这里我们蹄分析这些甲假设在力垄学理论上蚊是否合理止。嫩碎在第一类助假设中，搏实际是蚕令悠Q猜i含=0灶和御N喷i至=0专，这一条辩件的给出通过财于金“竖粗属暴塌”刻。首先众问所周知条闻块间的相笨互作用力场的存在是福肯定的，尝所以这一宜假设缺乏宇客观性；岛其次，在絮工程中，湾当某一分田量被视为迈零时，通县常是因为捡该分量对汽工程客体字的行为所报起的影响勿是非常微怒小，甚至古可忽略不后计的，而许在这里并过无法从数日学上证明亩条块间的窜相互作用畜对粘土坡平的稳定性纯是可以忽弓略的，即踢使纲当状N汗i赵→炮0斤和悲Q超i灿→述0巷，也不能丸证明稳当多N局i循=抽0披和勒Q贱i喝=伪0桑时方程组乖（膝1旷）不产生企突变或变桶异，或病来态解，所虚以前N悉i幕=绪0兵和政Q末i意=秘0罪的假设极崭可能导致缘所得的解偶完全不是淡方程派（传1凭）的。宽拍第二类和职第三类假照设比第一涌类假设更患为谎谬，耐当令某一消量为零时茶，还可以扇强词夺理歪的声称该茶分量在求虽解时对问平题的影响油极小，可淋忽略不计广，那么在嫩毫无理论席证明和工少程实践证债据的情况举下，强令膛某些量等爪于某个具毕体常数，电这种作法灶毫无科学井性而言。球试想，对颜图运2反中稀的饺h太i党和局h则i+1金随意确定材为某一浙值牺α挥，而该问垂题的真值轰为际β盒，且爹有你‖连α浪-是β犹‖述=寄Δ据>愿0糠，这样以不来本该在升方程谱（对1伴）条件下滤处于静止瓦平衡的条短块谎abc纤d辆却因为力谈矩无法平避衡而在平调面中旋转怪起来，这缝种情况下使方程秆（芬1签）得出的少内力解简会直不值得吉在此浪费花笔墨版面死去批驳。著2.2低条分法的芬谬误在土迷钉设计中否的误导笔上面本文太论述了条蛋分法在理撤论上的谬塑误，这种抢谬误在应趋用于工程授设计中会活产生何种名后果呢？做近羞5全年来，在买深基坑工啄程中，土臣钉支护系再统被普遍盗应用，所孝以土钉支边护系统的絮设计逐渐悄规范化，冠土钉支护伴系统设计伍和施工规怀范也将在慌未来的几减年内出台舟，与此同问时深基坑抵支护设计堵软件如雨沿后春笋，食在工程和征软件商业罩的背后必畜须清楚的味认识到在近土钉支护屈系统设计哲方法存在贺着一个理厅论错误的饺陷井，即冠由条分法桂所给出的咐所谓滑移中线与实际醉土体的滑军移线有多怠大出邪入持?毙由此设计值的土钉长攀度又有多嫁大的可信卷度陆?华现在是否剖有正确的雨理论来解旱决上述的骄问题？量刷首先应该插确定的是城现有的力鼓学理论足县以解决也船已经从理牧论上给出亡了土体稳劲定性问题默的比较严后格的理论纤解。早在珍本世纪四坟十年代前册苏联学者口索科洛夫骨斯基首先它应用滑移谜线法求解愿塑性平衡要问题，管从商194仍2哀年始叙至扶196饰0俱年之间建艘立完成了咱松散介质烦塑性平衡吗的静力学篇理论绿[1]丧，近年来多我国学者旬在松散介蚀质静力学声、动力学炸方面作出约许多重要树的工作，蛇在一定程牧度上解决慰了土坡和序岩体稳定弦性问题、节采矿的放阵矿问题和坟流沙的运云动问题侨[2筝]隆、池[3]司。丈富土体边坡惕的稳定性宴问题在连上续体力学询范畴内属驾松散介质苏力学耕学科，这尤门学科针财对的是以读莫尔－库俊仑破坏准摩则为主的哨介质，解容决问题的低主要方法钞有两扎种贿:烫滑移线方剑法和极限哈平衡法，缩这里的滑送移线法与穿条分法中呈的滑移线合完全不同接，它是建泊立在严格点的塑性力铅学理论基渐础上的，测具体理论薯和结论将拉在今后专荡门讨论。期既然我们址已经有现桑成的正确壶理论可以利使用，何宪必仍然使领用错误的被方法呢？关土此外边坡翼的滑移的疗确沿某一馅滑移面运喇动，但这植仅是最终奏结果的外衫在现象，献这一外在吸现象仅仅邪是边坡开泉挖过程中养产生的次杨生应力场第导致的结体果，而并斗非边坡失序稳滑移的脾原因，对规于土钉支浴护系统的腔设计来讲推，得到边泪坡滑移面顽并不是目饱的，目的识是要使土四钉或锚杆重足以稳定朋边坡的运皱动。所以移完全按照派滑移面位晌置而忽略总开挖后边炉坡内的应码力分布去晚设计土钉测或锚杆长圈度是错误翼的，对土筛钉支护系炕统的设计守和对边坡渠稳定性分露析的根本母在于开挖镇过程和开吃挖后土体床内最终次趁生应力的柏分布，如狼果不去研首究或对这棕种次生应洪力场分布夜毫无概念射，就无法型正确认识取土钉支护科系统对边降坡稳定性村的真正作彻用，也无构法对土钉锯所产生的泉次生应力剖场对边坡寻失稳趋势赖的次生应浑力场的影舒响作出正着确判断。枯现有土钉谦支护系统垮和其它形味式的边坡旦支护设计匹软件的最丈大弱点就盘是从不给雅出边坡土急体开挖后脸的次生应消力场分布燕，其结果紧就象用黑内布条蒙住县设计者的得眼睛，而邻仅把设计错者的脸对炼准靶标，犹让设计者杀向这个靶渡标射击，钉打到靶标婚和打不到含全凭运气搅。允2.3棵条分法的径谬误在土鲁钉支护系榨统设计中镰的校正盐浪在我们还冒不能从条娱分法的谬柄误中挣脱辟之前，而拘又不能束览手无策的艇陷入到这菊个沼泽中朽，唯一的游办法是在致正确认识蚀条分法的酒前提下，卡对边坡开叛挖过程中峡累积的次换生应力场瓦分布进行北深刻的研证究并建立据正确的概叼念，基于酒对边坡开别挖次生应傻力场的认陪识和现场延实践，提恭出如下设叙计原则对板条分法的终计算结果鸽进行校正宰：惭(1)誓泻在基坑上栽部的土体美往往是填普土，而且顾经常有各是种形式的展超载存在录，所以这邮一部分的越土钉应加惩密，水平纠间距最好泰在帜1.2岩m奴以下，土胁钉长度应瘦确定为最弹长。这一乌原则似乎倡与条分法腹所得结果集一样，但助所依据的遍原理不同搁。土钉加德密是为了冻使松散性盘质的填土屯强度得以牺提高，从邀而提高填量土承受基澡坑超载的肯能力，起黄到加固作随用。土钉筑的加长是戒为了提高柴土钉支护朴系统的抗吗倾覆能力泡。因为在距基坑上部鼓土钉支护丧系统所受刺到的水平靠推力对基训坑根部倾略覆旋转的阿力矩最大寻，为了抵且抗这一力语矩产生的廉边坡倾覆绪趋势，只体有加长和冶加密土钉部才能幅提供足以甘抵抗倾覆蛙的能力。披（阅2屈）在基坑岛下部，如割果按照条占分法的滑炸移线，该度处土钉长遥度应最短造，但是如顺果根据开捞挖后次生爆应力分布尊，这一部藏分实际最狂为危险，桐主要原因市是：洪①亚基坑开挖矛的过程实叔际是土体润应力逐渐张释放的过啄程，在基骂坑底部由串槽底和边悠坡形成的么坡角恰好齐是应力集适中区，这圆里应力出局现峰值，棍从而可能谢造成该处乒土体进入验塑性状态宜，使其强蹈度降低；授②钟基坑开挖盖的过程也缩是土体内术部能量被段逐渐释放隶的过程，坚在边坡坡罪角处应力法集中区也押是应变能逢未被释放顾的聚集区触，应变能猪越大的区跪域稳定性违就越差俱；躁垂孔③乞越接近基愉坑底部，钱土体受上墓部压力也蓬越大，而及且土体越沿密实，开忆挖造成的颜次生应力撞也越大，巴从而导致诞边坡潜在俱滑移面上喇的剪应力亮越大，文劲献蜘[4并]揉证明，滑番移剪应力水随基坑深资度增加而触增加，从峡而潜在滑胁移运动的盾可能性增把加；外④庙在深基坑挪工程中降街水是土钉本支护系统萍支护成功束的最大保规证，如果而基坑降水钻不理想，楼就会在基努坑坡角内挺聚集有地脂下水，这牺将是土钉崭支护系统杆的最大隐坛患。柿由上述原笨因可知，哭在基坑底位部不但不秃能减短土旧钉长度而抗且要加长斥和尽可能全加密土钉阵，该处土慌钉的长度犁要穿过由孝于开挖造页成的应力秃集中区，耗为了真正趴达到此目胞的，应尽厚可能使土泼钉穿入到许槽底以下构的某一深岩度，使边馆坡与未被胶扰动的槽赚底相互连稀接，使边谜坡拜“龙生绣根奉”眨。这一点窃法国的工造程师做的邀最好，在逢文方献蛾[5烂]旁中介绍的批法国工程饮师的几个织实例中，搁基坑底部耀的土钉长么度都没有卡减短，甚幅至比基坑拾上部的土岩钉还长。丧(3)检六现有的任锅何设计方吸法都是基揉于平面应抢变假设，德仅能描述意土钉支护涉系统横向殊剖面效应掩，无法描棋述土钉支衔护系统纵袄向连接的幸效应，所绢以土钉水具平加密的理效果在计泡算中无法寻反映，设贼计者只能贸靠直觉经柏验来判断胁。在一些冶文献中证掏明，单个喷土钉是不讨能抗弯和孔抗剪，仅屈用于抗拔境。如此孤籍立的看待询土钉的作剃用是不全贸面的，实盈际上将土舍钉间距减演小，密集贿的土钉就抓如一根根槽单独的竹壁条梆成的攀竹筏板，派可形成一培层板状块简，这一土及钉状层实赢际就具有术抗弯能力芦，当这种共土钉层板晶呈轮15再o输插入边坡戒内，它对特基坑边的兴超载或建失筑物有关舍键性的保帮护作用，蔑尤其对边蜂坡向坑内料的运动，朴有较强的垂约束作用谁。因此密痕集的土钉派才能构成剂空间结构嫌，才能发咽挥超过单畏个土钉不蛋能发挥的垃作用，才畏能构成一偏个系统，去该系统的恐整体优势和远远大于正各子系统杜的优势；开过分稀疏漆的土钉就本只能发挥仆个体微小图的作用，禾其对土体佛的加固作乏用将完全瞒埋没于基没坑开挖形该成的使边号坡失稳的默次生应力系场中。桃综上所述箩，土钉支锐护系统的屠设计原则迫大致可归哗结为：重卡点护两边诉，中间可啊放开，即拌土钉支护设应加强基艘坑边坡的爷上下两边雀，上部和锯下部应加叔密和加长唯。症2.4锋毅边坡稳定苏性研究的常正确方向膏综上所述再，对边坡悼稳定性的删研究必须民摆脱条分扇法的旧框恳架，当前笨仍然有许竖多研究者宝在走老路笋，条分法禽同许多计小算数学方疑法结合或耗对滑移线止形状作出厉各种假设洒，派生出够许多方法番。这种现汇象就如清耕华大学建絮筑工程学泻院院长刘麦西拉教授度所描述的伞那样，用亮各种各样念最先进的亦手段去测底量和描刻虎杆秤上的岸刻度，但胆忽略了秤酒砣的精确晶性，最终巴结果将一咳无是处。返那么对此傅应采取什浅么方法来恶推进这项百工作呢？撇从事岩土恐工程设计贞和研究者伪应该由下搜面两个方坦向进行工规作：技满(1鸽)楚首先我们依必须将注壶意力最大失的转移到辰对松散介滔质力学方虏向的研究某上，任何像计算方法呼如果脱离苦了坚实的绵基础理论主指导，其积计算结果寺都将走入皮歧途。实震际上松散缝介质力学胶已经给出敏许多在理宽论基础上瘦不容质疑沾的实用结须果，我们疏将要作的谅是如何将距这些结果燃应用到实盗际工程中恢，例如如皇何将松散停介质力学杜的结果应艺用于地质沸条件为多廊层土体的生情况；如桂何将其应界用于存在载地下水的幻条件；如全何将其与辣水动力学拳相结合；晃如何发展喂一种具有豪松散介质栏力学特性波且适用于透工程设计零的计算方导法。旁(2)翠宽尽可能的晒将有限元胁方法引入匠到土钉支山护系统设谷计软件中势，这是尽尿快摆脱条琴分法的最属有效的捷倦径。虽然欧不能奢望骑非线性力叉学过早进传入到工程家设计中，另至少可以熄使用弹性蜘力学方法率，恢复土口体为可变昆形体的本疮来面目。类虽然这种捎恢复只是魄迈出了很进小的一步会，也比继异续使用条道分法更接慧近客观实喝际。在以础往的设计堵中，我们娃之所以被惩局限于条参分法，在蜓很大程度末上是由于维工程设计唤者的理论柳素养所局课限和理论箱研究者与巾工程实践察脱离这样像两大原因扣，今天又杨因为另外锐的两大原惰因使我们蒸看到光辉萌的前景，更一是计算躬机在工程批设计中的诞