（岩土工程专业论文）土钉支护现场实测与数值模拟.pdf

g 塞窑道太堂亟堂僮迨塞生塞撞要 中文摘要 摘要：土钉支护体系是近年来发展起来的一种支护新技术，己广泛应用于深 基坑支护体系中。本文根据北京丽水嘉园和东花市a 区基坑开挖土钉支护施工阶段 现场测试的位移、钢筋应力等资料，系统的研究了： 1 、深基坑边坡在不同开挖深度时，土钉受力的大小以及随开挖时间土钉受力 韵变化趋势。 2 、深基坑边坡在不同开挖深度时，侧向变形的大小以及随开挖时间侧向变形 的发展趋势。 3 、结合现场测试数据，应用拉格朗e l 差分分析法，对深基坑土钉支护开挖进 行了数值模拟。 通过以上的现场测试和研究，揭示了在开挖影响下。土钉主要是通过分担作 用、应力传递与扩散作用、变形的约束作用与周围土体形成复合土体，大大提高 原状土的强度和刚度，改变了边坡的变形与破坏形态，显著提高了边坡的整体稳 定性。这就是土钉支护机理的实质所在。 关键词：土钉支护内力变形数值模拟现场监测 分类号： j e 塞窑盟友堂亟堂僮途塞曼s ! b ! a b s t r a c t a b s t r a c t s o i ln a i l i n gi sas o r to f n e w s u p p o r ts y s t e md e v e l o p e di nr e c e n ty e a r ，a n di th a s a l r e a d yb e e ne x t e n s i v ea p p l i c a t i o ni nt h es u p p o r t i n gs y s t e mo f d e e p f o u n d a t i o np i t b a s e d o n t h e i ns i t u m e a s u r e d d a t a o f l i s h u i j i a y u a na n d a d i s t r i c t o f d o n 曲u a c i t y d e e p - f o u n d a t i o np i te x c a v a t i o ni nb e i j i n g ，w h i c hi n c l u d es t e e lb a rs t r e s sa n dl a t e r a l d e f o r m a t i o n ，t h ef o l l o w i n gc a t e g o r i e sa l es y s t e m a t i c a l l ys t u d i e d ： l 、m a g n i t u d eo f l a t e r a ld e f o r m a t i o na n dd i s p l a c e m e n td i s t r i b u t i o nv a r yw i t ht i m e a td i f f e r e n te x c a v a t i o nd e p t ho f d e e p f o u n d a t i o np i te x c a v a t i o n 2 、m a g n i t u d ea n dd i s t r i b u t i o no f s o i ln a i l i n gf o r c ev a r yw i t ht i m ea td i f f e r e n t e x c a v a t i o nd e p t ho f d e e p f o u n d a t i o np i te x c a v a t i o n 3 、b yc o n t r a c tw i t l lt h ei ns i t um e a s u r e dd a t a , w ep r o c e s st h et h r e e d i m e n s i o n n u m e r i c a ls i m u l a t i o no f d e e p f o u n d a t i o np i te x c a v a t i o nw i t l ls o i ln a i l i n gs u p p o r tb yf a s t l a g r a n g i a na n a l y s i so f c o n t i n u a 3 d b ya b o v e i ns i t um e a s u r e m e n ta n ds t u d y i n g ，w ef o u n dt h a tt h em e c h a n i s mo f s o i l n a i l i n gs u p p o r ti s ：b ys t r e s ss h a r i n g , s t r e s st r a n s m i s s i o na n dd i f f u s i o n ，a n dd i s p l a c e m e n t r e s t r i c t i o n ，c o m p o s i t es o i ln a i l i n gs y s t e mc a ni m p r o v et h es t r e n g t ha n dr i g i d i t yo fs o i l a n dd e c r e a s et h ed e f o r m a t i o na n df a i l u r es t a t eb ye n h a n c i n gt h ew h o l es t a b i l i t yo fs l o p e k e y w o r d s ：s o i ln a i l i n gs u p p o r t ；i n t e r n a lf o r c e ；d e f o r m a t i o n ：n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ；s i t u a t e dm o n i t o r c i 。a s s n o ： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：段砖巾 签字日期：。6 年l t 月2 。日 导师签名： 签字日期；年月日 致谢 本论文的工作是在我的导师崔江余教授的悉心指导下完成的，崔江余老师严 谨的治学态度和高尚的敬业精神无时无刻不影响着我的学习和生活。非常感谢崔 江余老师给我提供了很多的工程实践机会和指导。两年半的硕士生涯，在崔江余 老师的指导和教诲下，我不但在学术水平上有了很大提高，而且也积累了一定的 工程实践经验。 特别感谢中国建筑科学研究院地基所第二工程部经理叶炎博士对于本论文悉 心指导，在第二工程部实习近一年的时间里，叶博士渊博的专业知识、求实的态 度和丰富工程实践经验使我获益匪浅；学习和生活中，也得到了叶博士的指导和 关怀，在此表示衷心的感谢。 感谢中国建筑科学研究院地基所第二工程部总工王曙光博士给予的帮助，以 及工程部现场所有工作人员，在我监测期间给予的支持和帮助! 在跟他们的交流中， 我学习到了很多书本上所学不到的知识。 感谢我的同学袁正辉、张彦斌、李春峰、崔安杰、李业龙以及师弟胡家忠， 唐亮在现场测试期间给予的帮助，使我的监测工作能顺利完成。 感谢我的同学王伟峰、曲军彪在编程上给予我的帮助，在他们的帮助下，我 的程序工作才得以顺利完成。 送一份特别的感谢给我的家人。二十多年来在父母的支持和无微不至的关怀 下，自己才得以顺利地完成学业。在此向他们表示深深的感谢! 最后，我要感谢评阅论文和出席学位论文答辩的各位专家、教授，感谢你们 在百忙之中给予的指导! e塞窑适太堂塑堂位论塞绪论 1 绪论 1 1 概述 城市建设的发展，带动了地下空间的开发利用，目前各类地下空间已在世界 各大城市中得到广泛的开发，诸如地下车库、地铁隧道、地下商城、地下仓库、 地下民防工事以及多种地下民用和工业设施等。同时，地下工程建设项目的数量 和规模迅速增大，如高层建筑深基坑、大型管道的深沟槽、越江隧道、跨海铁路 的隧道及地铁工程的车站深基坑等。 我国地下空间利用有悠久的历史和丰富的经验，6 0 年代的人防工程建设，已 经提供了巨大的地下空间资源。近年来，为适应城市发展，相继开发利用尝试地 下空间资源，随着新技术、新方法、新材料的发展，先进施工急剧的不断问世， 各种施工方法的改进，高级防水材料的涌现，以及工程地质学、岩土力学和工程 力学理论研究新进展，为城市地下空间的发展创造了条件，使地下空间的开发利 用得到了较快的发展，地下空间规划和开挖技术得到进一步的提高。我国在2 l 世 纪已经进入大规模开发利用地下空间的年代。这些地下空间的开发建设，遇到了 大量的深基坑工程，其规模和深度不断加大。 土钉支护由于其造价的低廉，施工机械简单而被广泛应用于深基坑工程中， 但其设计理论远远落后于工程实践，对土钉力、土钉支护的位移等的计算目前都 缺乏较符合实际的实用计算方法。如土钉力的计算，一些规程采用三角形土压力， 计算的土钉分布与实测值误差较大，对土钉的设计影响也较大，在工程应用中出 现了一些基坑倒塌的事故，既拖延了工期，又增加了造价，甚至严重影响了工程 的质量。其存在的主要问题有：支护结构变形及稳定性、基坑整体稳定及坑底隆 起和地面变形，事故的发生主要由这三方面所引起。表现形式主要有：( 1 ) 支护体 系崩溃，坑壁大厦积滑坡：( 2 ) 支护结构严重倾斜，水平位移过大：( 3 ) 支护结构和 被支护士体已达破坏极限状态：( 4 ) 土钉抗拉拔失效等。通过近年来对国内倒塌或 出现较大事故的6 5 个深基坑工程的实例分析，直接因支护结构产生较大变形和土 钉失效的工程实例达2 6 1 。所以深基坑工程是一个高难度的岩土工程技术课题， 还有许多问题急需解决，这些问题的解决不仅需要进行深刻的理论分析，而且也 需要从施工现场进行各种工程监测，及时获得第一手监测数据，结合现场测试数 据，才能得出正确的结论。 因此，如何正确反映在深基坑开挖土钉支护过程中基坑边坡的变形和土的受 力，进一步认识清楚土钉之间的相互作用，仍然是目前深基坑开挖研究中的首要 e 塞 銮塑 占 堂 亟 堂僮论塞缉 j 佥 问题。 1 2 土钉支护的概念及优点 1 2 1 土钉支护的概念 土钉( s o i ln a i l i n g ) 支护技术是7 0 年代发展起来的一种用于土体开挖和边坡 稳定的一种新的挡土支护技术。该方法是先以一定倾角成孔，然后将钢筋置入孔 内，在孔内注浆形成土钉体，随后在坡面挂钢筋网，并与土钉连接，最后在坡面 喷射混凝土。土钉体与周围的土体紧密结合，并依靠接触界面上的粘结力或摩擦 力，与周围的土体形成复合土体，通过提高土体的力学强度及土体在变形时土钉 提供给土体的抗拔力达到支护目的。由于土钉一般是通过钻孔、插筋、注浆来完 成的，因此也被国内岩土工程界称为砂浆锚杆或锚钉支护，在国外又被称为原位 加筋横向支撑系统( i ns i t ue a r t hr e i n f o r c e m e n t ) 。由于这样的结构类似于加筋 土挡土墙，因此常称由加固土体、土钉、面层所组成的结构为土钉墙。土钉墙的 施工是一种由上到下分步修建的过程。 1 、挖上层土体到一定的深度，开挖的深度取决于天然边坡的稳定性和施工所 需的时间； 2 、在开挖深度范围内的工作面上设置一排土钉并构筑混凝土面层土钉通常采 用直径为2 0 3 0 m m 的钢筋，面层厚度一般为8 0 2 5 0 m ； 3 、继续向下开挖并重复上述的步骤，直到所需的深度为止。土钉的长度取决 于土体参数，一般在0 5 - 1 o 倍基坑深度之间，土钉的间距一般在0 8 0 1 5 0 m 2 _ 间。 土钉墙支护系统主要由土体、土钉、面层和防水系统所组成。土体包括土体 特性和边坡的倾角。土体特性即土层厚度、变形模量、泊松比、容重、内聚力、 摩擦角，这些参数决定了土体的工作性能。为了防止地表水渗透对喷射混凝土面 层产生压力，并降低土体强度和土体与土钉之间的界面粘结力，土钉支护必须有 良好的排水系统。 传统的被动受力支护结构的特点是依靠自身的结构刚度和强度被动的承受土 体压力，限制土体的变形，从而保持边坡安全稳定。被动受力支护结构应用时间 比较长，在设计和施工中积累了一定的经验，因此在工程中使用率比较高。但是 这种支护方法没有充分发挥土体自身的承载能力，具有造价高、工期长、施工难 度大，其局限性日渐突出。因此寻求一种适合目前基坑和边坡工程新特点的支护 结构显得极为重要，主动受力支护结构就是在这种情况下应运而生的。与传统的 支护结构有所不同，土钉墙支护属于主动受力支护结构，其特点为通过不同的途 径和方法提高土体的强度，使支护材料与土体形成共同作用体系，从而达到支护 目的。 2 1 2 2 土钉支护的优点与局限- 陛 在众多支护结构中，土钉支护是用于土体开挖和边坡稳定的一种新的挡土技 术，由于经济、可靠且施工快速简便，已在我国得到迅速推广和应用。在基坑开 挖中，土钉支护现已成为桩、墙、撑、锚支护之后又一项较为成熟的支护技术。 它具有许多独特的优点： l 、经济。根据欧洲的经验，土钉支护比一般的背拉锚杆支护节约总造价l o 3 0 ，也有报道说法国应用土钉支护比别的支护可节省1 3 1 2 。美国修建的第 一个土钉工程表明可节约总造价3 0 ，而工时则为通常支护的5 0 7 。我国由 于人工费用相对低廉，机械设备的台办费用昂贵，所以土钉支护比起灌注桩等支 护约可节约造价l 3 2 3 。 2 、材料用量和工程量少，施工速度快。土钉支护的土方开挖量和混凝土工程 量较少，全部土钉连同面层钢筋网的用钢量也甚为有限，材料用量远低于桩支护 和连续墙支护。在施工速度上，有的甚至可将工期缩短一半。 3 、施工设备轻便，操作方法简单。土钉的制作与成孔不需复杂的技术和大型 机械设施，旋工方法有较大灵活性，施工时对环境的干扰也很小，特别适合于城 市地区施工。 4 、结构轻巧，柔性大，有很好的延性。 5 、相对安全可靠。在北京地区，深度不超过l o m 的基坑，施工采用土钉支 护边开挖边支护，安全程度较高；由于土钉数量众多并作为群体起作用，即使个 别土钉出现质量问题或失效对整体影响不大。施工时可以根据现场开挖发现的土 质情况和现场监测的土体变形数据，修改土钉的间距和长度。 土钉支护也有其缺点和局限性： 1 、需要较大的地下空间。现场需提供设置土钉的地下空间，当基坑附近有地 下管线或建筑物基础时，则在施工时有相互干扰的可能。 2 、土钉支护的变形较大。土钉属柔性支护，其变形相对于预应力锚撑式支护， 变形较大。当基坑变形要求严格时，如地铁基坑工程，一般不宜采用土钉支护。 3 、土钉支护不适宜单独在软塑、流塑粘性土及松散砂土地层中应用，要求土 体自稳性好。土钉支护的工艺是先开挖有限深度，一般为1 - 2 m 深，然后在开挖面 上钻孔、置入钢筋或其它筋体、注浆、挂钢筋网、喷射面层，待土钉体达到一定 强度后方可继续往下开挖，在此期间要求开挖面的土体必须自稳，否则要对开挖 面附近的土体进行加固，保持坡体稳定。 4 、土钉的寿命较短，一般只用于临时支护。如果作为永久性结构，需要专门 考虑锈蚀及耐久性问题。 3 5 、要求地下水位低于开挖面。土体渗水后，强度降低，开挖后边坡难以自立， 易发生滑塌；土体渗水后，土层与喷射面层粘结强度降低，难以施工，而且土钉 成孔也不易，常发生塌孔；土钉支护在地下水的作用下，其面层压力和土钉内力 均明显增加，泡水后土钉抗拔能力急剧下降，因此往往要将地下水位降至基坑底 以下。 目前，土钉支护在北京地区的发展十分迅速，从1 9 9 5 年开始已有很多个基坑 支护中采用土钉墙或复合土钉墙。在建筑物密集的北京地区用于基坑的土钉支护 深度已有一些达到1 6 1 8 m ，庄胜广场基坑( 1 3 5 2 7 0 m ) ，最大挖深1 6 2 m ，砂粘 士和细砂地层，用1 4 排土钉；北京万富大厦基坑，深1 6 8 m ，细粉砂和砂质粉土 地层，用1 l 排土钉，支护面层兼作为主体结构外墙的外模；北京通港大厦基坑( 5 0 7 0 m ) ，深1 7 m ，也是土钉支护。 可见，在基坑开挖的边坡支护结构中，土钉支护已成为继撑式支护、排桩支 护、连续墙支护、锚杆支护等之后又一项比较理想的支护技术。 1 3 土钉支护的研究现状 自从土钉墙出现以来，由于其结构简单、经济，因而国外和国内分别从7 0 年 代和8 0 年代开始采用和研究了这项技术。最早对土钉支护进行系统研究的是德国。 德国于1 9 7 5 年开始了一项名为b o d e n v e m a g e l u n g 的为期4 年的研究。这项研究工 作由承包商k a r l b a u e r a g 与k a r l s r u h e 大学的岩土力学研究所联合进行，耗资2 3 0 万美元，包括七个大型足尺土钉支护的试验和许多模型试验，此外还在不同埋设 条件下进行了上百个抗拔试验，k a x l s r u h e 大学的s t o e k e r 与g a s s i e r 等人还作了许 多理论研究工作，主要是基于极限平衡方法的研究。1 9 7 9 年德国在s m t t g a a 建造 了第一个永久性的土钉墙。并进行了长达l o 年的连续观测，获得了许多宝贵的数 据。 在法国，巴黎路桥学院在s c h l o s s c r 教授指导下进行了模型试验和理论研究， j u r a n 对土钉支护进行了有限元分析。1 9 8 6 年法国为期5 年的c l o u t e r e e 计划开始 执行，耗资约4 0 0 万美元，共有2 1 个单位参与。这项研究包括三个大型土钉支护 试验，并对六个现场工程进行了详细的测量，在此研究的基础上提交了名为s o i l n a i l i n gr e e o n n e n d a t i o n 的研究成果，提出了土钉支护设计和施工的建设。为了发 展基于变形的设计方法，法国又继续进行名为c l o u l r e ei l 的为期两年的研究，耗 资约2 5 0 万美元。这其中还就地震，冰冻以及地表斜坡对土钉支护的影响。法国 在8 0 年代编制了一个名为t a k e n 的土钉支护设计程序，该程序以s e h l o s s e r 教授的 多破坏准则为基础，得到了广泛的应用，后来又开发了一个名为s t a r s 的程序及 其它有限元程序。 4 e塞銮适盍堂亟堂僮 j 金塞绪监 在美国，加州大学d a v i s 分校的s h e n 在美国国家基金委的资助下进行了土钉 支护的研究，包括现场实测、足尺模型试验、室内离心机模型试验和有限元分析 等，路易斯安那大学的j u r a n 教授对土钉支护进行了有限元分析和极限平衡方法的 研究；伊利诺斯州立大学的s a l a m a 进行了土钉支护的有限元分析；加州大学洛杉 矶的t u f e n k j i a n 等采用离心机模型试验研究了土钉支护的抗震性能。 英国从8 0 年代开始对土钉支护也有较多的研究，包括分析方法的研究、计算 程序的开发、离心机模型试验、实际土钉支护工程的内力与变形实测以及大型的 抗剪试验等。英国还发展了一种气动射击钉技术，高速将土钉射入土体，其初速 度可达9 0 m s e e 。在英国进行土钉支护研究的单位主要有牛津大学、英国运输部、 c a r d i f f 学院和m a n c h e s t e r 大学等。 国内自太原煤炭设计学院1 9 8 0 年在柳湾煤矿采用土钉加固边坡以来，土钉支 护已得到了极为广泛的应用，国内研究土钉支护的单位主要由太原煤炭设计研究 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 ) 。 迄今为止，对土钉支护的研究工作主要可分为试验研究和理论研究两个方面， 实验研究包括室内实验和现场原位测试，理论研究主要集中在极限平衡分析和有 限元数值模拟工作上。 1 3 1 土钉支护试验研究 试验是研究岩土工程问题的一个重要手段，自从土钉支护出现以来， 已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， 绍一些典型的试验结果。 5 国内外 下面介 图卜1 法国的c l o u t e r r e 研究项目1 号墙 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。试验土体采 用f o n t a i n e b l e a u 将砂土分层夯实，每层厚2 0 c m ，堆积后相当于“中密砂”，中= 3 0 0 ， c = 3 0 k p a ，标准贯入击数在1 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 度，钉长在6 8 m 范围内。如图 卜1 所示。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；上部土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，使土钉同时受到剪弯作用，土钉破坏时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。 德国k a r l s r a 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，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。试验的主要结论有：1 ) 土钉墙支护性能与重力式挡土墙类似；2 ) 对于 6 直立墙面和水平地表情况，土钉长度以墙高的0 5 o 8 为宜( 无地下水) ；3 ) 钉 距应小于1 5 m ；4 ) 面层压力可视为均布，大小约为库仑主动土压力的0 4 o 7 倍。 美国的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， 并在挖面后1 5 f t 处，水平位移的最大点下降；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。 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，即使土体已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。 为了研究土钉的抗拔作用，c u i l l o u x 等进行了士钉的抗拔试验，试验结果表 明，当土钉的相对位移达到0 6 3 0 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。实验同时表 明钉土间的相互作用与应力应变的关系极为密切。 姜振泉等( 1 9 9 6 ) 进行了土钉支护模型的剪切试验，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，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 2 土钉支护的极限平衡分析 在目前的土钉支护设计中，最为常用的方法还是极限平衡分析。分析的目的 就是要找出临界滑动面的位置并给出相应的安全系数。各国学者对此进行了许多 研究，比较著名的有德国方法、法国方法、美国的d a v i s e 方法、j u r a n 方法、英国 的b r i d l e 方法等等。 7 b立銮擅太堂亟堂僮论塞绪淦 德国方法由德国k a r l s r u h e 大学的s t o c k e r 教授与g 觞s i c r 等人子1 9 7 9 年提出。 他们假定破坏滑移面为双直线并通过土坡的坡脚，土钉仅考虑受拉作用，土的剪 切强度用摩尔一库仑准则确定，并假定在破坏滑移面上达到极限状态。整体安全 系数定义为土钉所能提供的拉力与保持极限平衡所需要的土钉拉力之比。土钉所 提供的拉力，是滑移面以外部分的抗拔拉力，而保持平衡所需的土钉拉力则由滑 移土体的平衡条件求出。上述双直线滑移面是根据在地面有较大超载的情况下所 进行的几个试验结果而得到的。对于荷载主要为土体自重的情况下，该假定与实 验结果并不是很符合，按此方法确定的滑移面要比实际滑移面大许多。e l i 勰与j u r 柚 认为这种方法仅适用于非粘性土在有限范围内受有较大地面超载的情况，对其它 情况则用圆形滑移面较好。 法国方面由法国路桥学院的s c h o l l s e r 教授于1 9 8 3 年提出。法国方法假定体系 的各部分安全系数相等，采用条分法求解，滑移面的形状可以任意。法国方法考 虑了以下四个破坏准则：土的剪切破坏、土钉的拔除破坏、土钉有横向变形时与 土的相互作用以及土钉在拉力和剪力联合作用下的破坏。法国方法首先根据土钉 本身的强度及抗拔出强度，确定土钉对滑移土体所能施加的最大作用力，然后将 该作用力在条分时加以考虑，研究滑移土体的极限平衡状态，求出土体剪切力破 坏的安全系数。 d a v i a 方法由荚国加州大学d a v m 分校的沈智刚教授等于1 9 8 1 年提出。他们 假定滑移面为过坡角的抛物线，抛物线的顶点在坡角，对土钉仅考虑受拉作用， 确定整体安全系数的方法是基于土力学中用极限平衡法分析土坡稳定问题的条分 法，在d a v i a 方法中仅分为两个条块。d a v i a 方法后经j u r 趾等人的改进，可以考 虑地下水等各种因素，称为改进d a v i a 方法。 b r i d l e 方法由英国的b r i d l e 于1 9 8 9 年提出，该方法假定滑移面为对数螺旋线， 用条分法对滑移体进行力矩平衡分析，不平衡力矩由滑移面以外的土钉平衡，同 时也考虑了由于土体变形引起的土钉抗剪和抗拉作用。 j u 啪等人于1 9 9 0 年提出了土钉支护体系分析的机动方法。这种方法是一种将 模型实验中观察的机动许可位移( 破坏) 模式与静力极限平衡相结合的极限分析 方法。j u r a n 方法假定破坏滑移面为通过坡角的对数螺线，假定滑移面上的土达到 极限状态，土钉的拉力及剪力在滑移面上达到最大值，而土钉的最大弯矩在滑移 面处为零，土钉的最大拉力由含有该土钉的土条平衡条件来确定，在考虑士条的 平衡时假定作用在土条上下两面的水平力大小相等，假定地面超载对土钉内力的 影响沿滑移面由上到下线性衰减。j u r a i l 方法可以求出土钉的内力。 国内的方法主要有太原煤炭设计院方法、北京工业大学方法、总参工程兵科 研三所方法、清华大学方法和北京冶金建筑总院方法等。 g j e塞变通厶堂亟堂焦途塞绪迨 1 - 3 3 土钉支护的有限元分析 由于一般的分析方法无法进行变形分析，而对于在基坑的附近有建筑物或构 筑物时，控制基坑变形显得十分重要，此时有必要对基坑变形进行计算和预测。 目前进行变形分析的各种数值模拟中，主要采用有限元方法。当选取了合适计算 模型和输入参数，它不但可以确定土钉支护的工作状态下内力和变形，而且能够 模拟施工过程，算出不同施工阶段的内力和变形。各国学者对土钉支护的有限元 数值模拟做了大量的研究和探索，在计算模型、本构关系、施工模拟上做了许多 不同的尝试。 s h e n 等( 1 9 8 1 ) 采用平面有限元模拟基坑开挖的过程，分析了土钉支护中的 一些参数对其工作性能的影响，对土钉加固区采用一种复合模式来综合考虑土、 土钉及其界面的共同作用，土的应力应变关系采用d u c a n - - - - - c h a n g 模型。计算结 果表明，影晌体系变形的因素主要有施工过程、基坑深度、土的性质以及土钉的 长度、直径和间距等。当开挖较浅时，水平位移分布呈三角形，在基坑顶面最大。 当开挖较深时，水平位移分布呈鼓形，位移最大点位于地表以下。基坑附近地面 的沉降随着离开坑边距离的增加而很快衰减，当距离等于开挖深度时，沉降接近 于零。 c a l a b r e s i 等( 1 9 9 1 ) 用有限元方法研究了超固结粘土中用于隧道开挖的土钉支 护结构，土体本构关系采用剑桥模型，计算结果表明土钉支护能有效地减小开挖 边界附近的塑性应变，减小水平位移，提高施工期间的稳定性。 u n t e r r e i n e r 等( 1 9 9 5 ) 对法国c l o u t e t c e 研究项目中的一个试验土钉支护结构 进行了平面有限元分析。土体服从m o h r - c o u l o m b 屈服准则和非相关联的流动准 则，土钉和面层均视为线弹性材科，土钉与上体之间设置接触，计算结果与测试 结果较为吻合。 崔岩等( 1 9 9 6 ) 采用s a p _ - 9 1 通用有限元程序，按平面应变问题分析了土钉 支护结构，土钉用等效于钢筋抗拉剐度的矩形单元模拟。 宋二祥等( 1 9 9 6 ) 采用了平面有限元程序分析了土钉支护的工作性能。程序 采用平面假定，用界面单元模拟土钉和土之间的界面作用，可模拟开挖和建造的 过程，并可计算体系的破坏荷载。计算结果表明，面层混凝土的作用主要是防止 坑壁土的松动和局部塌落，由于土钉的分布较密，面层的力学作用并不重要，其 厚度对支护体系性能的影响不大；加长顶层土钉的长度对减小变形比较有效；随 着开挖深度的增加，土钉的轴力迅速增大，其最大值的位置也逐渐外移。 t a b r i a l ( 1 9 9 6 ) 率先采用局部三维有限元研究了土钉支护结构，分析了开挖深 度、土钉长度、土钉水平间距等因素对水平位移、土钉内力的影响，研究了开挖 9 e塞銮通太堂亟 堂 僮 途塞绪论 后土体应力的分布。 秦四清等( 1 9 9 9 ) 采用平面有限元对基坑开挖土钉支护进行了分析，比较了 有支护和无支护两种情况下土体的拉应力区、剪应力区、破坏区以及位移的分布 规律，分析了开挖过程中土钉的内力。结果发现有土钉时，土体中的拉应力区明 显减少，剪应力集中区的范围减小且剪应力集中程度较低，坡角的破坏区明显交 小，说明土钉的作用在于分担了土体部分应力，并通过钉土相互作用将应力扩散 传递到周围土体中，减小了土体应力集中程度，充分调动了周围更大土体承载能 力。由于土钉对土体的侧向约束作用，减小了基坑变形，并且由于土钉的复合作 用，使得基坑破坏区的形成滞后于无支护开挖。根据计算结果，开挖面处的水平 位移曲线呈现“锯齿”状。 s m i t h 等( 1 9 9 7 ) 模拟了土钉支护结构中土钉的局部三维作用，分析了土钉支 护结构的形状，考虑了钉土互相作用，研究了土钉支护结构的整体破坏和局部破 坏模式。在计算模型中。沿基坑边壁的计算长度取为土钉的水平间距，土钉的应 力应变关系服从m o h r - c o u l o n b 屈服准则，士钉和土体采用1 4 结点空间等参单元， 两者之间不设接触面。s m i t h 分析了土钉的轴力、剪力和弯矩的分布，研究了不同 超载情况下结构的形态。计算结果表明，在没有超载或超载较小时，最大沉降点 位于面层后，当超载较大时，最大水平位移的位置在地表以下1 米左右，最大沉 降点离面层有一定的距离；除了最下面一排土钉，其余土钉中均产生了较大的轴 力，而且数值比较接近；土钉支护结构的破坏模式与超载有关，土钉的抗弯和抗 剪作用与超载有关，在超载为零的情况下，当开挖刚结束时，土钉中的弯矩非常 小，但是随着超载的增加，土钉中的弯矩变大，第一排土钉承受的弯矩最大。 张明聚等( 1 9 9 8 ) 也考虑了土钉的局部三维作用，模拟了基坑开挖和土钉支 护的施工过程，分析了开挖引起的支护结构位移、土钉轴力、土中应力的分布和 变化规律。在计算模型中，沿基坑边壁的计算长度取为一列土钉加固范围的一半， 对于土体采用d u c a n - - - c h a n g 非线性本构关系，而土钉和面层则采用线弹性模型， 土体和面层均用2 0 结点空间等参单元模拟，土钉用3 结点空间杆单元模拟，两者 之间不设接触面。在上述模型的基础上，张明聚( 1 9 9 9 ) 考虑了土钉与土体之间 的粘结作用，即在土钉与土体之间的结点插入双弹簧联结单元，并参照l a d e d u c a n 破坏准则给出了一种判断是加荷或卸苟( 再加荷) 的标准，用改进后的方法 分析了一实际工程，验证了该分析方法的可靠性。 1 3 4 存在问题 总之，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，但是 由于土钉作用机理极其复杂，还存在着一些难以解决的问题。主要表现在： 韭塞銮塑盔堂亟璺包i 垒窑绪论 1 、土钉支护理论研究尚不成熟。传统认为土钉支护机理是以新奥法理论为基 础，未能将土钉和土体一起组合成复合土体。即使类似的开挖条件，不同的学者 所得到的结论也不一致。基坑支护的过程实际上是土体开挖一卸载一土钉受力一 再开挖这样一个循环的过程，土钉内力在这个过程中的变化规律还有待于加强研 究。而且实际中土体的本构模型与理论差距依然比较明显，不同的结构形式其土 压力的大小、分布及随位移变化的规律研究的较少。 2 、理论分析对土钉支护机理的认识有失偏颇。目前在土钉支护技术研究中， 钉土之问的相互作用都被忽略了，虽然这样做简化了问题研究和工程设计，但并 没有从实质上揭示土钉支护机理的本质。 3 、限于测试条件与经费问题，对土钉墙的现场测试工作做的较少。虽然国内 土钉支护工程数目越来越多，地域越来越广，但在土钉的研究和设计水平上距国 外还有很大差距。由于经济条件所限，目前国内还没有作过大型土钉墙试验( 例如 足尺墙试验、离心试验等) ，只进行过少量的试验室内小尺寸的模型试验或现场抗 拔试验而已，对于士钉墙的应力、应变测试工作也做得很少。同时，由于现场测 试和现场条件所限，所测得的数据有一定局限性。 4 、土钉支护结构稳定性分析是评价支护结构的一个重要方面。但是从研究方 法上看，大多数局限于整体稳定性分析，忽略了局部稳定性的重要性。对基坑的 变形分析也仅仅局限在边坡附近，对土钉墙后土体颗粒的位移矢量研究还不够， 采用数值模拟分析基坑开挖过程，能使我们对土钉支护的工作性能有更直观的印 象。 1 4 本文的研究目的与内容 基坑的开挖及支护过程是一个多步骤、每次开挖及支护都对以后各次开 挖及支护产生影响的复杂过程。支护结构在施工过程中始终处于加载、卸载 的复杂变化过程之中。由于开挖、支护具有加载途径性，所以施工技术不同， 开挖、支护顺序不同，都会产生各自不同的应力、变形历史过程和最终不同 的力学效应。 1 4 1 研究目的 在本文中，主要通过现场测试，并辅以数值计算的方法，对土钉支护结 构中土钉的内力，周边土体变形等进行分析，目的在于寻找土钉支护结构在 随土体开挖过程中，土钉内力的转移规律，进而分析支护结构的变形情况， 从而为基坑支护工程设计，施工监测提供参考依据。 1 4 2 研究内容 j e塞銮塑盔堂亟堂焦迨塞 绪j 金 本课题以现场模型测试为主，通过对土钉支护结构下基坑的现场测试， 得到在基坑开挖过程中土钉的内力，边坡位移等情况，并结合工程软件f l a c ， 对基坑的开挖过程进行模拟，来研究基坑开挖过程中每一排土钉随开挖内力 变化的规律，提出土钉内力转移规律。 1 4 3 技术路线 l 、查阅文献资料，重点是一些有关基坑土钉支护方面的资料。 2 、根据所查资料和课题要求，主要选择开挖土钉内力的变化规律、基坑的变 形作为研究对象。 3 、结合实际工程，进行现场试验，利用钢筋应力计、频率仪，测斜仪，水准 仪等仪器对基坑进行土钉内力，土体位移观测。 4 、对基坑的开挖进行数值模拟计算，并把计算结果与实际观测结果相比较。 5 、综合分析试验和数值计算结果，提出土钉内力变化的转移规律。 韭塞銮通厶堂亟堂僮监塞錾值盐簋左鎏塑携型酸建童 2 数值计算方法和模型的建立 各种数值计算方法在岩土、边坡稳定分析中应用近几年有很大的发展，但这 些方法其理论本身以及采用的算法都有各自局限性，有限元法和边界元法都有小 变形的假设。近几年来发展起来的快速拉格朗日( f a s tl a g r a n g i a na n a l i y s i so f c o n t i n u a ，简称f l a c 法) 则较好地吸取了其他数值方法的优点并克服其缺点而形 成的一种新型数值计算方法。 本章应用工程应用软件f l a c ，按照实际施工顺序模拟计算基坑开挖过程中土 体位移场的变化过程以及开挖各步土钉内力的变化情况，从而对土钉支护的工作 性能更深入的了解，对实际工程有积极地指导意义。 2 1 数值分析软件的介绍 2 1 1f l a c 程序简介 f l a c 程序是1 9 8 6 年由美国i t a s c a 公司开发的显式有限差分格式来求解场的 控制微分方程，并应用了混合单元离散模型，可以准确地模拟材料的屈服、塑性 流动，软化直至大变形，尤其在材料的弹塑性分析、大变形分析以及模拟施工过 程等领域有其独到的优点。 f l a c 程序具有很强的前处理和后处理功能。只要设定某些控制点的坐标，程 序就可以自动生成网格，界面美观。f l a c 程序的计算结果同时以数据文件和图形 文件两种形式保存在电脑磁盘。其中图形文件包括土体及结构物的应力向量图、x 和y 方向的应力分量及剪应力的等值线图、x 和y 方向位移等值线图、受力向量图 以及塑性区范围等，并且可用十四种颜色来着色显示。此外，用户可根据需要使 程序对关键部位的应力、位移等跟踪记录、并可绘出应力( 应变) 与时间的关系 曲线。 f l a c 程序的应用范围极广，可适用于岩土工程问题以及包含力学、流体流动、 热传导等广泛的物理过程。f l a c 程序可以模拟这些运动的单个过程，也可一模拟 它们之间的耦合作用。f l a c 程序可用于下列岩土工程问题的研究：( 1 ) 边坡稳定 和基础设计中承载力及变形分析；( 2 ) 隧道、矿山巷道等地下工程的变形与破坏 分析；( 3 ) 隧道等地下工程衬砌、岩石锚杆、锚索、土钉等支护结构的分析；( 4 ) 隧道及采矿工程的动力作用与震动分析；( 5 ) 水工结构中流体流动以及水一土结构 相互作用分析；( 6 ) 基础与大坝由于振动或变化的孔隙压力作用发生的液化现象 分析；( 7 ) 地下高放射废料储存库由于热作用产生的变形与稳定问题。 2 1 2f l a c 基本原理 j e 塞銮适太堂亟堂焦j 金塞錾焦盐篡友洼塑搓型盥建塞 f l a c 的求解使用了如下3 种计算方法： ( 1 ) 离散模型方法：连续介质被离散为若干互相连接的四节点单元，作用力被 集中在节点上。 ( 2 ) 有限差分方法：变量关于空间和时间的一阶导数均采用有限差分来近似。 ( 3 ) 动态松弛方法：用质点运动方程求解，通过阻尼使系统衰减至平衡状态。 f l a g 以节点为计算对象，将力和质量均集中在节点上，然后通过运功方程在 时域内求解。节点运动方程可表示为如下形式： 互生：巡( 2 1 ) 占f聊 式( 2 1 ) 中，下标i 代表笛卡尔坐标系中一个方向，f ( f ) 为在t 时刻1 节点 在i 方向的不平衡力分量，可由虚功原理导出；历为1 节点的集中质量，在分析 静态问题时采用虚拟质量以保证数值稳定，而在分析动态问题时则采用实际的集 中质量。将式( 2 1 ) 中，左端用中心差分来近似，则可得到 v f + 等 叫小一等卜学， 倍z ， f l a g 由速率求某一时步的应变增量，如下式： aeu = ( y “+ 矿) f ( 2 3 ) 式( 2 3 ) 中，a e 为应变增量的张量， ， = 1 ，2 ；出为时步。有了应变增 i j 量，即可由本构方程求出应力增量，各时步的应力增量叠加即可得到总应力，在 大变形情况下，还需根据时步单元的转角对本时步前的总应力进行旋转修正。然 后即可由虚功原理求出节点下一步时的不平衡力，进入下一时步的计算，其具体 公式这里不在赘述。 按照上述思路，通过迭代求解，便可求出各个时步边坡上各单元( 或节点) 的应力、位移值，进而可模拟边坡变形破坏的全过程。其迭代过程如图( 2 - 1 ) 所 示。 1 4 j b 塞蛮道厶堂亟堂焦论室熬煎往簋左选塑搓型趋建童 图2 1f l a c 求解过程示意图 2 1 3f l a c 的结构单元 f l a c 包括多种结构单元，可以对工程的各种结构进行模拟，其中b e a m 单元、 c