（岩土工程专业论文）西攀高速公路关门高边坡土钉支护应用研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 西攀高速公路所穿越的地区主要为地质条件复杂的山区地带。涉及诸多 高大陡边坡。地层多为深厚的全风化及强风化花岗岩和坡残积物堆积层。边 坡开挖后自稳能力差或将处于不稳定状态。对于其中一些高边坡稳定性问题， 拟采用土钉支护技术加以解决。然而，作为高大边坡的长期支护结构，土钉 支护的使用已经突破有关规范或规程中边坡高度和使用时间两个关键条件的 限制。这样的突破可能存在危险。 本论文以西攀高速公路k 6 4 + 7 5 9 9 0 0 段关门高边坡工程为主要研究对 象，进行了野外地质调查、室内土工试验、现场监测、理论分析和二维p u l s 有限元程序数值模拟和仿真研究等工作。通过对关门高边坡的不同施工阶段 的土钉轴力、面层土压力等的监测和二维p l a l s 有限元数值模拟，探讨了 关门高边坡的变形、土钉受力的大小和分布，及其发展演变过程。采用有限 元强度折减法对关门高边坡进行了极限状态分析，得到边坡塑性区的形态和 边坡破坏形式，并确定了安全系数和滑移面位置。此外，进行了该高边坡在 v i i 度地震状态下的拟静力模拟和长期大雨不利状态下的模拟以及极限状态 分析。在以上监测、计算和分析的基础上，对边坡的施工过程和边坡在各种 状态下的稳定性进行了评价。 论文得出的成果和结论主要有： 比较现场实测与数值模拟结果的表明，对关门边坡土钉支护采用的二维 简化数值模型的方法是可行的。采用p u i s 有限元程序进行数值模拟，能 准确、形象和逼真地反映边坡受力、变形等情况及其发展过程，并且能对各 种复杂条件下的边坡安全稳定性做出定量的分析。 现场监测和数值模拟结果表明关门高边坡的设计满足要求。到目前为止， 边坡是稳定的。在施工质量和材料满足要求、不出现不可预测和不可抵御的 重大自然或人为灾害的前提下，关门高边坡的长期稳定性满足规范要求。但 局部出现病害和破坏的可能性不能完全排除。土钉支护结构适宜于对关门全， 强风化花岗岩高大边坡的支护。土钉支护技术应用于全强风化花岗岩高边坡 是可行的、经济合理的。 关门高边坡l 2 断面第二级边坡底部土钉平均轴力最大，最大轴力出现在 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 第二级边坡下部土钉中段。喷层后土压力在坡积层、全风化层内的分布呈上 下小、中间大的特征。总体上，有限元计算结果与实测结果比较相符。库伦 土压力理论的直接应用不适合这里的情况。 计算表明，土钉支护的边坡失稳滑动区大，远大于无支护结构的滑动区。 滑动带呈大弧面，主滑动带从土钉墙底部穿过，两侧延续较远；次滑动带穿 过土钉墙下部的2 3 排土钉，剪出口位于坡脚趾点处。可见，由于土钉结构 的强化和加固作用，使最不利滑动面下移，从而提高了边坡的稳定性。 土钉支护应采用“分层开挖，分层支护”的逆作法施工。如果不采用这 种规范的施工工序而一次性挖方过大，产生的位移对边坡稳定影响较大，而 且这种位移是不可逆转，同时给边坡的施工安全带来很大的威胁，施工风险 较高，对边坡的长期稳定也是不利的。 关键词：土钉；高边坡；风化花岗岩；稳定性分析 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 li 页 a b s t r a c t x i c h a n g - p a n z h i h u ae x p r e s s w a yc r o s s e sam o u n t a i n o u sa r e aw i t hc o m p l e x g e o l o g y s o m eh i g hc u ts l o p e sh a v e b e e nc o n s t r u c t e dh e r e t h es t r a t u mi s c o m p o s e d o f d e e pc o m p l e t e l yd e c o m p o s e dg r a n i t e ( c d g ) 。h i g h l y w e a t h e r e dg r a n i t ea n dt h eq u a t e m a r yc o l l u v i u m sa n de l u v i u m s t h ec u t s l o p e sw i l l b eu n s t a b l e s ot h es o i l n a i l i n gt e c h n i q u ei sp r o p o s e d t o r a i n f o r c es o m eo ft h e s eh i g hs l o p e s h o w e v er a sap e r m a n e n ts t r u c t u r e u s e df o rs t a b i l i z i n gah i g hs l o p e ，t h eu s eo fs o i ln a i l e dw a l lh a sb r o k e nt h e m l to fh e i g h ta n dt i m el i s t e di nc u r r e n td e s i g nc o d e sa n ds p e c i f i c a t i o n s t h a tb r e a k t h r o u g hh a sap o t e n t i a lr i s k i nt h i st h e s i s ，t h eh i g hs l o p eo fg u a n m e na tk 6 4 + 7 5 9 9 0 0o fx i c h a n g p a n z h i h u ae x p r e s s w a yi sm a i n l ys t u d i e d ，w h i c hi n c l u d e sf i e l ds u r v e ya n d e x p l o r a t i o n ，p h y s i c a la n dm e c h a n i c a lt e s to fs o i l ，s t r e s sa n dd e f o r m a t i o n m o n i t o r i n g ，t h e o r e t i ca n a l y s i sa n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i su s i n gp l a x i s v 8 2 b a s e do nt h em o n i t o r i n gd a t ao fa x i a if o r c eo fn a i l s ，e a d hp r e s s u r eo nt h e f a c i n ga n ds oo n ，a n dt h es i m u l a t i o nu s i n gt w o - d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n t c o m p u t e rp r o g r a m ，p l a x i s ，as y s t e m a t i ca n a l y s i s w h i c hi n c l u d e s d e f o r m a t i o na n ds t r e s sb e h a v i o r si nc o n s t r u c t i o ns t a g e si sm a d e t h e s t r e n g t hr e d u c t i o nm e t h o di su s e dt oa n a l y s et h ee x t e n s i o no fp l a s t i cz o n e 。 f o r m a t i o na n de v o l u t i o no fs l i ps u r f a c e t h ep o s i t i o no fs l i ps u r f a c ea n dt h e s a f e t yf a c t o r so fs l o p es t a b i l i t ya r ea s c e r t a i n e d t h es l o p e i si na d i s a d v a n t a g e o u sc o n d i t i o nw h e n t h ee a r t h q u a k eo fv i id e g r e eo c c u r so rt h e s l o p ei se x p o s e dt oal o n g - t e r mh e a v yr a i n t h es t a t i cs i m u l a t i o na n d s t r e n g t hr e d u c t i o nt of a i l u r ea n a l y s i so ft h e s ed i s a d v a n t a g e o u sc o n d i t i o n s a r em a d e t h es t a b i l i t yo ft h es l o p ei ss y s t e m a t i c a l l ye s t i m a t e da c c o r d i n gt o m o n i t o r i n ga n dc a l c u l a t i n gr e s u l t sa b o v e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 v 页 t h em a i np r o d u c t sa n dc o n c l u s i o na r ea sf o i l o w s ： b yc o m p a r i n gt h et w or e s u l t so fm o n i t o r i n gd a t aa n dn u m e r a ls i m u l a t i o n 。i t i si n d i c a t e dt h a ti t sf e a s i b l et ou s et h et w o d i m e n s i o n a in u m e r a is i m u l a t i o n i nt h ec a s eo fs o l in a i l e dg u a n m e nh i g hs l o p e t h en u m e r a is i m u l a t i o n u s i n gp l a i sc a ng i v eo u te x a c ta n dv i s u a lr e s u l t so ft h ed e f o r m a t i o na n d s t r e s sb e h a v i o r s ，i ta l s oc a nm a k eaq u a n t i f l c a t i o n a ls t a b u i t ya n a l y s i so f s l o p eu n d e rc o m p l e xc o n d i t i o n s t h er e s u l t so fm o n i t o r i n gd a t aa n dn u m e r a ls i m u l a t i o ni n d i c a t et h a tt h e d e s i g no fg u a n m e nh i g hs l o p ec a nm e e tt h ed e m a n d so fs p e c i f i c a t i o n s b y f a r , t h es l o p ei ss t a b l e u n d e rt h ep r e c o n d i t i o no fg o o dc o n s t r u c t i o nq u a l i t y a n dn ou n p r e d i c t a b l eo ri r r e s i s t i b l ef a t a in a t u r a lo rm a n - m a d ed i s a s t e r , t h e l o n g t e r ms t a b i l i t yi si nc o n f o r m i t yw i t ht h es p e i ：i f i c a t i o n s y e t w ec a n n o t e n t i r e l ye x c l u d et h ep o s s i b i l i t yo fl o c a ld i s e a s eo fs l o p e t h es o i ln a i l i n g m e t h o di sf i tf o rr e i n f o r c i n gh i g hs l o p e st h a ta r el o c a t e di nt h es t r a t u mo f c d ga n d h i g h l y w e a t h e r e dg r a n i t e ，s u c ha sg u a n m e n h i g hs l o p e f u r t h e r m o r e t h em e t h o di se 竹i c i e n ta n de c o n o m i c a l t h em o n i t o r i n ga n dn u m e r a ls i m u l a t i o no ft h el 2 s e c t i o no fg u a n m e n h i g h s l o p es h o w st h a tt h ea v e r a g ea x i a lf o r c e ( t e n t i o n ) i nn a i l sl o c a t e da tt h e l o w e rl a y e ri nt h em i d d l eg r a d eo ft h es l o p ei st h el a r g e s t a n dt h ee a r t h p r e s s u r eo nt h ef a c i n gs h o w st h ef u s i f o r mc h a r a c t e r i s t i ci nt h es t r a t u m so f c d ga n dt h ec o l l u v i u m sa n de l u v i u m s ：s m a l la tt h eu p p e ra n di o w e ra n db i g i nt h em i d s t t oa d o p tc o u l o m b se a r t h p r e s s u r et h e o r yi sn o t 讯t h e s i t u a t i o nh e r e t h en u m e r a la n a l y s i si n d i c a t e st h a tt h ef a i l u r es u r f a c eo fs l o p ew i t hs o i l n a i l e dw a l li sm u c hd e e p e ra n db i g g e rt h a nt h eo n ew i t h o u tr e t a i n i n g s t r u c t u r e s t h ef a i l u r es u r f a c ea s s u m e sab i gc a m b e r e ds u r f a c e t h em a i n s l i ps u r f a c ep a s s e st h r o u g ht h es o i ln a i l e dw a l lf r o mt h eb o t t o mw i t ht h e 西南交通大学硕士研究生学位论文第v 页 b o r d e r se x t e n dab f ff a r , w h i l et h es u b s i d i a r yf a i l u r es u r f a c ep a s s e s t h r o u g h 2 - 3l a y e r so fn a i l sa tt h el o w e rw a l l ，w i t hi t sf o r e p a r tt ob el o c a t e di nt o eo f s l o p e o b v i o u s l y , t h es t r e n g t h e n i n ga n dt h er e i n f o r c e m e n tf u n c t i o no fs o i l n a i l i n gs t r u c t u r ec a nf o r c et h ef a i l u r es u r f a c et om o v ed e e p er ，t h u st o e n h a n c et h es l o p es t a b i l i t y t h es o i l - n a i l i n gw a l ls h o u l db ec o n s t r u c t e di ns u c c e s s i v ep h a s e sf r o mt o p d o w n w a r d t h ee x c a v a t i o ns h o u l db ei i m i t e di nd e p t ha n d p o s s i b l yl i m i t e di n l e n g t hd e p e n d i n go nt h et y p eo fg m u n db e i n gs t a b i l i z e d am u c hl a r g em a s s c u tc a nc a u s ei n r e v e r s i b l ed i s p l a c e m e n t st h a ta r ed i s a d v a n t a g e o u st ot h e s l o p es t a b i l i t y i tw i l lg r e a t l yt h r e a t e nt h ec o n s t r u c t i o ns a f e t y , a n da l s ob r i n g d i s a d v a n t a g ef o rt h ei o n g t e r ms t a b i l i t yo fs l o p e k e y w o r d ：s o i ln a i l i n g ，h i g hs l o p e ，w e a t h e r e dg r a n i t e ，s t a b i l i t ya n a l y s i s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 论文选题来源 第一章绪论 西攀高速公路( 图1 - 1 ) 位于四川省雅安至攀枝花高速公路的南段，北起 西昌黄联关，南至攀枝花，是交通部规划的八条西部大通道之一的甘肃兰州 至云南磨憨口岸公路的重要组成部分，是四川省高速公路网的主干线之一， 也是四川省通往云南昆明的主要通道。沿线是汉、彝、僳僳族等多民族聚居 地。线路处于安宁河河谷下游，走向近南北。沿线交通较为便利，国道1 0 8 线、省道2 1 4 线贯穿该地区。 乡村经济以农业为主，安宁 河谷两岸土壤肥沃，盛产瓜 果、甘蔗、水稻、大豆等。 线路通过的大部分地段 与有“地质博物馆”之称的 成昆铁路平行，但垭口到攀 枝花段( 3 0 k m ) 偏离成昆铁 路。线路的大部分路段位于7 度至9 度地震设防区，地形 陡峻，地质条件十分复杂。 公路沿线气候潮湿，雨量充 沛，岩体的风化和卸荷作用 强烈，致使岩体破碎，山体 稳定性较差，各种不良地质现象广泛发育。西攀路的主要路段位于攀西地质 梯度带断裂形成的断层谷( 安宁河谷) ，由于地形、地质条件以及成昆铁路、 原1 0 8 国道、北京至昆明的光纤通信干道等的限制，线路选择的余地十分狭 小。尽管在初步设计选线时注意到现存的地质灾害地段，并进行了有效的绕 避，但仍有不可绕避的大型滑坡1 3 处，大中型泥石流沟2 1 处，高度大于3 0 米的高陡边坡5 0 多处，高填方数十处。 西攀高速公路许多开挖后的高陡边坡涉及到深厚坡残积物堆积层、全风 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 化及强风化花岗岩地层。经长期的风化、剥蚀、地下水等作用，坡残积物堆 积层和全，强风化花岗岩层在成份上复杂，结构上趋于不稳定，因而开挖后边 坡自稳定能力差。在这样的条件下，修建高速公路必然带来许多特殊的岩土 工程问题。例如，高边坡稳定性特别是长期稳定性问题：全风化及强风化花 岗岩开挖高边坡支护问题：在全风化及强风化花岗岩土层上高速公路填土路 堤的稳定和变形问题：高速公路建成后高边坡病害等问题。 对于上述高边坡稳定性问题，经过技术和经济比较分析，拟采用土钉支 护技术加以解决。为此选取西攀高速公路k 6 4 + 7 5 9 9 0 0 段关门高边坡土钉 支护工程作为工程实例，就“西攀路强风化花岗岩高边坡稳定性与防护研究” 项目进行土钉支护技术在全，强风化花岗岩高边坡支护工程中的应用研究。 1 2 土钉支护应用现状 土钉支护技术是在2 0 世纪5 0 年代的土层土钉技术和2 0 世纪6 0 年代的 加筋土技术的基础上发展起来的土钉支护技术是一种新型支护技术。由于其 便于施工、结构简单，造价相对于其他支护结构较低，国外和国内分别在2 0 世纪7 0 年代和8 0 年代迅速采用和研究发展了这项技术。当今已成为深基坑 和边坡工程中一项广泛应用的支护技术。然而，面对各种各样的地质条件和 复杂的环境条件进行施工作业，土钉支护技术在实际应用中尚存在许多不确 定因素。这些不确定因素主要包括由于环境条件、施工方法和施工步骤等因 素的变化造成的外力的不确定性，支护体系的差异和地层岩土的性质等地质 条件以及施工质量和现场管理水平等原因造成的变形的不确定性，地层岩土 性质的不确定性，同时还存在许多周围环境变化等偶然因素引起的不确定性。 由于这些诸多不确定因素的存在，土钉支护边坡工程中发生事故的概率往往 较高。在设计与施工中也很难制订一套标准模式，或用一套严密的理论和计 算方法，能够把握施工中可能发生的各种变化，往往只能采用理论计算与地 区经验相结合的半经验、半理论的方法进行设计和施工。 目前，体现我国土钉应用水平的国内现行规范或规程中涉及土钉支护的 主要有： 建设部建筑基坑支护技术规程( j g j l 2 0 9 9 ) ； 中国工程建设标准化协会基坑土钉支护技术规程( c e c s 9 6 ：9 7 ) ； 冶金部建筑基坑工程技术规范( y b 9 2 5 8 9 7 ) ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 广州、深圳等地方性基坑支护技术规范或规定。 以上规范或规程以基坑支护规程为主，并对土钉支护的应用条件加以一 定的限制。 建筑基坑支护技术规程( j g j l 2 0 - 9 9 ) 第3 3 1 条要求，土钉支护的 适宜高度一般不超过1 2 m 。与此同时，建筑基坑支护通常是短时间的( 临时 的) 支护结构。 基坑土钉支护技术规程( c e c s 9 6 ：9 7 ) 中第1 0 。3 条规定：“土钉支 护适用于下列土体：可塑、硬塑或坚硬的粘性土，胶结或弱胶结( 包括毛细 水粘结) 的粉土、砂土和角砾，填土，风化岩层等。”同时，第1 0 2 条规定： “本规程适用于基坑直立开挖或陡坡开挖时临时性土钉支护的设计与施工， 采用以钢筋作为中心钉体的钻孔注浆型土钉，基坑的深度不宜超过1 8 m ，使 用期限不宜超过1 8 个月。” 然而，对于作为长期支护结构的、高陡边坡的土钉支护我国现行规范尚 未有涉及。 西攀高速公路所穿越的地区主要为地质条件复杂的山区地带。涉及诸多 的高大陡边坡。地层多为深厚的全风化及强风化花岗岩和坡残积物堆积层。 在这样的情况下采用土钉支护结构，所支护的边坡高度己超过上述限制，同 时土钉支护将作为长期支护结构。 也就是说，这里的设计已经突破上述规程给定的作为土钉支护结构的这 两个关键条件( 边坡高度和使用时间) 。这样的突破可能存在危险。 为此，本科研项目以k 6 4 + 7 5 9 9 0 0 段关门高边坡工程为主要研究对象， 拟解决土钉支护在西攀高速公路全强风化花岗岩边坡中的稳定性等应用问 题。 1 3 研究的目标与内容 1 3 1 研究的目标 通过现场测试、数值模拟和仿真研究等手段对全，强风化花岗岩高边坡的 土钉支护工作性状、稳定性进行分析研究。拟解决土钉支护技术在全，强风化 花岗岩高边坡支护工程中的适宜性问题。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 3 2 研究的内容 以西攀高速公路关门边坡( k 6 4 + 6 9 0 9 0 0 ) 段全强风化花岗岩开挖高 边坡为典型工点进行研究，具体的研究内容如下： 1 、关门高边坡工程地质条件调查 目的是为建立高边坡岩土结构模型，为进行多种条件下的数值模拟分析 和仿真研究提供资料和依据。 2 、高边坡岩土物理力学室内试验 试验分析的目的是确定全强风化花岗岩在一定的含水率条件下的物理力 学参数，为数值模拟分析和仿真研究提供有关的资料与参数。 3 、高边坡的变形和稳定性的数值模拟分析和仿真研究 根据上述资料与参数，以关f - jk 6 4 + 6 9 0 9 0 0 试验段边坡岩土特性、边 坡结构和坡度为原型，利用数值模拟计算，对无支护全，强风化开挖高边坡和 土钉支护全，强风化开挖高边坡在开挖过程中和建成后的位移场、应力场和稳 定进行仿真研究。 目的在于，通过数值模拟和仿真研究，对土钉支护条件下全强风化开挖 高边坡进行全面的理论分析。 在此基础上，还可对土钉支护的有关设计参数进行优化研究，为更经济、 更合理的设计提供依据。 4 、土钉支护高边坡变形、土压力和土钉拉力的现场测试分析研究 以关门k 6 4 + 6 9 0 9 0 0 段全 ，强风化开挖高边坡为试验工点， 就坡表典型位置的变形、位移、 典型剖面混凝土喷层内侧土压 力、典型剖面土钉承受的拉力和 坡体位移进行测试。 目的在于获得在土钉支护下 坡体的土钉的受力、土压力的分 变- 芝芝熙毫冀：，兰兰 舅耋差 图l 一2 关门边坡测试断面位置 数值模拟分析和仿真研究的结 一一 果，使土钉支护技术在全，强风化 花岗岩高边坡支挡工程中具有坚实的理论基础和现场测试的验证。从而进一 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 步增强土钉支护技术在全强风化花岗岩高边坡支挡工程中的适宜性和可靠 性，扩大其使用范围。 5 、在全，强风化花岗岩高边坡支护中土钉支护技术适宜性的研究 目的是从整体上完成土钉支护技术在类似西攀高速公路地质条件下全，强 风化花岗岩高边坡适宜性的研究。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第二章土钉支护的特点与极限平衡设计方法 对于边坡支护来说，土钉是在开挖或加固应用中起着向土体传递荷载作 用的一个构件。随着边坡“自上而下”的分层开挖，分层置入土钉筋体。土 钉由于土体的开挖和施工后边坡的变形而被动受力，并通过钉一土相互作用来 发挥对边坡的加固效果，从而达到边坡的稳定。 2 1 土钉支护的优点与局限性 与其他支护类型相比，土钉支护技术具有以下优点【8 ，删： 1 、结构轻巧，工程量少，施工速度快。施工设备轻便，操作方法简单。 采用自上而下的逆作法施工，开挖与支护便于配合。 2 、对场地土的适应性强。一般来说，土钉支护特别适合于有一定粘性的 砂土和硬粘土。但即使是软土场地，在采取一定措施后也可以用土钉支护。 3 、性能可靠。相对于预应力锚杆类的支挡结构，土钉设置密度较大，数 量众多的土钉作为群体起作用，个别土钉出现质量问题或失效对整体影响不 大。还可以根据现场开挖发现的土质情况和现场监测情况，调整土钉设置参 数。万一出现不利情况，能及时采取措施加固，避免出现大的事故。 4 、土钉结构轻巧，柔性大，自重小，可适应较大的整体和局部沉降。有 文献证明土钉挡土墙在地震荷载条件下运行良好【3 1 1 。 5 、经济。根据国外经验，土钉支护在欧洲可比一般的墙桩支护节约造价 1 0 3 0 。我国的施工现场由于劳动力相对低廉，而机械设备的台班费昂 贵，所以土钉支护比起灌注桩等支护约可节约造价1 3 缃刚。 土钉支护技术的缺点或局限性有【8 ，删： 1 、与预应力锚杆类挡墙相比，土钉水平位移稍大。 2 、由于土钉的成孔要求和抗拔力要求，土钉在软粘土、高灵敏度粘土或 膨胀土地层需要作精细的评估并采取谨慎措施。 3 、土钉适用于地下水位以上。用于地下水位以下时须采取有效降水措施。 由以上土钉支护特点可见，在西攀高速公路的多数边坡工程中，不需要 有很严格的位移控制，全，强风化花岗岩地层中土钉能够获得较大的握裹力， 采用这种结构轻巧、柔性大、抗震性好的支护是有信心的。但对于高大边坡 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 仍应作谨慎评估。 2 2 土钉支护工作性能的研究 2 2 1土钉支护工作性能的试验研究 国外迄今已对土钉支护作了一些大型的量测试验，其中也有专门为试验 而修建的工程。几个典型的试验包括；德国k a r l s r u h e 大学岩土力学研究所大 型土钉支护试验( 1 9 7 5 ) ，法国c o l u t e r r e 土钉支护试验研究( 1 9 8 6 ) ，美国 s h e n 等在加州d a v i s 分校建造的土钉支护足尺模型( 19 8 1 ) ， 从这些量测结果可看出土钉支护的基本工作特点有： 1 、随着往下开挖，被支护的土体不断向外位移。在均匀土质中，支护面 的位移曲线沿高度大体呈线性，类似绕趾部向外转动，最大位移发生在顶部。 从为数极少的支护破坏现象发现，土体的破坏滑裂面从顶部发展，靠近顶面 的土钉先拔出，然后依次向下发展，是一个连续破坏的过程。 2 、土钉主要受拉工作，沿全长的拉力分布不均匀，最大拉力部位一般在 土体的可能滑裂面上。 3 、支护面( 喷射混凝土) 背后的土压力沿高度分布为中间大，上下小，接 近梯形而不是三角形，压力的数值也要比通常认为的理论计算值( 如r a n k i n e 主动土压力l 低得多。 国内自太原煤炭研究院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。此后的一段时间，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 算方法等方面。与国外相比，在软弱土层应用、砂层注浆钉应用、土钉与预 应力锚索联合使用、超前加固等方面体现了其特色。 2 2 2 土钉支护工作性能的有限元分析 有限元法作为一种求解微分方程的数值方法已在土建工程中广泛用于求 解各种边值问题。涉及到土的问题却更为复杂，要得到精确的计算结果一般 是相当困难的。但是，只要适当选取计算模型及输入参数，对土工问题也能 得到令人满意的结果。对问题的定性分析更是如此。 美国加州大学d a v i s 分校的沈智刚等人曾用有限元法分析土钉支护体系 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 中一些参数对其工作性能的影响。计算表明，土钉的俯角以1 5 。2 5 。为佳 l 。影响体系变形的主要参数有施工过程、基坑深度、土的性质以及土钉的 长度、直径和间距等。如支护设计合理，则基坑的变形完全可以不大于采用 传统支护方法时的变形。他们所给出的一个算例表明土钉长度和坑深之比l h 减小时支护效果降低。土钉主要受拉工作。为使设计计算简化，仅考虑土钉 受拉工作是合适的。不计土钉的抗弯刚度不致引起很大误差，对安全系数的 影响不会超过15 3 = - 1 。 国内清华大学宋二祥等也采用土工有限元程序p u l s 进行了土钉支护 的分析研究。它同样采用平面假定。研究验证了面层厚度对支护体系性能的 影响不大，由于土钉的分布较密，面层的力学作用并不重要，面层混凝土的 作用主要是用以防止坑壁土的松动和局部塌落。在土钉长度方面，由于土钉 的作用机理首先是对土体的加固作用，所以它与锚杆的一个重要不同点是它 的长度并不一定要穿过滑裂面。这样就不一定要求上层土钉的长度要大于下 层土钉的长度。在国外文献中常见的情形是各层土钉的长度相同。但上层土 钉加长时，自然会减小基坑的变形。土钉的轴力随着开挖深度的增加而增加。 2 3 土钉支护的破坏形式 土钉置入现场土体后，如果土体不变形，土钉就不会受力。随着往下开 挖或坡顶施加荷载，土体发生变形，于是通过土体与土钉以及土体与钻孔注 浆之间的界面作用使土钉参与工作。 土钉支护的可能破坏形式有【3 5 】： ( a ) 土钉边坡的外部破坏形式( b ) 土钉边坡的内部破坏形式 图2 - 1土钉支护边坡的可能破坏形式示意图 1 、外部破坏。密集的土钉与周围土体形成一个加固的整体，若可能发生 剪切滑移破坏，则呈整体破坏形式，这时的土钉支护就如一个重力式挡土墙。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 在墙体内部，土钉沿全长受拉。 h jt t ， t 坏蛳t 扣心 图2 2 土钉支护边坡外部破坏形式示例 2 、内部破坏。可能滑裂面穿过土钉加固土体的全部或下部。这时的土体 被滑裂面分割成主动区和抗力区两部分。前者向外运动，由于钉一土问粘着力 或摩擦力作用，使土钉的拉力从端部起逐渐增加并在滑裂面上达到峰值。这 一峰值拉力依靠土钉传到抗力区内，所以抗力区内土体与土钉之间的界面剪 力方向与主动区内相反。于是可发生两种类型的土钉破坏：或者是土钉在最 大受力截面处拉断，或者是土钉被拔出。土钉的受拉破坏还在一定程度上受 到其它因素的影响，如在滑裂面上，土钉不可避免的还会同时受到剪力和弯 曲的作用。 冀蟹垦。 ，匿更垦 图2 3 土钉支护边坡内部破坏形式示例 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 2 4 土钉支护的极限平衡设计计算方法 依据土钉的不同破坏形式，土钉支护的极限平衡分析一般分为内部稳定 性分析和外部稳定性分析两个部分。国内外针对土钉支护计算提出了多种方 法，但总体上仍然含有较多经验的成分，设计方法比较粗糙。土钉支护的外 部稳定性计算通常参照重力式挡土墙的抗滑、抗倾覆等计算进行。土钉支护 的内部稳定性极限平衡分析是土钉设计的核心内容。在内部稳定性计算中， 滑裂面形状的确定是计算的基础。同时，由于土钉体系的极限平衡模型是一 个高次静不定结构，求解中需要以土钉的受力形式等作为限制条件。即：滑 裂面形状和土钉受力形式是内部稳定性分析的两个核心。然而，现行这些算 法分歧的中心问题恰恰就在滑裂面形状和土钉受力形式假定两个方面。 国内涉及土钉支护的各种现行规范规程中，设计方法以建设部建筑基 坑支护技术规程( j g j l 2 0 - 9 9 ) 方法和冶金部建筑基坑工程技术规范 ( y b 9 2 5 8 9 7 ) 的王步云法为主。( 图2 4 ) 4 参译忿 ( a ) j g j l2 0 9 9 的假定直线滑 裂面形式图示 r 蔗br 万守x 广一 | r 、 2 0 0 或2 0 1 6 k n ，满足设计要 求。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 0 页 6 2 数值模拟和仿真研究 6 2 1p l a x i s 数值模拟的模型 有限元二维数值模拟工作选取关门高边坡两个测试断面中最高断面，也 是整个高边坡最高断面( 最不利位置) 的l 2 断面( k 6 4 + 8 1 7 ) 进行。有关土 钉支护结构的p l a x i s 程序有限元模型的建立方法在第三章中已经作了介绍。 p u i s 数值模拟中各土层参数根据地质调查结果表5 2 “各岩土层物 理力学参数表”输入。土钉单位宽度抗拉强度点= 6 1 5 5 1 0 4k n m ，喷射 混凝土面层单位宽度抗拉强度点= 1 1 0 6k n m ，厚度d = 0 1 m 。 关门高边坡p l a x i s 数值模拟和仿真研究中边坡模型和有限元网格划分 如图6 1 2 所示。计算中使用1 5 节点单元。 图中土的材料从上到下依次模拟坡洪积层q 4 d l + p o ( 黄色) ，全，强风化花岗 岩y ( 粉色) ，强，弱风化花岗岩y ( 粉红色) 和弱，未风化花岗岩y ( 红色) 。 图6 1 2 数值模拟和仿真研究的模型与网格划分 6 2 2 施工阶段的数值模拟和仿真研究 使用p l a x i s 程序对关门高边坡施工过程中的以下不同工况分别进行了 建模计算和仿真研究等理论研究： 工况1 ，边坡未开挖时的初始状态； 工况2 ，最上级边坡开挖，无支护； 工况3 ，上两级边坡开挖，无支护： 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 1 页 工况4 ，上两级边坡开挖，并加支护： 工况5 ，边坡全部开挖，最下级边坡无支护； 工况6 ，边坡全部开挖，并加支护 具体计算过程和计算结果如下。 1 、边坡朱开挖时的初始状态( 工况1 ) 调整重力系数罗一m 。咖1 ，施加重力，产生边坡初始应力场。这一步 产生的位移将在下一步计算时清零。 2 、最上级l 第三级) 边坡开挖，无支护( 工况2 ) 计算所得总位移如图6 - 13 ( a ) 所示。由图可见，边坡在第三级开挖后最大 位移产生在开挖体底部靠近坡面位置，以底面隆起位移为主。最大位移 3 1 8 m m 。 3 、上两级边坡开挖，无支护( 工况3 ) 边坡的实际施工中，在第三级开挖后未予支护就接着进行了第二级边坡 的开挖。本步骤模拟第二级边坡开挖后的状态。计算结果如图6 - 1 3 所示。 由图可见，边坡在第二级开挖后最大位移仍然产生在开挖体底部，以底 面隆起位移为主，最大位移6 4 5 m m 。坡面最大水平位移8 m m 。 开挖面处大主应力方向大致与开挖面平行。第二级边坡底部沿全强风化 层下分界面附近有塑性区产生。 4 、上两级边坡开挖，并加支护( 工况4 ) 边坡施工中，第二级开挖后对二、三级边坡进行了土钉支护和面层挂网 以及喷射混凝土施工。在上一工况数值计算模型的基础上，激活土钉和面层 的板单元对于本工况进行模拟。位移计算结果如图6 1 3 ( c ) 所示。 图6 13 ( c ) 与图6 13 ( b ) 基本相同。这与土体开挖是边坡应力应变状态调 整的根本原因的现实是一致的。 5 、边坡全部开挖，最下级边坡无支护( 工况5 ) 边坡施工中，接下来进行了第一级边坡的开挖。对于开挖完成后，第一 级边坡未支护工况的数值模拟位移计算结果如图6 - 1 3 ( d ) 所示。 由图可见，边坡在第一级开挖后除底部有较大隆起位移外，在边坡开挖 面，特别是第一级边坡开挖面产生有较大位移。最大水平位移为3 6 1 m m 。 第二、三级边坡土钉的施加对第二级边坡底部原塑性区的发展有所抑制，但 此时在第一级边底部有新的塑性区形成。如果塑性区进一步扩大，有发展成 为滑裂面的危险( 图6 - 1 6 ) 。由于第一级边坡尚未支护，此时的边坡将处于施 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 2 页 工过程中的最不利状态。 6 、边坡全部开挖，并加支护( t 况6 ) 在第一级边坡的开挖完成后，进行了本级边坡的土钉支护和混凝土挡墙 施工。对挡墙施工后的工况模拟位移计算结果如图6 1 3 ( e ) 、图6 1 3 ( f ) 所示。 图6 1 3 ( e ) 与图6 - 1 3 ( d ) 基本相同，说明在第一级边坡土钉安装前后坡体 应力场、位移场没有明显变化。开挖面最大水平位移3 7 0 8 r n m ( 在安装第一级 土钉和进行钢筋混凝土挡墙前已发生) 。 ( a ) 工况2 总位移等值云图( u e m r m 。= 3 2 r a m ) ( b ) 工况3 总位移等值云图( u m 。= 6 4 m m ( ) 工况4 总位移等值云图( u 。m 。= 6 4 m m ) ( d ) 工况5 总位移等值云图( u 。，d r 。= 7 5 m m ( e ) 工况6 总位移等值云图( u 。x t ，m 。= 7 5 r a m )( 。工况6 总位移矢量图( u 。x * m e = 7 5 r a m ) 图6 1 3 各工况总位移计算结果 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 3 页 上两级边坡开挖( 工况3 ) 和最下一级边坡开挖( 工况5 ) 两次开挖后的 边坡位移、应力计算结果如下。 ( a ) 工况3 水平位移等值云图( b ) 工况5 水平位移矢量图 ( u e x t m m e = 2 0 m m )( u x e n m m e = - 3 6 m m ) ( c ) 工况5 水平位移等值云图( d ) 工况6 水平位移等值云图 ( u x e x t r e m e = - 3 6 m m )( u e x i r e m e = - 3 7 m m ) 图6 - 1 4 两次开挖结束后水平位移计算结果 ( a ) 工况3 ：二，三级边坡开挖后( b ) 工况5 ：一级边坡开挖后 图6 1 5 两次开挖结束后边坡的主应力方向图 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 4 页 ( a ) - t - - ；x , 3 ：二、三级边坡开挖后( b ) 工况5 ：一级边坡开挖后 图6 16 两次开挖结束后边坡的塑性区分布图 ( 图中红色点为塑性点，黑色点为拉应力点) 图6 1 7 土钉轴力图 ( 工况6 ：边坡全部开挖，并加支护。最大值6 9 6 k n m ) 第一级边坡的岩层较好，该级土钉的作用到目前为止不明显。但就长期 而言，该级边坡土钉将起到保障长期稳定性、增强安