土钉支护系统稳定性数值研七

PAGE1PAGE203.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。由此可见，抗拔作用下钉土系统荷载的传递过程可以简单描述为：土钉的位移和轴向拉力向内（沿长度方向）递减，土钉周侧的摩擦阻力向内逐步被调动起来。3.3抗拔作用的力学模型土钉【49,52】与钢管【53】的抗拔试验的剪应力-位移关系可简化成图3-1所示的实线部分,这种剪应力-位移关系曲线在形式上和高强度有纺土工织物加筋土抗拔试验的剪应力-位移曲线【51】极其相似。溪为了建立星土钉抗拔邻作用的力由学模型，有首先应分拐析抗拔试撇验时的剪芽应力见-佣位移曲线修。土钉抗寒拔作用下峡的剪应力彻-抄位移曲线畏根据文献嫌【续1,5,沾6继】恋可简化成谜图捡3-1轿的故段和嚼段。糠段表示随习着位移的哑增加，剪浆应力与位写移呈非线断性增加，痒表现为土邮体被压实岂，并具有穴弹性体性傅质；给段说明了玉当钉土间纽的相对位鬼移达到一弄定值该(雅)歌后张,捆钉土间的泰剪应力保复持不变，没整个土钉肤发生均匀匠移动，土么体已发生体剪切破坏棒。惧根据图历3-1,肠可以写出美下面的表活达式。诸当坝时；拥絮捡哲趴(3.3筒)遥当画时；浴改殿腊(捉3.4)始以上两式道中的怪为峰值剪生应力，涂为达到峰使值剪应力今时所需的多最小位移覆，静表示土钉萌断面处的望位移（见宴下文），传为剪切变毫形系数灰(先kPa/包m)摆，其值与包土体性质拦、土钉表委面的特性概、土钉上谈部的垂直训应力大小邮等因素有监关。可根属据实测资县料计算或酱根据表维3-1签确定。饼设土钉钉底头（土钉谱与面层交瓦点位置）乱作用着大丰小为烈的拉力，却土钉的长跌度为去,溪以土钉自填由端为坐迅标原点，则土钉轴线球为坐标轴顺建立如图捕3.2(博a)谅所示的坐盼标系。沿毯坐标方向孕，在距离嚼坐标原点贵位置为崭处取一长福度为乖的单元进顽行分析，网取并方向为作太用力的正狸方向搜,己根据单元格的平衡条貌件有令大垦议施择(3.5愉)绝式中，疑为土钉直庆径，饼为阶截面处的棕轴向拉力和。馒根据土钉你拉伸变形羞与轴力衫的关系有充：贫墨猛酷御驻(3听.6)餐断面的轴箩力为劈鸭鸭染验烛(3.转7)宰上式中，碌,腥为有效土肺钉模量，浮分别为土注钉的浆体棒及钢筋模桥量，种分别为土乡钉的浆体宵及钢筋的同横截面面光积。插根据牺断面处力蚊的平衡条泼件得即帆悲泳刃叮吊(3.8凡)牛土钉任一原截面处的若位移等于壶土钉的刚凝体位移与疯土钉拉伸夺变性之和开，则吉断面处土业钉的总位伪移为读型呈缴(3龟.9)宗式中摇为土钉独断面处土味钉的拉伸痒变形量，飘为土钉刚庭体位移。茫由于土钉美自由端不嫁受拉力作升用，因此淘自由端的络拉伸变形身量为零，哀其位移即去为土钉刚奇体位移。伴上式对波求一阶导酒数得术津纽河夸删婶(3.1砌0)捉将炼(途3.8)茂式代入上侦式得益叮挖团钱参(3咱.11)饮上式对绑再求一阶策导数得哄蔑阿效稀扫南秤(3.句12)成方程（腿3.12妈）可以写夫成下面的肢形式学当汤时；设磨祸漫(3.朽13)索当态时；付劈橡往(3怖.14)哨方程（戒3.13参）的通解缝为练彩宇樱阁冰咳(3.1谨5)费方程尖(朱3.14学)节的通解为蒙佳候谁幸胖刃战(浓3.16序)符上式中证，衔表示土钉先对土体的俊相对刚度杏，其量刚推为长度。绵钢管抗拔挂试验准【慢53钻】吃和加筋土诚的抗拔试创验砍【闪5躁】屈表明，在蒸土体未发钉生剪切坡鹊坏前（受学拉杆件为颈发生均匀帝移动前）性，拉拔端盆的位移最机大；位移擦由抗拔端协向自由端膝逐渐减小永到零。由油于钢管常尚在工程中达被用作打寸入式土钉中或注浆式挪土钉的拉快筋，因此香，文献躬53测中的抗拔澡试验等同觉于土钉的汁抗拔试验刻。因此当栽时，跪，土钉的眉位移最大著。在土钉郑被拔出的两过程中，伸土钉各点露处的位移纠相同，即绳土钉发生帐均匀移动素，开始发瞧生抗拔破罢坏，不会稿存在泊的情况。识因此应该询只考虑庄时土钉的仅受力及变山形情况。破将方程绿(舱3.16员)洒代入到方恢程环(背3.8)棚中得眯肝肠(3.帆17)蛙只要确定驰了系数偶,湖，测得剪赶切变形系欧数良，就可以世计算出位骑移、轴力疗、剪力沿巩土钉的轴扬向分布规码律。遣,竹根据下面秆的边界条隶件确定。芳1)壁当鸟时，升,厕代入到坊(萍3.17抬)爷式得猎镰公渗婶焰彩卵邻看极(3.后18)稿2)农当王时，放,元代入到咬(武3.17独)柴式得辨悲柔群(3.宜19)承上面两个陡边界条件哗还不能确渡定熄的值，还做需一个条谈件。当土言钉某个断告面的位移棵（或轴力证）已知时贵，则根据豪位移表达披式（或轴惭力表达式希），并结暂合归(离3.18拐)望、欣(焦3.19捆)古两式便可找以确定出展系数央的值。考稍虑到工程蚀中经常测匪量土钉拉最拔端处的适钉头位移殖，在此仅遥对该情况镇进行分析孕，对于土新钉某点处计的位移或苦轴力已测归得的情况哈，其分析恐方法是相谱似的。河假设土钉假钉头处的奋位移实测李值为英，将岁时，验代入方程茫(啊3.16洪)械得绝扶絮头邀黄隆渐防(3.扩20)殖令反,震由方程余(白2.2.杨18)系、霉(怪2.2.派19)但、椒(信2.2.尸20)摊解得矛3奶.4般工程实例内分析秧北京方庄但住宅小区肝芳城园战1敞号楼工程猛基坑深鞭11.2些-12.涂0m懂，采用土盛钉支护，围为了了解摊土钉的工武作性能，钢实测土钉甘的抗拔力冷而做了四榨组土钉抗笑拔试验。视现对编号冤为半01奖的土钉试溉验进行分楚析。该土事钉处于粉饿质粘土层馆中，试验镇结果见表太3-1嘉，试验的洒拉力订-宽位移曲线催见图谜3.3-根a乎中的折线房。规表箩3-1:俊01土土钉抗拔纤试验记录圾表美土层类别暂土钉资料唱注浆资料抢检验荷载欢(柳kN)紫油压表读隆数望(图MPa)朵钉头位移抛读数碰(蝴mm)易位移增量披(货mm)块水泥浆，收水挪48柿10士15熊φ安28委钢筋，砌与水泥之渣比遭99经20拍18微3注粉质粘土数长度灿6m疏，榜为骨0.45培:1盆，胃123次25益20殊2律倾角场10己°症泵压注浆换138闸28束23报3沉168丢34演25馅2角根据试验麦结果，采仪用下面的稳算式近似柏确定剪切追变形系数鹅上式中幅为试验加捉载次数，坐，度分别为相策邻两次荷俭载增量与皇钉头位移菠增量值，踢为土钉的遮倾角。秧图走3.3扁中的各条拜曲线是根秀据上面推顽导的公式饲所计算的说最后一次粱抗拔加载盖的结果，钻计算中选侄取的参数谱见表曾3-2搅根据计算扫结果所绘怒制的曲线童图可以看客得出，轴今力随土钉苹位移的增倦大而增大芬，理论曲侧线与轴力素等于拉拔贱荷载时的防实测曲线拢基本吻合怜(予图得3.3-宽a)材，剪应力挣-悟位移曲线池、剪应力攀-惯轴向坐标猴曲线、位墨移圾-锤轴向坐标顶曲线呈线俩性递增关滔系变化。青这是由于港采用了图望3.1荐中的剪应垃力蛇-霞位移关系迅的线性简进化模型。刺所有这些街曲线的变戴化规律和亩前面所分理析的土钉摸抗拔荷载柄传递机理娃规律是一改致的。所坊有这些曲仅线关系很蛛好地说明填了抗拔作赵用下钉土御系统荷载块的传递过甚程，即：佛土钉的位答移和轴向望拉力向内钉土钉自由陵端方向递政减，土钉扰周侧的摩涉擦阻力向呀内逐步被述调动起来润。从图龄3.3-笼e闲可以看出堪，土钉自树由端处的叫位移量不傻为零，说蚁明土钉开沸始被拔出挺，该点的子位移即为离土钉的刚副体位移。欣从图中的娇曲线可以绸看出，在蛇土钉被拔院出前，土绘钉位移量创的大小对变于土钉轴拍力及剪力什的分布起覆着决定作寇用，因此浮土钉支护良设计中应劳采用荷载君传递函数夜来确定土停钉的极限梳平均抗拔香力。即根丢据轴力与裹位移关系塘来确定土擦钉的抗拔寇力，这样贤才能与实怜际相符。昼目前土体盛剪切变形邻系数最常送用的方法情是根据实垄测的剪应恼力在-墙位移曲线烤，按照最皂小误差条洽件来确定镜【粮53价】喊，在缺少闷试验资料鼻的前提下不,顺剪切变形参系数可按诞照表滤3-3神确定滤【恒53氧】号。雹表异3-2嚼学计算参数业表阀土钉长度疯(询m)饭土钉倾角率(舱)寒钻孔直径反(明m)缓钢筋直径垃(鹅m)陶钢筋模量缘(燕MPa)婆混凝土模这量窜(勒MPa)含拉拔荷载泊(税kN)果钉头位移封(未m)印剪切变形奸系数度(傻kPa/导m)鸭6乱10嫁0.13版0.02娃8生210舟20技168宏25旋2550催值得注意慌的是，该旷表中的数模据是根据骨表面光滑丘的钢管抗揉拔试验结冶果统计得队出的，对校于打入式贪土钉有很怜大的参考馆价值。但友对于注浆号土钉则不虏太适用。雾因为注浆如土钉的侧状面比钢管侄侧面粗糙裂得多，因位此土体颗穿粒与浆体资之间出现扯嵌锁现象叠，由于嵌耕锁作用，亿土体与土节钉间产生春高摩阻力树，提高了线剪切变形们