土钉支护体系稳定性数值研七

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0.60-3.0mm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。泽为了建对立土钉浮抗拔作微用的力送学模型渗，首先特应分析就抗拔试斥验时的格剪应力坚-观位移曲裂线。土脆钉抗拔亮作用下纠的剪应文力危-耕位移曲塌线根据德文献差【施1,5尖,6抗】栏可简化沃成图任3-1节的肚段和动段。姓段表示缎随着位未移的增救加，剪父应力与滤位移呈叛非线性胳增加，仪表现为始土体被室压实，嚷并具有劣弹性体绿性质；裁段说明凯了当钉牲土间的围相对位拜移达到巡一定值备(俘)坊后技,记钉土间伤的剪应姻力保持学不变，伟整个土慨钉发生气均匀移刮动，土们体已发象生剪切丈破坏。叼根据图诞3-1精,犹可以写丙出下面例的表达团式。前当逝时；热哑俯俯孩塞(3级.3)派当汤时；料饭去首森眨(3.相4)在以上两抗式中的劈为峰值袜剪应力活，冰为达到隆峰值剪旋应力时稠所需的领最小位鉴移，码表示土速钉睛断面处宜的位移去（见下抗文），中为剪切吹变形系倘数德(倡kPa递/m)筹，其值弦与土体驶性质、救土钉表矛面的特滤性、土选钉上部骂的垂直集应力大辽小等因泄素有关钥。可根苹据实测瘦资料计恰算或根费据表时3-1庄确定。哗设土钉袭钉头（秒土钉与逼面层交允点位置独）作用州着大小赛为牲的拉力私，土钉悼的长度钟为参,慕以土钉隐自由端煤为坐标姿原点，典土钉轴价线为坐钻标轴建祸立如图趣3.2超(a)集所示的笋坐标系蔽。沿坐酬标方向拔，在距将离坐标鞭原点位垒置为载处取一匪长度为壤的单元昏进行分旅析，取印方向为叼作用力昆的正方怠向贝,丛根据单婚元的平岸衡条件走有努穴顷刃州妇合(表3.5猎)庙式中，姑为土钉枕直径，等为殊截面处底的轴向奖拉力。素根据土映钉拉伸筹变形收与轴力艳的关系嚼有：羡搏具在逝俘局街(3叶.6)去断面的垃轴力为智波置枝伍翻宋艺(3.面7)满上式中斩，两,伪为有效口土钉模筒量，补分别为护土钉的刊浆体及发钢筋模随量，晕分别为继土钉的案浆体及肾钢筋的燕横截面巩面积。茫根据惊断面处走力的平挺衡条件掏得即芦愉炒灰环斩叛(丙3.8控)匹土钉任钱一截面雄处的位来移等于侨土钉的餐刚体位艇移与土病钉拉伸轻变性之讯和，则挺断面处袜土钉的哑总位移拔为烟伸阅忆蒸(查3.9针)容式中狱为土钉慨断面处临土钉的榆拉伸变作形量，锣为土钉芒刚体位售移。由事于土钉卧自由端邀不受拉镰力作用声，因此圈自由端倍的拉伸泛变形量若为零，死其位移辛即为土判钉刚体谊位移。丑上式对孙求一阶珍导数得锡恭恭蛋叮茫腰免仇(3.目10)信将汗(猾3.8裁)钳式代入状上式得毕台境勾秩班前密(3培.11怎)惑上式对霸再求一绸阶导数鼻得羞瞒恨渴垮感歼纤千祝(畅3.1毅2)检方程（改3.1撞2痒）可以刊写成下乐面的形怕式固当糟时；残句戴叫椅(3例.13婶)允当愿时；聚敞莲蹲朱(驴3.1握4)匀方程（浆3.1趟3倍）的通替解为途讽爸缓影妇弊捉址(3.魂15)骆方程免(并3.1性4)连的通解功为弱劣闭俯击靠肢帝袜食员(3旋.16嘉)色上式中泼，龄表示土裹钉对土者体的相地对刚度惜，其量描刚为长问度。莲钢管抗潮拔试验僚【尼53再】哗和加筋沸土的抗丝拔试验斩【男5虹】泛表明，声在土体铁未发生恶剪切坡记坏前（掩受拉杆帽件为发作生均匀控移动前拐），拉跑拔端的仍位移最蚊大；位歉移由抗躁拔端向凤自由端景逐渐减抬小到零各。由于重钢管常茶在工程盯中被用欲作打入瓦式土钉墓或注浆卷式土钉岛的拉筋嚼，因此坝，文献是53庸中的抗岁拔试验闹等同于别土钉的白抗拔试孕验。因担此当撕时，勺，土钉患的位移野最大。搅在土钉恭被拔出搬的过程积中，土痛钉各点取处的位肤移相同芝，即土救钉发生锯均匀移塌动，开促始发生烘抗拔破猫坏，不爬会存在或的情况箩。因此前应该只动考虑忽时土钉脉的受力少及变形役情况。迁将方程丝(余3.1吊6)域代入到济方程技(者3.8构)臣中得棚学齿易(3.递17)软只要确安定了系均数龙,陪，测得猴剪切变碍形系数载，就可胀以计算扶出位移猴、轴力足、剪力餐沿土钉霉的轴向信分布规承律。状,究根据下逐面的边寻界条件瞎确定。遥1)痛厌当讨时，事,绍代入到姓(虫3.1破7)漫式得绩省患德转乳脂竹菜浆度歉类航(匙3.1躁8)蚊2)卫帮当把时，厌,闷代入到默(取3.1别7)桶式得曲舒京史裤(3楼.19挖)惊上面两证个边界叉条件还举不能确项定企的值，辟还需一夕个条件蹄。当土降钉某个省断面的请位移（去或轴力溜）已知歉时，则夫根据位顶移表达涂式（或霸轴力表僻达式）锣，并结钳合戏(络3.1更8)丙、登(揪3.1术9)茅两式便脉可以确宅定出系蚁数赖的值。贼考虑到摄工程中喉经常测鼓量土钉畜拉拔端陷处的钉踪头位移奏，在此爱仅对该唇情况进膝行分析绘，对于示土钉某斧点处的长位移或劲轴力已膀测得的仅情况，续其分析食方法是童相似的畅。丰假设土服钉钉头炕处的位拌移实测蹦值为洗，将妥时，丽代入方顿程洗(捎3.1犬6)躺得咐由偿答喇眯模落浇糠陪警(3.娃20)构令东,牧由方程课(棕2.2脚.18扛)姐、精(遭2.2搞.19叠)宪、梢(狼2.2球.20赖)孔解得柏3瞒.4手工程实扒例分析皂北京方铁庄住宅怎小区芳谅城园逝1盘号楼工惊程基坑毯深烂11.陆2-1控2.0闯m关，采用飘土钉支晌护，为法了了解介土钉的涝工作性胃能，实售测土钉松的抗拔困力而做蹲了四组链土钉抗输拔试验吨。现对尺编号为高01自的土钉品试验进蒸行分析脑。该土呼钉处于鼓粉质粘炕土层中庄，试验豆结果见带表摸3-1找，试验全的拉力凶-质位移曲歼线见图千3.3甚-a复中的折誓线。番表雄3-1勇:巡01晚土钉抗笨拔试验急记录表吵土层类搜别键土钉资膊料秋注浆资亲料边检验荷横载迎(绿kN)项油压表核读数曲(裙MPa歼)秧钉头位仁移读数凭(储mm)游位移增歇量倚(眼mm)司水泥浆广，水啦48内10食15倚φ抓28碰钢筋，勒与水泥案之比辞99漂20导18罢3牢粉质粘颤土切长度此6m藏，旅为堆0.4侦5:1释，动123岔25声20扯2乘倾角吓10胸°挺泵压注鸟浆巧138脏28榴23裁3筒168查34拴25足2挤根据试唱验结果过，采用园下面的观算式近恭似确定串剪切变携形系数恳上式中林为试验愁加载次具数，横，怠分别为骡相邻两冰次荷载谊增量与草钉头位挽移增量普值，法为土钉她的倾角盗。闸图巴3.3炭中的各啊条曲线旗是根据册上面推葡导的公笔式所计钢算的最垫后一次揭抗拔加与载的结腊果，计缴算中选肿取的参环数见表好3-2尿根据计侦算结果是所绘制水的曲线坏图可以驳看得出我，轴力哄随土钉少位移的你增大而采增大，不理论曲骗线与轴唤力等于粥拉拔荷离载时的师实测曲绩线基本编吻合垮(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