时间：2015-12-20 23:59:45 所属分类：建筑科学 浏览量:
引 言 土钉支护是土体加筋技术的一种，其发展始于 20世纪 70 年代，80 年代引入我国，90 年代逐渐应用于基坑支护工程。它具有成本低、速度快、设备简单、对场地土层的适应性强、易于推广等特点，因此得到了越来越广泛的应用，积累了丰富的经验，并取得了良好
引 言
土钉支护是土体加筋技术的一种，其发展始于 20世纪 70 年代，80 年代引入我国，90 年代逐渐应用于基坑支护工程。它具有成本低、速度快、设备简单、对场地土层的适应性强、易于推广等特点，因此得到了越来越广泛的应用，积累了丰富的经验，并取得了良好的经济效益和社会效益，以至于成为了一些土质较好地区深度不大的基坑的主要支护形式。目前，土钉的应用范围越来越广，应用土钉的基坑越来越深，土钉与其他支护形式联合使用越来越多。
相对于土钉墙的广泛应用而言，对土钉墙的理论研究相对滞后，尤其是对其破坏机理的研究还很不充分，土钉墙的破坏机理及破坏形态尚不清楚，尤其是基坑超过一定深度后普通土钉墙变形较大，坡体出现裂缝后变形发展及滑动面转移较快，且有些不适合用土钉墙的基坑工程也在盲目使用土钉墙，导致目前土钉墙的事故率较高，造成大量的经济损失和人身伤亡。
以往对土钉墙的研究大多采用模型试验或工程现场实测，缺少大规模的足尺实验研究。工程现场测试研究只能反映土钉墙工作状态的各种参数，无法做破坏性实验，实验室的模型实验又受到实验模型的尺寸等方面的影响，与实际工程存在一定的差距，现场足尺实验很少见到。中国建筑科学研究院地基基础研究所完成了模拟实际施工过程的土钉墙足尺实验[1],对土钉墙的土钉轴力、位移等进行了实测，并进行了堆载试验。通过对足尺实验的现场实测，对土钉内力随基坑开挖的变化规律以及土钉墙后土体变形随基坑开挖的变化规律进行了研究。本文介绍了足尺实验的土钉墙变形及土钉内力，并通过数值分析进一步对土钉墙的变形及土钉内力特征进行了研究。 1 足尺实验 足尺实验在地基所的顺义基地进行。场地内的土层，按地层岩性及工程特性划分为 8 个大层，自上而下分别为： 人工堆积层： ①层杂填土； 第四纪沉积层：②层砂质粉土，③层粉质黏土，④层粉砂层，⑤层细砂层，⑥层卵石层，⑦层粉质黏土，⑧层卵石层。土性指标见表 1,表中带* 的值为经验值。【1】
试验基坑长约 34m,宽约 20m,深度为 10m,基底位于细砂⑤底部和卵石⑥顶部。支护结构采用土钉墙，土钉墙坡度为 1∶ 0. 2,设置 6 排土钉，土钉长度分别为 12m、9m、9m、9m、6m、4. 5m,土钉采用梅花形布置，垂直间距和水平间距皆为 1. 5m,土钉采用人工洛阳铲成孔，孔径 110mm,土钉倾角 10°，注浆采用水灰比为 0. 5 的水泥净浆，水泥采用 P. S. A32. 5 水泥，面层厚度 80mm,采用 C20 的喷射混凝土，面层配筋采用钢筋网片和纵横两个方向的加强筋，钢筋网片采用6. 5@ 200 ×200mm,加强钢筋采用 16@ 1500.
本次试验的测试内容主要是变形测试和钢筋内力测试。变形测试主要是在土钉墙返坡设置变形观测点，实测基坑的坑顶水平位移。钢筋内力测试采用钢筋测力计来测试，本次试验采用两种钢筋测力计，量程分别为 150kN 和 100kN,其中量程为 150kN 的钢筋测力计用于 9m 和 12m 的土钉，量程为 100kN 的钢筋测力计用于 4. 5m 和 6m 的土钉。支护剖面及土钉钢筋计布置见图 1.
本次实验严格模拟土钉墙的施工过程进行挖土、土钉墙施工以及面层喷射混凝土施工，并进行各项测试，然后采用地面堆载的方式考察土钉墙位移较大时的性状。加载的方式为堆土，堆土范围为从坡顶 1m处向后延伸约 15m,每级堆土的高度约为 1m,每级堆载约 15kPa,每级堆载位移观测稳定后再进行下一级堆载。综合国内外的工程实测资料确定，本次实验中，当基坑水平位移大于 5cm、水平位移速率达到5mm / 天时终止加载。 2 土钉墙的变形特征 本次实验中基坑顶部水平位移随不同工况的变化曲线见图 2 所示。随着基坑的开挖，基坑顶部水平位移逐步增大，基坑开挖到底时，测试点 1 的基坑顶部水平位移为 19mm,测试点 2 的基坑顶部水平位移为20mm.在最后两级加载的作用下，基坑顶部水平位移增长较快，第七步加载后，测试点 1 的基坑顶部水平位移为 52mm,测试点 2 的基坑顶部水平位移为 49mm,第七步加载后的位移速率达到 5mm/天，达到本实验终止加载的标准。对测试剖面的实验过程采用 Plaxis软件进行数值分析，由图 2 可见计算值与实测值的变化趋势是一致的，且变形量吻合较好。从数值分析可以看出，基坑开挖产生的坡体水平位移的主要影响范围约为 1 倍基坑深度。在基坑开挖、加载过程中，基坑后部的坡体的水平位移逐步增大。基坑开挖过程中水平位移最大点位于基坑面层的顶部，水平位移等值线过坡底，向坡顶后方发散，土钉墙坡体的水平位移近似为绕坡底向基坑方向的转动。在基坑加载的过程中，基坑最大水平位移点沿着坡面向下转移。随着与基坑上口的距离的增大，地表的水平位移减小，基坑开挖引起的水平位移的影响深度降低。基坑开挖和堆载过程中，土体的沉降分布有差异，基坑开挖过程中，土体的沉降分布与影响范围与水平位移分布和影响范围大致相当，最大沉降值与最大水平位移值大致相当，但在加载的过程中土体的最大沉降发生在堆载区域，且最大沉降量大于最大水平位移。
图 3 为第一、三、五排土钉水平位移分布图。从图中可以看出，土钉的变形与土体的变形规律是一致的，各排土钉最大水平位移位置几乎都在开挖面处。
随着基坑的开挖，各排土钉的最大水平位移逐渐增大。基坑上部的土钉在主动区内的长度较长，主动区内的土钉水平位移变化较小，被动区内的土钉水平位移线性衰减，土钉末端仍有水平位移且随开挖和加载逐步增大，说明土钉有被拔出的趋势，以第一排土钉为例，基坑开挖到底时土钉头部的水平位移约为10. 9mm,土钉末端的水平位移约为 5. 6mm.相对于基坑上部的土钉而言，基坑下部的土钉前部的水平位移衰减较快，土钉末端的水平位移较小，相对于上部的土钉而言，仍可继续发挥作用。在基坑加载的过程中，尤其是最后几步加载时，各排土钉的整体水平位移持续增大，第七步加载时，土钉头部的水平位移约为34. 8mm,土钉末端的水平位移约为 25. 4mm.
土钉与土体组成的复合体在基坑开挖和加载的过程中，二者共同位移，但是土钉和土体之间也会发生相对位移，图 4 为第一、三、五排土钉与土体的相对水平位移分布图。从图中可以看出，沿土钉长度方向，土钉与土体的相对位移是变化的，其规律可以分为两段： 土钉的前半部分，土钉相对于土体向背离基坑的方向移动，说明在土钉的前半部分会制约土体的位移，该部分土钉对土体起到加筋加固的作用； 土钉的后半部分，土钉相对于土体的位移为向着基坑方向，说明土钉是从土体中拔出的，该部分土钉对滑动体起到锚固的作用。随着基坑的开挖和堆载，土钉末端拔出量逐步增加。在基坑开挖的过程中，基坑上部的土钉的末端与土体的相对位移远大于土钉前半部分与土体的相对位移，但是对于基坑下部的土钉，末端与土体的相对位移与土钉前半部分与土体的相对位移大致相当，说明在基坑开挖的过程中，上部土钉的作用已逐渐发挥，而下部土钉的作用尚未充分发挥。但是在加载的过程中，尤其是最后几步加载时，各排土钉末端与土体的相对位移急剧增大，且远大于土钉前半部分与土体的相对位移，说明各排土钉都在充分发挥作用。 3 土钉内力
3. 1 土钉轴力
图 5 为足尺实验实测的第一、三、五排土钉开挖、加载过程中的土钉轴力分布图。从图中可以看出，随着基坑的开挖和加载，土钉的轴力逐步增加； 基坑中部的土钉轴力值最大，上部次之，下部最小； 土钉轴力沿土钉的分布形态随着土方的开挖会发生一定的变化[2-3],在土方开挖的过程中，新施工的土钉的最大轴力作用点往往靠近土钉头部，随着土方的开挖及加载，基坑上部的土钉和基坑下部的土钉的轴力分布形态是有差别的，差别如下： ①随着土方的开挖，基坑上部的几排土钉的最大轴力作用点迅速向土钉中部某一位置转移，并稳定在该位置，土钉轴力沿土钉长度呈现中间大、两端小的形态，在基坑加载的过程中，土钉轴力的数值逐渐增大，但中间大、两端小的形态几乎不变。土钉最大轴力作用点的位置基本稳定，略向前转移。②基坑下部的土钉，在基坑开挖和加载过程中，其轴力分布形态始终为土钉头部大，向尾部逐渐递减，近似呈三角形布置，最大轴力作用点在土钉头部，几乎不发生转移。 3. 2 土钉摩阻力
土钉之所以会受力，是因为土钉与土体发生相对位移或产生相对位移趋势，土钉与土体之间产生摩阻力，土钉与土体之间的摩阻力没有办法直接测量，但是可以通过土钉轴力反算土钉与土体之间的摩阻力分布。图 6 为第一、三、五排土钉开挖、加载过程中的土钉摩阻力分布图，从图中可以看出，随着土方的开挖及加载，基坑上部的土钉和基坑下部的土钉的轴力分布形态是有差别的，其摩阻力的分布形态也是有差异的：
（ 1） 从基坑上部土钉的摩阻力分布图可以看出：①基坑上部的几排土钉的摩阻力分为正摩阻和负摩阻两个区，摩阻力为零的点即为土钉最大轴力作用点，最大轴力作用点两侧土钉的摩阻力的方向相反，指向背离最大轴力作用点； ②主动区摩阻力近似呈抛物线分布，基坑开挖过程中，被动区前段摩阻力呈线性增长，土钉末端摩阻力最大且增长较快，随着荷载的施加逐步增大，被动区中后部摩阻力呈近似直线分布； ③主动区、被动区摩阻力的最大值大致相当。
（ 2） 基坑下部的土钉，在基坑开挖和加载过程中，未出现负摩阻，随着基坑的开挖及加载，摩阻力逐步增大。
土钉的摩阻力是土钉与土体发生相对位移或相对位移趋势而产生的，因此，图 6 所示的土钉摩阻力的特征和图 4 所示的土钉与土体的相对位移规律基本一致。基坑开挖前，土体处于平衡状态，基坑开挖后，坡后土体的侧向约束减小、水平向应力减小，导致土体剪应力增加，甚至发生破坏。设置土钉以后，在主动区范围内，土钉与土体之间产生的摩阻力，相当于土钉对周围土体施加了水平向的压力，使得土体的应力状态向着远离破坏的状态转移，改善了主动区土体的应力状态，因此，设置土钉可以对土体产生加固的作用。但是土钉后部（ 尤其是土钉末端） 的正摩阻力使土体的剪应力水平增加，因此，设置土钉后，滑动面向复合土体的后部转移，增大了滑动面的半径，提高了边坡的稳定性。
4 结论
本文通过模拟实际施工过程的土钉墙足尺实验，对土钉内力以及土体变形随基坑开挖的变化规律进行研究，得到以下结论：
（ 1） 随着基坑的开挖，基坑顶部水平位移及基坑后部土体的水平位移逐步增大。基坑开挖过程中水平位移最大点位于基坑面层的顶部，土钉墙坡体的水平位移近似为绕坡底向基坑方向的转动； 在基坑加载的过程中，基坑最大水平位移点沿着坡面向下转移。
（ 2） 随着土方的开挖，基坑上部的几排土钉的最大轴力作用点迅速向土钉中部某一位置转移，土钉轴力沿土钉长度呈现中间大、两端小的形态。基坑下部的土钉，其轴力分布形态为土钉头部大，向尾部逐渐递减。
（ 3） 在基坑开挖过程中，土钉与土体之间发生相对位移，从而产生摩阻力，土钉最大轴力作用点两侧土钉的摩阻力方向相反。主动区摩阻力近似呈抛物线分布，被动区前段摩阻力呈线性增长，土钉末端摩阻力最大且增长较快，随着荷载的施加逐步增大，被动区中后部摩阻力呈近似直线分布。
参 考 文 献 [1] 王曙光，滕延京，等。 土钉墙破坏机理研究[R]. 北京：中国建筑科学研究院地基基础研究所，2014 [2] 杨光华。 深基坑支护结构的实用计算方法及其应用[M]. 北京： 地质出版社，2004 [3] 王曙光，段启伟，李钦锐。 基于增量法的土钉墙支护设计方法研究[J]. 岩土工程学报，2010,32（ 增刊 2） :327-330（ Wang Shuguang,Duan Qiwei,Li Qinrui. Designof soil nail wall based on incremental calculation method[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2010,32（ Supp. 2） : 327-330（ in Chinese） ）
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