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从此以后,土钉支护这种简便快捷、节约高效的技术被广泛用于基坑支护、边坡加固等岩土工程中,并取得了较好的经济和社会效益。
法国、德国、美国、英国等国还十分重视土钉支护的工作性能的实验研究。
包括分析方法和程序开发、大型足尺实验与模型试验、离心机试验、实际工程长时间内的土钉内力实测与支护变形实测等。
法国1986年对土钉墙支护技术的深入研究。
美国加州大学David分校在沈智刚等人的支持下建立了一个土钉支护足尺模型,进行试验的研究。
这些研究成果为土钉墙技术的提供了较好的理论基础。
我国第一例记载在册的使用土钉支护技术的实例是1980年,在山西煤矿设计院的王不云先生的研究成果基础上,将土钉用于山西柳湾煤矿的边坡支护。
该工程地处黄土高原,地下水位较低,土体为粉质黄土,土体的粘聚力和直立性较好,设计者根据国外的边坡加固理念对该边坡进行土钉支护,
世界上有记录的首次应用复合土钉技术发生在法国。
1985年在法国MontpellierOpera工程的临时支护结构的施工中,为满足深基坑的变形需要,设计者在不改变坡面倾角的前提下,将原先的第五层土钉改为预应力锚杆,并在预应力锚杆与面层交接的部位用腰梁连接。
1993年,在广州的065抢险加固工程中,将五排柔性较大的预应力锚索与土钉一起使用,共同承担土体压力的案例是我国第一次使用复合土钉技术的有记录的案例。
(2)国内外研究理论成果
1986年在法国由政府主持进行了一项大型土钉墙支护技术的模拟试验,通过试验分析,得出了如下结论:
(1)土钉墙变形一般是微小的,最大变形发生于顶部,越往下越小。
在适用性与耐用性的极限范围之内,最大变形与开挖深度之比一般是0.001-0.0036。
这比锚杆的水平位移要大一些。
墙体内的水平位移随离开墙面的距离而变小。
(2)土钉受力不均匀,在破裂面附近达到最大。
只有在土体变形之后,土钉才会受力。
在混凝土面板处土钉所受力不大,这表明土钉已将大部分力转移到土体中。
土钉的位置越往下,其最大受力点越往面板处移。
(3)密集土钉加固的土钉墙类似于重力式挡墙,破坏时明显带有平移转动的性质,故设计时除了验算土钉内部性,以保证有足够的锚固长度、合理间距外,还必须验算外部稳定(整体安全),即验算验算土钉墙体的抗滑与抗倾覆性。
(4)根据大比例试验结果看,在土钉墙梯破坏之前,从未发现喷射混凝土面板和锚头产生破坏现象,在实际工程中也未见猫头有破坏现象。
(5)复合墙体后的土压力分布接近三角形,在坡角处土压力减小,经过多次观察测量,发现土压力值至少降低到库仑压力值的30%-40%。
[3]
在我国,20世纪80年代末北京工业大学和北京农村建筑总公司对插筋补强护板和素土边坡,进行了荷载作用下的破坏试验。
插筋补强技术与混凝土技术相似,只是插筋补强技术的钢筋用锚定板,坡面铺钢筋网摸水泥砂浆,而土钉在坡面钢筋网上喷混凝土。
这个试验表明了以下几点:
(1)插筋锚体在其与土体形成的复合体中承担骨架的作用,从而发挥了共同作用,弥补了土体抗拉强度差的缺点,使边坡的承载能力和稳定性得到了显著的提高。
(2)由于插筋锚体对土体的约束作用、应力分拉作用、应力传递与扩散作用,边坡土体的变形延性大大的提高,这使得在荷载达到一定程度后,边坡的变形速率增加的情况下,边坡土体仍然可以保持整体性,无明显滑裂面的产生。
(3)与素土无插筋锚体边坡相比,近于直立的插筋锚体边坡的破坏,是渐近开裂向整体开裂发展,局部坍塌发生后,边坡仍保持整体性,而不是坡面网状裂缝出现后,沉降急剧增大,突然发生整体坍塌。
这说明插筋锚体可以增加边坡破坏阶段的安全性。
1990年,在美国召开的挡土结构国际学术会议上,作为一个独立的专题,土钉与锚杆挡墙并列,成为了一个独立的学科分支。
近年来,我国在土钉的研究开发应用方面做了不少的工作,我国各地的基坑工程已开始较广泛的应用土钉支护技术。
(3)国内外研究现状
1997年,I.H.Won详细介绍了土钉墙的施工、量测设备和土钉墙的工作性能及注浆后土钉墙的抗拔试验[4],同时采用弹塑性(本构模型)进行了数值分析的比较。
本构模型虽可以很好的描述土体在塑性变形时的状态,但不能准确的计算出土体在工作状态下的变形。
土钉与面层研究的是弹性变形,同时把土钉当作仅受拉力的杆单元,土体当作梁单元来进行计算。
1999年,同济大学的李象范教授通过试验分析,得出:
一般土钉墙和复合土钉墙在边壁侧移形状和支护后面的地表沉降都有不同形式。
同时,李教授根据对复合土钉墙的变形、受力机理,以及可能产生的破坏状况的研究,总结出复合土钉墙设计可以从四个方面入手:
防渗设计(有止水帷幕时),土钉设计,面层设计和稳定验算。
他还对四个方面都给出相应的经验数据和计算式,但没有考虑土钉与水泥土搅拌桩的协调工作条件。
2000年,总参工程兵科研三所和清华大学土木工程系研究了复合土钉支护内部的稳定性问题并对水对其的影响进行了研究。
对复合土钉支护体系中的预应力锚杆、水泥土挡墙、超前微型桩的作用进行定性分析,分别给出相应的内部稳定性计算公式;
在讨论水对复合土钉支护结构的影响时,着重提到计算有效应力与总应力时,关键问题是粘结力、摩擦角取值要与之配套。
2004年,ErolGuler量测并比较了两个足尺土钉墙的工作性能和稳定性和Patraandbasudhar对用土钉加固的边坡进行了优化分析得出了较为近似的研究结果:
对土钉进行设置时,仰角是一种最优化的设计方法。
只是,因为注浆技术与设备使得注浆的质量难以保证,所以这项技术并没有得到推广。
同年,石家庄铁道学院的孙铁成等人,通过一个1:
10的模型,对复合土钉支护结构的水平位移量、坑底隆起量和坑外地表沉降量进行了观测,取得了一些有效的数据。
2005年,伍俊采用岩土工程非线性静动力分析程序—RSEAP程序同时对无支护结构、一般土钉支护结构和复合土钉支护结构进行模拟,得出了与实际工况结果很相近的最大侧限位移。
国内高校对土钉支护结构的研究也得出了很多结果:
北京工业大学对复合土钉支护结构进行汇总,得出了七种形式:
土钉墙+预应力锚杆、土钉墙+止水帷幕、土钉墙+微型桩、土钉墙+止水帷幕+预应力锚杆、土钉墙+微型桩+预应力锚杆、土钉墙+微型桩+搅拌桩和土钉墙+止水帷幕+微型桩+预应力锚杆;
解放军理工大学采用非线性平面有限元分析方法对软弱土层中复合支护结构的变形进行了分析;
清华大学采用有限元的方法对复合支护结构的作用机理进行了分析;
浙江大学针对超前钢管型复合土钉支护进行了计算分析,提出双圆弧分析方法。
上述的这些高校的分析,多是建立在一个假定的基础之上的,因为脱离了实践,虽能积累一些有效的理论经验,但能以就实际情况达成一致。
国内有一些专家,如黄强、李象范等通过大量的工程实践积累起来的经验,进行了认真细致的分析,对不同工程的特殊性,进行了支护设计的研究,同时,对这些工程的影响因素进行了分析。
因为国内近年来,经济建设的发展使得岩土工程项目大量增加。
为了满足需求,国内大量专家对复合土钉支护进行了研究,但目前还未取得一致的设计分析方法。
所以,复合支护技术在国内还有很大的发展空间。
3、复合土钉墙的形式
根据土钉墙与其他支护结构的组合形式将土钉墙分为以下几种形式:
(1)土钉墙+止水帷幕+预应力锚杆
这种支护形式由将土体连为整体的土钉、阻隔地下水的止水帷幕和提高支护结构的稳定性的预应力锚杆组成(见下图一)。
因为其一方面可以通过止水帷幕有效地降低地下水对基坑工程施工的影响;
另一方面通过设置预应力锚杆来提高复合土钉墙的稳定性并限制其位移,满足周围环境对支护结构变形的限制要求。
这是应用最为广泛的复合土钉墙支护形式。
图一土钉墙+止水帷幕+预应力锚杆支护结构
这种形式的复合土钉墙多用于深基坑中。
随着建筑物高度的增加,基坑也会越来越深。
因为基坑深度的增加,地下水会越来越多。
若是抽去地下水会引起地面沉降,将对周围的建筑物、地下管线或是道路等造成影响,所以设置止水帷幕。
在土层开挖前,先施工止水帷幕,然后分层开挖施工和喷射混凝土面层。
截水帷幕通常采用相互搭接的深层水泥搅拌桩、高压旋(摆)喷桩工艺,帷幕长度应进入坑底不透水层一定深度,其作用主要在于阻止基坑开挖后土体渗水,保证开挖面土体局部的稳定性,减少基坑底部的隆起,这样就使土钉墙在不先进行降水处理的情况下得到应用。
[5]
土钉在支护结构有轻微变形的时候才会产生应力。
因此,假如只采用土钉支护将无法满足一些变形要求比较严格的工程。
所以在这样的工程中会在土钉墙中加上1-2排预应力锚杆。
这样可以将土中的应力传到深部的稳定的土层中,充分利用深部土层的稳定性,使土钉、止水帷幕、预应力锚杆和深部土层成为一个整体,更好的承受荷载,减小边壁的位移。
(2)土钉墙+预应力锚杆
这种形式的复合土钉墙由土钉墙和预应力锚杆组成。
(见下图二)
在深基坑中,仅采取土钉支护结构,将是十分危险的。
所以应该增加预应力锚杆来增加土钉墙的整体稳定性。
在位移要求比较严格的基坑中也应该增加预应力锚杆。
图二土钉墙+预应力锚杆
1、锚头2、混凝土面层3、土钉4、预应力锚杆锚固段
这种组合形式的土钉墙一般为周边环境允许降水且地层条件为粘性土或是地下水影响比较小的基坑工程。
预应力锚杆可以增加边坡的稳定性。
此外,如需要限制坡顶位移,可将锚杆布置在边坡的上部。
因锚杆造价较高,为降低成本,通常将锚杆和土钉间隔布置,效果较好。
[6]
(3)土钉墙+止水帷幕
这种支护形式由土钉墙和止水帷幕组成。
(见下图三)
在雨水较多,土质较差但基坑开挖深度不深的地方一般采用这种支护形式。
止水帷幕施工方法多采用深层搅拌桩法(桩相互搭接)、高压注浆法及压力注浆法等方法形成。
若是不在卵石层等硬地层的地层施工,多会采用桩相互搭接的深层搅拌桩法,因为其造价低廉而且效果较好。
若在不适合的地层,多用旋喷桩或是摆喷桩代替。
图三土钉墙+止水帷幕
(4)土钉墙+微型桩
土钉墙加微型桩的支护形式(见下图四)多在地层中无砂层等强透水层或地下水位较低,止水帷幕效用不大且土体为软弱土体的情况下。
图四土钉墙+微型桩支护结构
1、土钉2、混凝土面层6、微型桩
软土的自稳能力比较差,所以需要设置竖向构架来增强整体性、复合体强度及开挖面的自立性。
同时因地下水影响小,所以此种情况下,可采用连续的、不起挡水作用的微型桩来取代止水帷幕,与土钉墙组成复合支护体系,可有效减小基坑支护变形。
在地质条件较差且地下水为较深的地区常采用这种土钉支护结构。
(5)土钉墙+微型桩+预应力锚杆
这种形式的复合土钉支护结构(见下图五)变形小、稳定性好,在不需要止水帷幕的地区能够满足大多数工程的实际需要,应用较为广泛,特别是北方地区应用较多。
图五土钉墙+微型桩+预应力锚杆支护简图
当基坑周围很近的地方存在建筑物,而土层又是自稳性较差的土层时,开挖前需要对土体进行加固,这时可以使用各种微型桩进行超前支护,开挖后再使用土钉墙加预应力锚杆的结构来保证土体的稳定性,限制土钉墙的位移。
(6)土钉墙+止水帷幕+微型桩
这种支护体系(见下图六)多用于软土之中,在土质较好时一般不会采用。
由搅拌桩形成的止水帷幕的抗弯及抗剪强度比较低,在含水较多的软土中更低。
因此,在软土较厚时,止水帷幕往往无法满足基坑抗基底隆起要求,或者不能满足局部抗剪要求。
此时,在土钉墙+止水帷幕的体系中加入微型桩可使这种缺点得以改观。
图六1、土钉2、混凝土面层3、止水帷幕6、微型桩
(7)土钉墙+止水帷幕+微型桩+预应力锚杆
这是一种造价比较高,施工比较复杂,构件较多、工期较长的支护体系(见下图七),所以在采用此种支护体系的时候,应该充分进行经济技术比较后再采用。
某些基坑因为地处环境比较复杂,开挖深度比较大,而本身对变形的要求比较严格。
在这种情况下,出于安全和可行性的角度考虑,应该采用此种支护体系。
这种支护体系常可用来替代排桩加锚杆或地下连续墙支护方式。
图七土钉墙+微型桩+止水帷幕+预应力锚杆支护体系
4、土钉支护体系的工作性能分析
(1)土钉墙的支护机理
由于土体的抗剪强度低,抗拉强度基本存在,因此自然边坡保持直立的临界高度较小。
为此,过去常采用支挡结构来承受侧向压力并限制土体的变形,这属于常规的被动的制约机制的支挡结构。
土钉支护结构则是在土体内增设具有一定长度和分布密度的锚固体,使它与土体牢固结合并共同工作,增强土坡坡体自身的稳定性,它属于主动制约机制的支挡体系。
[7]
(2)土钉在复合土体中的作用机理
1、土钉对复合土体起骨架约束的作用
土钉和土体共同构成了一个复合体。
土钉在土体内分布空间组成复合体的骨架,以及土钉本身的刚度和强度,使复合体构成一个整体,有约束复合体变形的作用。
2、土钉对复合体起分担作用
在复合体内土钉和土体共同承担荷载和自重应力,土钉起分担作用。
因为土钉有很高的抗拉、抗剪强度和抗弯刚度,所以在土体进入塑性状态后,应力逐渐向土钉转移,当土体开裂时,土钉分担作用更为突出,这时土钉内出现了弯剪、拉剪等复合应力,从而导致土钉周围浆体碎裂,钢筋屈服。
复合体之所以塑性变形延迟,渐进性开裂,与土钉的分担受拉作用有着密切的关系。
3、土钉起着应力传递和扩散作用
北京工业大学的实验说明,当荷载增加到一定程度,边坡表面和内部裂缝已发展到一定程度,此时坡脚应力最大。
这时下层土钉伸入滑裂面外稳定土体中的部分,仍能提供较大的抗拉力。
土钉通过其应力传递作用,将滑裂面内部分应力传递到后边稳定土体中,并分散在较大范围的土体内,从而降低了应力集中的程度。
4、土钉对坡面的防护作用
在坡面上设置与土钉连在一起的钢筋网喷射混凝土面板,是发挥土钉有效作用的组成部分。
喷射混凝土面板起到坡面变形的约束作用,而面板约束力,取决于土钉与土体的摩阻力。
当复合土体开裂面区域已扩大并连成一片时,摩阻力主要来自开裂区域后的稳定复合土体。
(3)面层的作用
混凝土面层的作用主要有以下几点:
(1)承受作用到面层上的土压力,防止坡面局部崩塌,并将压力传递给土钉,这在松散的土体中尤为重要。
(2)限制土体侧向膨胀变形。
(3)通过与土体紧密连接并相互作用,增强了土钉的整体性,使全部土钉共同发挥作用,在一定程度上均衡了土钉个体之间受力不均匀的程度。
(4)防止雨水、地表水冲刷边坡及渗透,是土钉防水系统的重要组成部分。
五、复合土钉墙发生变形的机理分析
复合土钉墙相对于土钉墙,它只是在结构上增加了数排的水泥搅拌桩(超前支护),水泥搅拌桩的设置并不能改变整个复合土钉墙的位移组成,仍是由剪切变形、弯曲变形和墙体整体变形(土体变形)组成,只是由于墙前设置水泥搅拌桩因此减小了墙体的绝对位移以及改变墙体的位移分布曲线,使得复合土钉墙的最大位移不再是在墙顶处。
土钉墙的位移最大值一般在墙顶,而复合土钉墙的最大位移一般在基坑中部处。
(一)复合土钉墙的破坏形式
复合型土钉支护体系主要由土钉、面层、搅拌桩、预应力锚杆和加固范围内的土体等几部分构组成的。
因此,将它作为支护体系的基坑,主要有四种破坏类型:
面层破坏、外部破坏、内部破坏和搅拌桩破坏。
1、面层破坏
从工程实践总结来看,面层发生破坏的情况比较少见。
一般情况下,面层发生破坏的是由于面层的强度不够,导致承受不住侧向土压力而发生位移、变形或剪断。
或者在复合土体的“活动区”内所设置的土钉出现拔拉变形,即活动区被拉出土钉前沿。
(见下图八)
图八面层破坏的破坏形式
本文将主要讲述复合土钉墙的面层出现裂缝的机理分析。
2、外部破坏
大量的土钉的密集支护,加上注浆和搅拌桩的超前支护,复合土钉支护体系类似于重力式坝。
其发生的整体破坏,称之为外部破坏。
有如下四种形式:
(1)支护体系沿基坑底面发生滑动,如图九(a);
(2)整体沿墙趾发生倾覆破坏,如图九(b);
(3)发生整体稳定性破坏,如图九(c);
(4)地基承载力不足,发生破坏,如图九(d)
由工程实践破坏形式总结可以看出,外部破坏经常发生,而且产生的后果严重。
所以,在设计计算时,应该谨慎小心,防止这种破坏的发生。
图九、复合土钉墙体外破坏的形式
3、内部破坏
由破坏滑裂面与土钉的相交位置,可以分成两种:
一种是滑裂面穿过全部土钉;
另一种是滑裂面穿过部分土钉。
(如下图十所示)在滑裂面上,土钉拉力达到最大,当土钉与土体的摩擦力不够时,土钉将被拔出,发生破坏(称为拉拔破坏)。
在这类情况中,抵抗区内的抗拔阻力小于土钉抗拉强度,也小于活动区内的面层强度和抗拔阻力;
当土钉钢筋的抗拉强度不足时,土钉将被拉断,发生破坏(钉筋破坏)。
这种情况中,土钉的抗拉强度小于面层强度以及锚固区的抗拔阻力。
这两种情况我们都称之为内部破坏。
[8]
内部稳定性分析,多使用边坡稳定性的概念,与一般土坡的稳定性分析一样,都是利用极限分析平衡法的方法,不过要加上土钉等支护结构的作用。
图十、内部破坏模式
4、搅拌桩破坏
对于水泥土搅拌桩,不同的破坏模式由桩体自身的强度所决定。
当水泥土搅拌桩的水泥掺入量aw较小(aw=5%),而水泥土的轴向应变很大时,应力会达到峰值并发生塑性破坏。
之后应力在较大的应变范围内会发生缓慢的下降,这表现出了桩体鼓胀破坏的特征。
当水泥土搅拌桩的水泥掺入量aw加大(aw=15%),而水泥土在较小应变的情况下,应力会达到峰值,随后发生脆性破坏,这就表现出了桩的整体剪切破坏的特征。
当桩体是高水泥含量(aw=25%),而水泥土变形及膨胀量均很小时,同时,当这种高强度的水泥土桩体所在得地层中存在下卧软弱土层时,就会发生刺入破坏。
水泥土搅拌桩的三种破坏模式。
(如下图十一)
图十一、水泥土搅拌桩的破坏模式
(2)复合土钉墙的破坏机理分析
1、复合土钉墙的稳定性分析方法
土钉支护分析和计算方法是土钉支护工程设计的重要内容,也是土钉支护应用的理论基础。
基于土坡稳定分析的极限平衡方法是土坡稳定和基坑支护理论较早采用的方法,工程中应用较多并有较为深入的理论与实验研究作为依据,具体包括德国方法、美国方法、法国方法、机动极限分析方法、圆弧滑面法和有限单元法,具体内容见本论文的参考文件。
对于复合土钉墙稳定性分析方法多采用基于边坡稳定性极限平衡分析方法中的瑞典圆弧滑动法和有限单元法。
前者先假定若干可能的剪切面——滑移面,然后将滑移面以上土体分成若干垂直土条,对作用于各土条上的力进行力与力矩的平衡分析,求出在极限平衡状态下土体稳定的安全系数,并通过一定数量的试算,找出最危险滑移面位置及相应的(最低的)安全系数,是对土坡进行稳定性分析计算的一种比较简单而实用的分析方法。
为分析土钉支护中支护参数以及剪力对土钉支护的补强效果提供了理论基础。
极限平衡分析不能提供任何有关变形的信息,在基坑附近有建筑物或市政设施时,控制基坑变形十分重要,因此有必要对基坑变形进行计算和预测。
目前进行变形分析主要是采用有限元方法,土钉支护的有限元设计计算法作为一种强有力的数值计算方法,不仅能计算土钉支护中土钉内力,土体的应力应变关系,模拟开挖过程等,而且可以考虑土体的非均匀性和各向异性的复杂性态,是目前公认功能较强、理论上较完善而又便于应用的方法"
已有的土钉支护有限元分析在计算模型、本构关系、施工过程模拟等方面的处理各不相同。
2、复合土钉支护结构面层上的裂缝产生位置分析
在复合土钉支护结构上比较容易得出支护结构是否潜在破坏的危险的观察是观察其的面层上是否存在裂缝。
由于复合土钉支护结构是一个具有长度、宽度和深度的三维空间,所以,它的变形位移分析计算会是一个复杂的三维空间问题。
大量的工程实践可以总结出两个位置的变形之后可能在复合土钉支护结构的面层上产生较大的影响(即产生裂缝):
第一个位置是基坑的阳角一定范围内的土压力和水平位移均大于基坑中部和阴角,这是因为在该处存在显著的空间效应,扩大了其邻近区域的土压力和水平位移的发展;
第二个位置是土钉与搅拌桩的交界处。
在这个位置由于上下两个土体构成了不同的两个整体,所以其受力后的变形和位移将会有很大的差别。
所以使面层产生裂缝的可能性大大增加。
(见下图十二)
图十二、土钉支护体系与桩锚支护体系交界处
(1)复合土钉墙的角部
复合土钉墙角部的土压力及土钉墙位移、内力复杂。
在复合土钉墙角部的分析设计中,往往取基坑中部的典型剖面进行计算分析,而将该剖面的分析结果应用于基坑的角部。
以至于造成对于阴角部分的设计偏于保守,而对于突入基坑的阳角,其变形较基坑中部典型剖面的变形更大,稳定性也更差。
因为阳角2个侧面打入的土钉在空间上交叉,土钉的摩阻力相互影响,不利于发挥土钉的摩阻力。
因此,阳角处按照中部典型剖面的计算结果进行设计实际上是偏不安全的。
同时,由于无法在设计阶段分析计算出复合土钉墙角部的确切位移。
所以在基坑施工过程中,也无法对于基坑角部的变形、稳定性进行有效的监控。
[9]
(2)复合土钉支护体系的土钉与搅拌桩的交界处
存在这种破坏的复合土钉墙支护结构是上面为土钉墙,下面为桩加预应力锚杆的支护结构。
这种支护结构多用于深基坑工程中。
上面采用土钉可以节省花费,具有经济性。
下面采用桩锚支护是出于安全的角度考虑。
这种支护结构体系并没有十分深入的研究。
本文则将上面的土钉墙支护结构和下面的桩锚支护体系作为两个相连但分开工作的两个支护体系。
在