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《支挡结构设计》结课论文

姓名：

鞠鑫

学号：

12300226

预应力锚杆复合土钉支护设计计算理论研究

【摘要】支挡结构的形式很多，传统的支护方法如重力式挡土墙、衡重式挡土墙、悬臂式挡土墙和扶壁式挡土墙等。

而现如今随着城市的发展，高层建筑鳞次栉比，层高也不断增加，基坑开挖深度越来越大，城市环境日趋复杂，传统支护已经不能满足基坑支护的要求，为了顺应工程需要，预应力锚杆支护的技术日渐成熟起来。

预应力锚杆复合土钉支护是一种轻型支挡结构、随着基坑支护设计计算理论不断改进，施工工艺不断完善，锚杆复合土钉墙支护技术因其技术先进、经济可行、质量可靠、施工快捷简便，可在施工过程中动态调整等特点而在基坑工程中得到了广泛的应用,并在边坡工程的防护与治理中起到了显著的效果，尤其是当对于基坑的水平位移和沉降有严格要求时，采用预应力锚杆与土钉的复合支护技术，能有效控制坡体的水平变形，大大提高基坑边坡的稳定性，适用于较深基坑的施工。

本文针对西北地区黄土的特点，对预应力锚杆支挡结构进行了理论分析研究。

【关键词】：

新型支挡结构、土钉支护、预应力锚杆支护技术、复合土钉

引言

在基坑开挖之前，土体处于一个稳定的状态，但开挖以后，局部地层大幅度地减载引起了地层应力状态的改变，随之产生位移，所以必须对基坑进行支护。

而现如今随着城市的发展，高层建筑鳞次栉比，层高也不断增加，基坑开挖深度越来越大，城市环境日趋复杂，传统支护已经不能满足基坑支护的要求，为了顺应工程需要，预应力锚杆支护的技术日渐成熟起来。

本文阐述了深基坑土钉支护和预应力锚杆支护发展及作用机理，进而介绍预应力锚杆复合土钉支护的作用机理以及这种支护方式的特点。

一、土钉支护技术的发展及作用机理

1.土钉技术的发展

土钉支护是从20世纪70年代开始发展起来的一种支护技术，起源于新奥法和加筋土技术，最早应用于法国，目前已被广泛应用。

在我国，土钉支护技术研究是从上世纪70年代末开始的，一些学者开始对国内一些边坡的土钉支护工程进行原位测试研究。

在此之后,土钉支护技术便开始逐步运用于国内的诸多工程建设之中。

2．土钉支护作用机理

土钉支护是由被加固土体、放置在其中的土钉筋体和喷射混凝土面层三部分组成的。

土钉，就是置入原位土体中较密间距排列的细长杆件，如钢筋或钢管等，通常还在其外周裹上水泥砂浆或水泥净浆。

该方法是以一定倾角成孔，然后将钢筋或钢管置入孔内，随后注浆形成土钉体，进而在坡面布设钢筋网，并与土钉连接，最后在坡面上喷射混凝土面层，使以上几个部分称为一个共同体，发挥群体作用，当土体发生变形时，通过土钉与土体接触界面上的摩擦力和粘结力，使土钉被动受拉，并通过受拉给土体以约束加固或使其趋于稳定。

土钉在土体中主要受两方面力的作用：

一是拉力作用，二是土体剪力的作用。

土钉支护的原理就是利用潜在破裂滑移面上土钉和土体之间的摩擦力来平衡土钉体所受的拉力，依靠土钉体的抗剪强度来平衡土体有滑裂趋势时所受的抗剪力的作用。

二、锚杆支护技术的发展及作用机理

1．锚杆支护的发展

锚杆支护最初应用在1872年北威尔士露天页岩矿边坡加固及1912年谢列兹矿巷道支护中，现在为止已经有了一百多年的历史。

但锚杆支护的广泛应用，仅是在近四、五十年的时间里[1]。

2.预应力锚杆支护的作用机理

预应力锚杆支护是通过从上到下设置一定间距的预应力锚杆来锚固原位土体，是一种柔性支护。

预应力锚杆柔性支护是由预应力锚杆（索）、面层、锚下承载结构和排水系统几个部分组成，是一种主动的支护形式。

由于对锚杆施加了预应力，所以增加了岩土中滑动潜在面上的正应力和相应土的抗剪阻力，减少了岩土中沿潜在滑动面的下滑力。

由于支护坑壁的面层厚度较小，所以它的刚度较小，柔性较大，因此称为预应力锚杆柔性支护。

预应力锚杆由自由段和锚固段组成，锚固段设置于潜在滑移面外的稳定土体中，对锚杆施加的预应力通过锚下结构和面层对潜在滑移面以外的稳定岩土体进行锚固。

由于在非稳定岩土体内设置了自由段，锚杆在自由段中可以自由伸缩，因此预应力对整个非稳定岩土体进行了主动的约束锚固。

锚杆预应力还产生了如下效应：

在锚杆周围岩土中产生压应力区，增加了潜在滑动面上的正应力和抗剪阻力，减少了非稳定土体的下滑力，因此预应力锚杆柔性支护是通过预应力有效地控制了坑壁位移，增加了基坑的稳定性，它是一种主动的支护形式[2]。

三、复合土钉支护

1．复合土钉支护的定义

虽然土钉墙支护应用范围较广，经济实用，但是它也有很多缺点，比如，土钉墙支护不能严格地控制基坑变形，也不具有止水功能。

因此，基坑支护有特殊要求的深基坑工程，如，在地下水丰富的地层支护，要求基坑变形很小，要求支护结构作为永久性支护等情况下，单一使用土钉支护无法满足工程要求。

所以需要在保证设计要求的基础上，选择一种既安全又经济的支护形式呢，复合土钉支护就应运而生并不断发展和完善起来的。

为了满足工程的需要，出现了多种复合土钉支护形式。

复合土钉支护没有明确的定义，陈肇元定义复合土钉支护为：

复合土钉支护就是把土钉与其它支护形式或施工措施联合应用，在保证支护体系安全稳定的同时满足某种特殊的工程需要，如限制基坑上部的变形、阻止边坡土体内水的渗出、解决开挖面的自立性或阻止基坑底面隆起等[3]。

复合土钉支护最初被称为改良法，而后在我国工程界统一的称为复合土钉支护。

在国外，此类研究较为少见，其名称也不统一，有的称其为复合结构，或直接归类为土钉墙。

目前，复合土钉技术处于理论落后于实践的状态，许多理论正在探索之中，且尚未出台强制性技术标准或规范。

尽管如此，土钉支护在岩土工程支护中有着的明显优的势，使得该项技术已经应用到了数以万计的工程之中。

复合土钉支护技术正以其适用性强、安全可靠、经济省时等明显的优势被应用在更为广泛的领域，已经成为了一种常用的支护形式。

2．锚杆复合土钉支护作用机理

由于土钉有很高的抗拉、抗剪强度和抗弯刚度，这是土体无法比拟的，所以在土钉支护结构体系中，受力逐渐向土钉转移，通过应力扩散作用传递到周围土体。

对土钉支护施加预应力可有效控制坡体水平位移，增强了土钉对土体的分担作用，减小土体的应力集中，使塑性区减小。

因此，土钉与预应力锚杆联合支护的作用机理可以理解为：

采用预应力锚杆可有效提高抗拉承载力；预应力锚杆的有效锚固段将拉应力荷载向远离滑移面以外的稳定土体中传递，可有效减少土体变形；通过在预应力锚杆端头设置锚下承载装置并与面层有效连接，从而将预应力传给边坡土体，这样可减少因为下一步开挖而引起的应力释放产生的土体变形，从而提高边坡的稳定性。

3.预应力锚杆复合土钉支护体系的优点

预应力锚杆的施加很大程度上提高了土钉支护方式的最大支护深度，使这一复合支护方式的应用范围大大增加，对周围建筑环境及地层较为复杂的地区很适用，且其施工及材料造价较低，更使这一支护方式拥有很大优势。

预应力锚杆复合土钉支护体系具有如下优点。

（1）在预应力锚杆复合土钉支护体系中，土钉受力是被动的，锚杆受力是主动的，土钉和锚杆的受力相互补，这种互补关系对于基坑的稳定非常重要。

（2）土体变形小，支护效果好。

由于在锚杆上施加的预应力，减小了土体的变形，弥补了土钉支护形式中土体变形大的缺陷。

这种支护形式有效地控制基坑变形，因此可应用于深度较大的基坑，以及基坑周围存在建筑物和地下管线而对位移控制比较严格的基坑。

　　（3）造价较低。

预应力锚杆复合土钉支护可以看做是将土钉支护中的一部分土钉改成锚杆，减少了材料用量，将低了造价，并且施工中不需要大型机械和复杂工艺。

　　（4）施工速度快。

由于施工工艺相似，除了需要施加预应力外，在施工方法上和施工机械、施工场地方面与土钉几乎完全相同，没有特殊的要求，大大缩短了工期。

【参考文献】

（1）朱彦鹏，周勇.等。

《支挡结构设计》

（2）李海光，等.新型支挡结构设计与工程实例

（3）宋海涛，张益东，等.锚杆支护现状及其发展[J].矿山压力与顶板管现

（4）梁德飞.深基坑土钉支护与预应力锚杆支护作用的比较

（5）邢玉浩.土钉锚杆支护体系变形特性研究‘