邊坡穩(wěn)定性論文

1、復(fù)合土釘穩(wěn)定性分析摘要：復(fù)合土釘支護(hù)技術(shù)是在土釘支護(hù)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型的支護(hù) 技術(shù)。對(duì)于地形越來越復(fù)雜，開挖深度和建筑規(guī)模越來越大的建筑工程，這種新 型的支護(hù)技術(shù)具有舉足輕重的實(shí)用意義。本文主要介紹了復(fù)合土釘支護(hù)技術(shù)的主 要形式構(gòu)造、主要作用機(jī)理，并分別對(duì)其支護(hù)穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，得出了各種不 同組合支護(hù)形式對(duì)建筑的穩(wěn)定性有著不同的影響。說明了在實(shí)際使用中應(yīng)因地制 宜，靈活選用有機(jī)組合。同時(shí)也為工程支護(hù)的實(shí)際應(yīng)用提供了依據(jù)。關(guān)鍵詞：復(fù)合土釘支護(hù)新型技術(shù) 形式構(gòu)造 作用機(jī)理0.引言隨著高層建筑的大量興建，市政工程地下空間的不斷開發(fā)，使得建筑規(guī)模越 來越大，為了滿足建筑使用性能的要求，滿

2、足基坑開挖的深度和面積越來越大的 要求，支護(hù)技術(shù)必須提高到一定的高度。復(fù)合土釘支護(hù)由于其支護(hù)具有施工迅速， 經(jīng)濟(jì)適用，安全可靠的特性越來越受到工程運(yùn)用的青睞。關(guān)于符合土釘還沒有正 式的定義，綜合相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和理論1-2】總結(jié)得到：所謂符合土釘支護(hù)是指在基坑、 邊坡等工程結(jié)構(gòu)的支護(hù)中，以土釘為主要加固體，其它地基處理技術(shù)作為輔助加 固手段，聯(lián)合協(xié)同土釘支護(hù)的一種支護(hù)工藝。由于復(fù)合土釘支護(hù)技術(shù)可以在復(fù)雜 地質(zhì)條件下應(yīng)用34，能夠節(jié)省工程投資，有很好的應(yīng)用前景。因此，目前復(fù)合 土釘支護(hù)的工程應(yīng)用情況不少。然而，關(guān)于復(fù)合土釘支護(hù)的理論與試驗(yàn)研究、工 作機(jī)理、設(shè)計(jì)計(jì)算等的研究報(bào)道還很少見:有關(guān)復(fù)合土釘支護(hù)技

3、術(shù)的設(shè)計(jì)分析方 法還很缺乏，雖然國(guó)內(nèi)己開展了一些研究，并提供了一定的理論基礎(chǔ)，但還沒有 公認(rèn)的復(fù)合土釘支護(hù)設(shè)計(jì)分析方法，對(duì)復(fù)合土釘支護(hù)工作性能的認(rèn)識(shí)也不夠完 善，有待進(jìn)一步研究。最近，清華大學(xué)土木工程系在北京市自然科學(xué)基金的資助 下，正在對(duì)復(fù)合土釘支護(hù)的工作機(jī)理及設(shè)計(jì)理論進(jìn)行研究，可望在近兩三年內(nèi)會(huì) 取得一系列的成果。復(fù)合土釘主要類型根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)際工程實(shí)例中復(fù)合土釘支護(hù)形式主要有以下幾類：（1）土釘與止水帷幕復(fù)合支護(hù)當(dāng)?shù)叵滤惠^高或基坑有防滲要求時(shí)（防止因基坑地下水位下降過大而引起地面 沉降過大），在土層軟弱地層中，可以使用土釘支護(hù)結(jié)合止水帷幕的支護(hù)方法。 此支護(hù)解決了土體開挖之后土體出現(xiàn)滲水

4、、土體強(qiáng)度降低而導(dǎo)致的土體失穩(wěn)及基 底隆起、管涌等問題。同時(shí)由于基坑支護(hù)的及時(shí)，使得完成后，坡面基本是直立 平整且干燥無水的。（2）土釘支護(hù)與微型樁復(fù)合型支護(hù)當(dāng)基坑地下水位很低或者沒有防滲水要求，不必經(jīng)行防滲處理時(shí)，可以采用 土釘支護(hù)與微型樁復(fù)合型支護(hù)。這種支護(hù)有利于阻止基坑底部隆起并且能防止開 挖過程中出現(xiàn)的局部坊塌。微型柱一般采用樹根樁或鋼管，有時(shí)也會(huì)使用木樁。（3）土釘與預(yù)應(yīng)力錨桿復(fù)合支護(hù)預(yù)應(yīng)力錨桿主要特點(diǎn)是通過施加預(yù)應(yīng)力來約束邊壁的變形位移，是復(fù)合土 釘支護(hù)中常用而有效的一種形式。特別是在基坑比較深、地質(zhì)條件、周圍環(huán)境 復(fù)雜，而對(duì)基坑變形又有嚴(yán)格要求時(shí)，這種聯(lián)合支護(hù)形式更顯示出它的優(yōu)點(diǎn)

5、。復(fù) 合形式有兩種：一是植入一排或兩排預(yù)應(yīng)力錨桿；一是基坑下部用預(yù)應(yīng)力錨桿支 護(hù)，錨桿布設(shè)在下部。（4）土釘與止水帷幕、鋼管樁復(fù)合型支護(hù)水泥攪拌樁能止水防滲，超前微型樁剛度大。為了充分發(fā)揮二者的優(yōu)勢(shì)，可 將二者結(jié)合起來，與土釘共同形成一種新的復(fù)合土釘支護(hù)型式一土釘與止水帷 幕、鋼管樁復(fù)合支護(hù)。如果實(shí)際工程中對(duì)基坑位移要求嚴(yán)格，可加入預(yù)應(yīng)力錨桿； 如果要求基坑的位移和沉降量下，可以對(duì)土釘施加一定預(yù)應(yīng)力。復(fù)合土釘支護(hù)的作用機(jī)理2.1 土釘支護(hù)作用機(jī)理復(fù)合土釘支護(hù)是在土釘支護(hù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，在研究復(fù)合土釘?shù)闹ёo(hù)之 前先要理解土釘支護(hù)的作用機(jī)理。土釘以其一定的長(zhǎng)度、直徑和密度分布在土體 空間內(nèi)。當(dāng)

6、土體變形，土釘受力后，由于土釘與土體的相互作用對(duì)土體進(jìn)行支護(hù)， 其作用機(jī)理大致可概括為土釘分擔(dān)作用機(jī)理、骨架箍束作用機(jī)理、應(yīng)力擴(kuò)散作用 機(jī)理、應(yīng)力傳遞作用機(jī)理和坡面變形的約束作用機(jī)理等五種。2.2復(fù)合土釘支護(hù)的作用機(jī)理李象范等人側(cè)針對(duì)上海地區(qū)軟土地質(zhì)條件和實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為復(fù)合型土釘 支護(hù)就是以水泥土攪拌樁帷幕等超前支護(hù)措施解決土體的自立性、隔水性以及噴 射面層與土體的粘結(jié)問題，以水平向壓密注漿及二次壓力灌漿解決土體加固及土 釘抗拔力問題，以相對(duì)較長(zhǎng)的插入深度解決坑底的抗隆起、管涌和滲流等問題。 但由于復(fù)合土釘支護(hù)的形式較多，其作用機(jī)理也不盡相同，與其支護(hù)結(jié)構(gòu)中的各 分支體系（組件）的作用機(jī)理

7、密切相關(guān)。（1）止水帷幕的作用機(jī)理止水帷幕通常采用水泥土攪拌樁來構(gòu)成。在應(yīng)用水泥土攪拌樁時(shí)，單排樁的 通常寬度為0.5m，雙排樁的寬度則為1.0m，依土層情況及基坑深度決定采用單 排樁或雙排樁。止水帷幕作用機(jī)理主要有兩方面：（1）解決基坑邊壁土體的自穩(wěn) 性及隔水性問題。當(dāng)邊壁土體含水量較大時(shí)，網(wǎng)噴混凝土面層不易與土體粘結(jié)在 一起，若噴層直接噴在水泥土攪攔樁上，則很容易粘結(jié)在一起。（2）由于水泥土 比原狀土 （主要指軟土）的力學(xué)性能有所改善，當(dāng)水泥土樁置于基底以下一定深度 （入土比在0.71.0之間）后，對(duì)抵抗基底隆起、管涌等起重要作用。（2）超前微樁的作用機(jī)理超前微樁通常為中48一中108鋼花

8、管注漿或者鉆孔置鋼管注漿而成，間距0.5 一 1.0m，這種微樁不能形成止水帷幕，但能增加每層開挖土的自穩(wěn)性防止坑底隆 起，同時(shí)對(duì)支護(hù)體系的內(nèi)部穩(wěn)定性也具有重要作用。（3）預(yù)應(yīng)力土釘和預(yù)應(yīng)力錨桿的作用機(jī)理可施加預(yù)應(yīng)力的土釘?shù)臉?gòu)造與普通土釘和錨桿的構(gòu)造是不相同的?？墒┘宇A(yù) 應(yīng)力土釘體通常為螺紋鋼筋中20-中32:全長(zhǎng)注漿；自由段為在鋼筋體上加一套 管，套管前端要采取止?jié){措施;釘頭處覆蓋面板，用螺帽擰緊，其預(yù)應(yīng)力的施加 靠鎖緊螺帽來實(shí)施。通常這種形式所施加的預(yù)應(yīng)力比較小，小于50KN。土釘?shù)?布設(shè)密度是群釘作用，施工工藝與普通土釘一致。這種可施加預(yù)應(yīng)力的土釘可根 據(jù)具體情況布設(shè)，比如只布設(shè)上面幾排

9、，或者全面布設(shè)，或者間隔布設(shè)，雖然施 加的預(yù)應(yīng)力較小，但密度較大，對(duì)控制邊壁變形非常有利。這種土釘對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度 相對(duì)較低的土體更顯示其優(yōu)越性，因?yàn)槿粲妙A(yù)應(yīng)力錨桿來加固這種土體，其預(yù)應(yīng) 力較大，錨桿易拔出從而失效。復(fù)合土釘穩(wěn)定性計(jì)分析3.1復(fù)合土釘穩(wěn)定性計(jì)算原理基于工程應(yīng)用情況和國(guó)內(nèi)外關(guān)于復(fù)合土釘穩(wěn)定性分析的研究方法，得出在復(fù) 合土釘穩(wěn)定性計(jì)算中，主要應(yīng)考慮土坡穩(wěn)定安全系數(shù)的確定、最危險(xiǎn)滑裂面的確 定、支護(hù)穩(wěn)定性計(jì)算、施工過程的穩(wěn)定性、土體中水的影響作用、預(yù)應(yīng)力錨桿（錨索）的作用、水泥土攪拌樁擋墻及超微樁的作用等。3.2 土坡穩(wěn)定安全系數(shù)的計(jì)算目前關(guān)于土坡穩(wěn)定的安全系數(shù)主要有兩種計(jì)算方法，一種是應(yīng)

10、用力矩來計(jì) 算，另一種是應(yīng)用強(qiáng)度來計(jì)算.前者主要有彼地森計(jì)算法和費(fèi)倫紐斯計(jì)算法I。 后者是費(fèi)倫紐斯計(jì)算法II回。應(yīng)用力矩來計(jì)算土坡穩(wěn)定的安全系數(shù)時(shí)的彼地森計(jì) 算模型，該法是將穩(wěn)定安全系數(shù)定義為未滑動(dòng)土體對(duì)滑動(dòng)土體產(chǎn)生的抗滑力矩與 滑動(dòng)土體滑動(dòng)力矩的比值.應(yīng)用力矩來計(jì)算土坡穩(wěn)定的安全系數(shù)時(shí)的費(fèi)倫紐斯 算法I ,該法將土體條塊I的重力W f沿滑動(dòng)面分解成切向力Ti和法向力N j。切 向力對(duì)圓心會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)力矩Ms;法向力作用引起的摩擦力與滑動(dòng)面上的粘聚力 一起組成抗滑力并產(chǎn)生抗滑力矩MR。這兩種方法雖然得到的安全系數(shù)表達(dá)式 是一樣的，但意義卻截然不同，按照強(qiáng)度來計(jì)算土坡穩(wěn)定性安全系數(shù)的方法表征 抗滑

11、力的安全儲(chǔ)備，由力矩平衡求得，隱含靜力不平衡;應(yīng)用力矩來計(jì)算土坡穩(wěn) 定安全系數(shù)的方法是靜力平衡，隱含力矩不平衡，表征的是抗滑力矩的安全儲(chǔ)備。3.3最危險(xiǎn)滑裂面的確定為了研究土體的最危險(xiǎn)滑裂面，目前大多假定最危險(xiǎn)滑裂面為圓弧。常用圓 孤法確定滑裂面時(shí)，確定圓弧所在的圓的圓心是關(guān)鍵。目前確定圓弧有傳統(tǒng)法和 幾何參數(shù)控制法兩大類7-9。傳統(tǒng)法中最主要的是窮舉搜索法如圖3-1所示，其具體搜索方法為：首先確 定坡趾點(diǎn)0,然后滑孤破壞面上端點(diǎn)P可按步長(zhǎng)為0.05H從坡頂點(diǎn)A沿A到B 方向向外延伸。最后確定滑孤破裂面的圓心，安全系數(shù)最小時(shí)所對(duì)應(yīng)的圓心即 是最危險(xiǎn)滑裂面的圓心。幾何參數(shù)控制法如圖3-2所示，其

12、具體方法為：設(shè)某一 滑面經(jīng)過A、B兩點(diǎn)，A點(diǎn)在基坑的坡趾（每挖一層的坡趾或開挖完畢時(shí)的坡趾） 上，B點(diǎn)為與坡頂面的交點(diǎn)。連接直線AB。過A、B兩點(diǎn)作一圓弧與過B點(diǎn)豎直 線相切。AB兩點(diǎn)相對(duì)高度為H，在H/2地方作一平行X軸的直線分別與AB直線 相交于。，與豎直線相切的AB圓弧相交于F點(diǎn)。認(rèn)為最危險(xiǎn)滑裂面只能在AB 直線及AFB圓弧之間。若為素土則可按公式（3-1 ）來確定最危險(xiǎn)滑裂面。F = M 工&巧 cs）（公式 3-1）s M乙 W sin 0si i圖3-1窮舉搜索法確定最危險(xiǎn)滑裂面 圖3-2幾何參數(shù)控制法確定最危險(xiǎn)滑裂面復(fù)合土釘支護(hù)穩(wěn)定性影響因素的分析4.1水的影響目前，復(fù)合土釘支護(hù)

13、的形式比較多但其穩(wěn)定性分析的文獻(xiàn)卻很少，其穩(wěn)定性 最終取決于其復(fù)合形式的有機(jī)組合。除此之外，水也是復(fù)雜地質(zhì)條件的重要因素， 對(duì)基坑穩(wěn)定性同樣有著重要的影響。水對(duì)土體影響主要有有效應(yīng)力原理，即研究 飽和土中粒間應(yīng)力和孔隙水應(yīng)力的不同性質(zhì)及二者與總應(yīng)力間的關(guān)系；總應(yīng)力法和有效應(yīng)力法，即將不同試驗(yàn)得到適當(dāng)強(qiáng)度指標(biāo)值C和 代替具體情況下土體空 隙水壓力對(duì)強(qiáng)度的影響；抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與粘結(jié)強(qiáng)度指標(biāo)的合理選用，即常采用三 軸試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)來分析水對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響。無論是那種分析方法，穩(wěn)定性分 析的關(guān)鍵是選擇相適應(yīng)的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。4.2預(yù)應(yīng)力錨桿（索）的作用預(yù)應(yīng)力錨桿與傳統(tǒng)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)板、樁、墻所組成的聯(lián)合支護(hù)，

14、主要承受由于 土壓力、水壓力等施加于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的推力，利用穩(wěn)定地層的錨固力來維護(hù)支護(hù)結(jié) 構(gòu)及土體的穩(wěn)定。其穩(wěn)定分析也包括土體全部在一起的整體穩(wěn)定。由于邊坡本身 失穩(wěn)或荷載作用，從支護(hù)墻基礎(chǔ)底部產(chǎn)生滑動(dòng)而向外推移，整個(gè)體系沿滑縫向下 滑動(dòng)，土體從墻角外隆起，整個(gè)土錨均在土體的深部滑裂面以內(nèi)，造成整體失穩(wěn)， 其穩(wěn)定性分析可用瑞典條分法進(jìn)行，要求穩(wěn)定安全系數(shù)不小于1.5。內(nèi)部穩(wěn)定性 是指土錨與支護(hù)墻基礎(chǔ)在假想支點(diǎn)之間深滑動(dòng)面的穩(wěn)定驗(yàn)算，內(nèi)部穩(wěn)定最常用的 計(jì)算是采用Kranz穩(wěn)定分析法。預(yù)應(yīng)力錨桿與土釘支護(hù)聯(lián)合要相匹配，預(yù)應(yīng)力錨 桿與土釘墻聯(lián)合支護(hù)，由于土釘墻的土釘大部分都在滑移面以內(nèi)，抗滑移穩(wěn)定主 要

15、由錨桿提供，如果錨桿的抗滑力足夠，土釘墻體面層的強(qiáng)度剛度也足夠，這樣 的聯(lián)合是經(jīng)濟(jì)的。4.3水泥土攪拌樁擋墻及超前微樁的作用水泥土攪拌樁擋墻通常在軟土、高水位地帶的基坑支護(hù)中應(yīng)用，主要起到防 滲、抗隆起、抗底部水平滑移、抗傾覆等作用，與土釘支護(hù)聯(lián)合應(yīng)用，對(duì)圍護(hù)基 坑的內(nèi)部穩(wěn)定（抵抗基坑沿滑移面的滑移）也具有重要作用，同時(shí)也解決了面層掛 網(wǎng)噴漿不易粘結(jié)的問題。通常聯(lián)合支護(hù)體系的內(nèi)部穩(wěn)定性驗(yàn)算若能滿足要求，則 抗底部滑移和抗傾覆的安全系數(shù)是足夠的。超前微樁與土釘支護(hù)聯(lián)合對(duì)內(nèi)部穩(wěn)定 性具有重要作用。小結(jié)基于土釘支護(hù)發(fā)展起來的復(fù)合土釘支護(hù)，目前主要有土釘+超前微樁復(fù)合支 護(hù);土釘+預(yù)應(yīng)力錨桿（索）復(fù)合

16、支護(hù);土釘+超前微樁+預(yù)應(yīng)力錨桿（索）復(fù)合支護(hù);土釘 十水泥土攪拌樁止水帷幕（包括單層樁和雙層樁）復(fù)合支護(hù):土釘+水泥土攪拌樁止 水帷幕（包括單層樁和雙層樁）+預(yù)應(yīng)力錨桿（索）復(fù)合支護(hù)。作用機(jī)理主要是以土釘 支護(hù)為主，依據(jù)不同土質(zhì)條件、工程環(huán)境，借助于水泥土攪拌樁止水帷幕、超前 微樁和預(yù)應(yīng)力錨桿等其它組件的共同作用來穩(wěn)定土體和邊坡。復(fù)合土釘穩(wěn)定性分 析表明，土坡穩(wěn)定安全系數(shù)、最危險(xiǎn)滑裂面、土體內(nèi)水、設(shè)置超前微樁、增設(shè)預(yù) 應(yīng)力錨桿對(duì)滑移面穩(wěn)定性都有顯著的影響。目前，復(fù)合土釘支護(hù)技術(shù)在我國(guó)許多 地區(qū)建筑工程深基坑支護(hù)中得到了應(yīng)用，但在山體邊坡加固和復(fù)雜地質(zhì)條件下例 如軟土地區(qū)的支護(hù)工程中運(yùn)用的不是

17、很廣泛，但卻有非常長(zhǎng)遠(yuǎn)的應(yīng)用意義。在今 后的研究中可以試著完善其支護(hù)理論，改進(jìn)其施工工藝，讓其朝著逐漸取代傳統(tǒng) 支護(hù)技術(shù)的方向發(fā)展。參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)邵紅旗.巖石錨固作用機(jī)理及荷載傳遞規(guī)律研究D.西安：西安科技大學(xué)， 2009.李月蓮.預(yù)應(yīng)力錨索錨固機(jī)理研究D.吉林：吉林大學(xué)，2008.3夏華宗，呂建國(guó).微型鋼管樁超前支護(hù)復(fù)合土釘墻研究現(xiàn)狀J.華北科技學(xué)院學(xué) 報(bào):2007,4(2) :41-43 李象范，徐水根等.復(fù)合土釘擋墻的研究.上海地質(zhì).1999年，第3期Clifton B. Farnsworth, Blaine Leonard, Darin Sjoblom, Quality Assurance of Soil Nail Grout for Provo Canyon Reconstruction ProjectJ.2010 Earth Retention C