土釘支護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定性數(shù)值研七

3.土釘對(duì)土體支護(hù)機(jī)理研究對(duì)土釘支護(hù)機(jī)理的認(rèn)識(shí)，目前一般認(rèn)為它是以新奧法（NewAustralianTunnelingMethod)理論為基礎(chǔ)，在土釘體作用下，把潛在滑裂面之前主動(dòng)區(qū)的復(fù)合土體視為具有自撐能力的穩(wěn)定土體，以阻止土體側(cè)向位移，支承未加筋域土體的側(cè)壓力，保證土坡的整體穩(wěn)定性【8】。即認(rèn)為經(jīng)過加筋的土體形成類重力式擋土墻—土釘墻，土釘?shù)淖饔脵C(jī)理類似于擋土墻。作者認(rèn)為這種觀點(diǎn)對(duì)于解釋土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的外部整體穩(wěn)定性（抗滑、抗傾覆、支護(hù)結(jié)構(gòu)底部土體極限承載力）是合理的，然而卻無法解釋支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部穩(wěn)定性及與釘土相互作用有關(guān)的許多問題。因此這種觀點(diǎn)是片面的。更何況土釘支護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)并不完全是按擋土墻的概念進(jìn)行設(shè)計(jì)的，實(shí)際上土釘支護(hù)機(jī)理極其復(fù)雜，它與許多因素有關(guān)，例如土體的物理、力學(xué)指標(biāo)，土釘本身的強(qiáng)度、幾何尺寸、布置方式等。由土釘作用機(jī)理的復(fù)雜性，僅僅將土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)當(dāng)作“土釘墻”來研究是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，將土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)稱為“土釘墻”也是不太科學(xué)的，因此本文將拋棄“土釘墻”這一概念，采用具有廣義的“土釘支護(hù)系統(tǒng)”這一術(shù)語來研究土釘支護(hù)的機(jī)理。目前對(duì)于土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的研究有三個(gè)途徑，即試驗(yàn)研究、理論分析、數(shù)值模擬研究。由于影響土釘支護(hù)機(jī)理的因素復(fù)雜多樣，因此試驗(yàn)研究目前在土釘支護(hù)技術(shù)研究中占據(jù)著主導(dǎo)地位。許多理論分析所得到的模型和一些結(jié)果都是通過試驗(yàn)研究來驗(yàn)證、提高的，尤其在計(jì)算土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的變位時(shí)，幾乎全是建立在1:1現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上的。因此，土釘?shù)脑囼?yàn)研究是了解土釘支護(hù)的作用機(jī)理極為重要的環(huán)節(jié)。目前對(duì)于土釘作用機(jī)理研究的試驗(yàn)可以分為室內(nèi)的直剪試驗(yàn)、離心模型試驗(yàn)、室外的現(xiàn)場(chǎng)抗拔試驗(yàn)、1:1現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。由于受經(jīng)濟(jì)條件所限，在離心模型試驗(yàn)和1:1現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方面的研究工作進(jìn)行的寥寥無幾，在國外法國、意大利、美國及英國都進(jìn)行過此類試驗(yàn)研究，國內(nèi)目前還沒有這方面的研究見諸于文獻(xiàn)，大多只是開展了室內(nèi)剪切試驗(yàn)、模型墻試驗(yàn)、及現(xiàn)場(chǎng)的土釘抗拔試驗(yàn)研究工作。3.1土釘抗拔試驗(yàn)分析土釘抗拔試驗(yàn)是土釘支護(hù)工程中最常用、最直接的試驗(yàn)。利用該試驗(yàn)可以確定單位長(zhǎng)度土釘?shù)目拱瘟Γ^而為確定土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)提供直接的依據(jù)。同時(shí)，土釘?shù)目拱卧囼?yàn)也是衡量土釘施工質(zhì)量好壞的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。研究土釘抗拔機(jī)力，掌握抗拔作用下的應(yīng)力與應(yīng)變、拉力與位移等關(guān)系，能為土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)提供理論上的指導(dǎo)作用。當(dāng)前，工程界常假設(shè)剪力沿土釘均勻分布，根據(jù)抗拔試驗(yàn)結(jié)果，利用下式來估算釘土剪切面處的最大剪應(yīng)力（極限抗剪強(qiáng)度）。(3.1)式中，為釘端拉力,,分別為土釘?shù)闹睆胶烷L(zhǎng)度，為土釘平均深度處垂直應(yīng)力,為釘土切向剪切面處的粘聚力和內(nèi)摩擦角。實(shí)際上按照（3.1）式計(jì)算的剪應(yīng)力既不是局部剪應(yīng)力，也不是平均剪應(yīng)力，而是整體剪應(yīng)力（globalshearstress)【51】。Schlosser和Guillious(1984)提出了土釘抗拔時(shí)最大剪應(yīng)力（極限抗剪強(qiáng)度）的計(jì)算公式為【49】(3.2)式中，為釘土作用面處的似摩擦系數(shù)，為土釘橫截面周長(zhǎng)，為土體粘聚力，為土釘?shù)闹睆剑瑸橥玲斊骄疃忍幋怪睉?yīng)力。實(shí)際上，土釘抗拔作用的機(jī)理較為復(fù)雜，遠(yuǎn)非以上兩個(gè)簡(jiǎn)單的公式所能描述。影響土釘抗拔作用的因素較多，主要有土體的物理力學(xué)參數(shù)、土釘?shù)膭偠?、釘土接觸面處的特征，土體的剪脹（縮）性、剪切面處介質(zhì)的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系等【50,6】。Guilloux等所做的土釘抗拔試驗(yàn)表明，當(dāng)釘土的相對(duì)位移達(dá)到時(shí)，釘土間的極限剪應(yīng)力達(dá)到最大，土釘所受的剪力與釘土間的位移直接相關(guān)，并在位移達(dá)到某一值前，隨位移的增大而顯著增加。極限剪應(yīng)力的大小與土釘?shù)穆癫厣疃葞缀鯖]有關(guān)系【6,50】，并非如以上兩式中的呈線性變化。這是由于似摩擦系數(shù)隨深度的減小被土釘上部的超載()所平衡的原因【6】,試驗(yàn)表明，釘土間的相互作用與應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系極為密切。按照公式（3.1）、（3.2）所描述的剪應(yīng)力與埋深（體現(xiàn)在中）的線性關(guān)系是與實(shí)際不太相符的。因此應(yīng)從應(yīng)力-應(yīng)變的關(guān)系來研究土釘抗拔試驗(yàn)的機(jī)理，R.JohnByrne【41】曾利用應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系研究了土釘抗拔作用，該文對(duì)于土釘抗拔時(shí)的剪應(yīng)力與剪位移關(guān)系曲線的階段性沒有考慮，并且忽略了土釘剛體位移部分是土釘抗拔試驗(yàn)位移的一個(gè)重要組成部分的事實(shí)。本文將根據(jù)土釘抗拔試驗(yàn)實(shí)測(cè)的剪應(yīng)力與位移關(guān)系曲線，建立土釘抗拔力學(xué)模型，用解析方法來研究土釘?shù)目拱卧囼?yàn)。3.2土釘抗拔荷載傳遞機(jī)理當(dāng)拉力逐漸施加于土釘拉拔端時(shí)，靠近拉拔端處的土釘單元受到拉伸而產(chǎn)生相對(duì)于土體的向外（與拉力方向相同）變形，與此同時(shí)土釘側(cè)表面受到土體的向內(nèi)摩擦力。土釘荷載通過所發(fā)揮出來的側(cè)向摩擦阻力傳遞到土釘周圍土體中（降低了土體的分擔(dān)作用），致使土釘?shù)妮S向拉力和土釘?shù)睦熳冃坞S土釘?shù)拈L(zhǎng)度方向而遞減。在釘土相對(duì)位移等于零處，其摩擦阻力尚未開始發(fā)揮作用而等于零。隨著荷載的逐漸增加，土釘體的拉伸變形量和位移量逐漸增大，內(nèi)部土釘段的摩擦阻力隨之逐步調(diào)動(dòng)起來，內(nèi)部土釘段處周圍的土體因此而產(chǎn)生摩擦阻力；當(dāng)土釘周側(cè)的摩擦阻力全部發(fā)揮出來達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)，土釘周側(cè)土體發(fā)生剪切破壞，位移增長(zhǎng)速度顯著增大并收斂與一常數(shù)，土釘以均勻的速度而被拔出。版由此可見，抗迫拔作用下釘土構(gòu)系統(tǒng)荷載的傳饒遞過程可以簡(jiǎn)椅單描述為：土生釘?shù)奈灰坪洼S獄向拉力向內(nèi)（抄沿長(zhǎng)度方向）撲遞減，土釘周稻側(cè)的摩擦阻力絞向內(nèi)逐步被調(diào)雕動(dòng)起來。喂3鏡.3殲抗拔作用的力亭學(xué)模型郵土釘蓄【烏49,52蜜】歡與鋼管隊(duì)【盒53造】泄的抗拔試驗(yàn)的禍剪應(yīng)力暗-尖位移關(guān)系可簡(jiǎn)件化成圖濾3-1沾所示的實(shí)線部福分業(yè),穩(wěn)這種剪應(yīng)力束-清位移關(guān)系曲線牙在形式上和高眉強(qiáng)度有紡?fù)凉⒖椢锛咏钔量篃挵卧囼?yàn)的剪應(yīng)肚力錄-味位移曲線稱【冶51賤】螞極其相似。個(gè)為了建立土釘賄抗拔作用的力砍學(xué)模型，首先旬應(yīng)分析抗拔試枕驗(yàn)時(shí)的剪應(yīng)力器-陳位移曲線。土紗釘抗拔作用下界的剪應(yīng)力苦-孝位移曲線根據(jù)社文獻(xiàn)腹【弱1,5,6目】彩可簡(jiǎn)化成圖鼻3-1渣的且段和傾段。毅段表示隨著位哄移的增加，剪作應(yīng)力與位移呈配非線性增加，說表現(xiàn)為土體被壟壓實(shí)，并具有咽彈性體性質(zhì)；讀段說明了當(dāng)釘濾土間的相對(duì)位細(xì)移達(dá)到一定值究(盈)開后炸,意釘土間的剪應(yīng)盼力保持不變，歪整個(gè)土釘發(fā)生書均勻移動(dòng)，土炊體已發(fā)生剪切心破壞。括肆根據(jù)圖唉3-1,蛾可以寫出下面嗓的表達(dá)式。掩透當(dāng)怨時(shí)；欣過獸(3搞.3)疼殼備竟奪當(dāng)鹽時(shí)；磨臟新(3.恭4)煙峰以上兩式中的棍為峰值剪應(yīng)力急，突為達(dá)到峰值剪枕應(yīng)力時(shí)所需的督最小位移，炭表示土釘懶斷面處的位移昨（見下文），斷為剪切變形系失數(shù)砌(浮kPa/m)揚(yáng)，其值與土體憑性質(zhì)、土釘表巾面的特性、土盆釘上部的垂直詠應(yīng)力大小等因夏素有關(guān)?？筛?jù)實(shí)測(cè)資料計(jì)僵算或根據(jù)表構(gòu)3-1脖確定。遙設(shè)土釘釘頭（鎖土釘與面層交圣點(diǎn)位置）作用廳著大小為缸的拉力，土釘成的長(zhǎng)度為委,徒以土釘自由端舍為坐標(biāo)原點(diǎn)，近土釘軸線為坐缸標(biāo)軸建立如圖愈3.2(a)余所示的坐標(biāo)系豈。沿坐標(biāo)方向連，在距離坐標(biāo)硬原點(diǎn)位置為址處取一長(zhǎng)度為象的單元進(jìn)行分午析，取堤方向?yàn)樽饔昧θ赖恼较驃?宗根據(jù)單元的平濾衡條件有方碗消翅(3.5盾)奉式中，痕為土釘直徑，騾為場(chǎng)截面處的軸向域拉力。狡根據(jù)土釘拉伸探變形爭(zhēng)與軸力訂的關(guān)系有：預(yù)城凈構(gòu)(3殲.6)斷面的軸力為瓣瓜遠(yuǎn)辱(3.緩7)惠上式中，犧,棍為有效土釘模息量，圣分別為土釘?shù)姆蹪{體及鋼筋模塵量，愿分別為土釘?shù)哪珴{體及鋼筋的峰橫截面面積。肺根據(jù)交斷面處力的平種衡條件得即進(jìn)皮寫任(3.8獻(xiàn))壓土釘任一截面奴處的位移等于梢土釘?shù)膭傮w位代移與土釘拉伸駝變性之和，則挽斷面處土釘?shù)南纯偽灰茷榭逅鲀x(3.9喝)班式中猶為土釘蘿斷面處土釘?shù)牡估熳冃瘟?，詞為土釘剛體位擦移。由于土釘維自由端不受拉印力作用，因此你自由端的拉伸涌變形量為零，便其位移即為土評(píng)釘剛體位移。層上式對(duì)蝴求一階導(dǎo)數(shù)得津震隊(duì)女粱(3.10)斧將庸(載3.8)應(yīng)式代入上式得皂彎絕度(3預(yù).11)疏上式對(duì)凡再求一階導(dǎo)數(shù)鍋得防貼海奔內(nèi)(云3.12)擊方程（眠3.12猜）可以寫成下掀面的形式賞叛傷當(dāng)毀時(shí)；模摧再(3.13態(tài))志齡當(dāng)勁時(shí)；姻登左(3.1用4)凝方程（倘3.13釀）的通解為嘴踏湖滲用(3.15)膜方程流(轎3.14)荒的通解為走演塊依懲宜(3.16摘)臂上式中鄭留，騎表示土釘對(duì)土是體的相對(duì)剛度唉，其量剛為長(zhǎng)聲度。緩鋼管抗拔試驗(yàn)響【胡53籮】擴(kuò)和加筋土的抗南拔試驗(yàn)日【呆5鳴】隆表明，在土體梢未發(fā)生剪切坡妻壞前（受拉桿藍(lán)件為發(fā)生均勻拼移動(dòng)前），拉倡拔端的位移最粉大；位移由抗斥拔端向自由端債逐漸減小到零艦。由于鋼管常梯在工程中被用系作打入式土釘依或注漿式土釘秩的拉筋，因此極，文獻(xiàn)桿53者中的抗拔試驗(yàn)柿等同于土釘?shù)男菘拱卧囼?yàn)。因魚此當(dāng)極時(shí)，摸，土釘?shù)奈灰茦畲?。在土釘野被拔出的過程獲中，土釘各點(diǎn)栽處的位移相同線，即土釘發(fā)生映均勻移動(dòng)，開豬始發(fā)生抗拔破省壞，不會(huì)存在籍的情況。因此漏應(yīng)該只考慮圈時(shí)土釘?shù)氖芰κ羌白冃吻闆r。拼將方程渡(激3.16)嘆代入到方程夏(劇3.8)殲中得券挎(3.廣17)固只要確定了系船數(shù)考,稅，測(cè)得剪切變羨形系數(shù)座，就可以計(jì)算攜出位移、軸力側(cè)、剪力沿土釘吳的軸向分布規(guī)幫律。印,迫根據(jù)下面的邊殺界條件確定。妖1)陽當(dāng)丈時(shí)，鞏,曲代入到盟(叢3.17)寨式得出爛止藝見總協(xié)(落3.18)近2)金當(dāng)迷時(shí)，趣,衫代入到紹(旨3.17)稀式得肝葉敞(3.19智)構(gòu)上面兩個(gè)邊界缺條件還不能確梨定怕的值，還需一憐個(gè)條件。當(dāng)土附釘某個(gè)斷面的基位移（或軸力疼）已知時(shí)，則飛根據(jù)位移表達(dá)叛式（或軸力表拉達(dá)式），并結(jié)臥合扮(刻3.18)栽、呀(脅3.19)樂兩式便可以確吳定出系數(shù)乞的值?？紤]到抵工程中經(jīng)常測(cè)勒量土釘拉拔端必處的釘頭位移翻，在此僅對(duì)該澇情況進(jìn)行分析驢，對(duì)于土釘某亭點(diǎn)處的位移或臉軸力已測(cè)得的劇情況，其分析航方法是相似的懷。銀假設(shè)土釘釘頭姿處的位移實(shí)測(cè)喘值為要，將丟時(shí)，已代入方程貌(舞3.16)苗得色陜?nèi)鹜写缃?3.采20)勵(lì)令濾,擾由方程氣(瓦鐵)款、趣(粒逝)注、救(夸死)騙解得些3俗.4應(yīng)工程實(shí)例分析妹北京方莊住宅誘小區(qū)芳城園吼1避號(hào)樓工程基坑關(guān)深隨11.2-1膀2.0m境，采用土釘支恥護(hù)，為了了解系土釘?shù)墓ぷ餍蕴┠埽瑢?shí)測(cè)土釘機(jī)的抗拔力而做位了四組土釘抗雁拔試驗(yàn)?，F(xiàn)對(duì)塑編號(hào)為帝01確的土釘試驗(yàn)進(jìn)墨行分析。該土敘釘處于粉質(zhì)粘罪土層中，試驗(yàn)超結(jié)果見表逼3-1更，試驗(yàn)的拉力目-責(zé)位移曲線見圖央3.3-a蹦中的折線。兵表嚇3-1:答01純土釘抗拔試驗(yàn)綿記錄表協(xié)土層類別鴨土釘資料己注漿資料督檢驗(yàn)荷載友(化kN)笨油壓表讀數(shù)悄(飽MPa)個(gè)釘頭位移讀數(shù)內(nèi)(煩mm)鍛位移增量嗎(存mm)串水泥漿，水硬48椅10撥15酸φ甲28失鋼筋，壁與水泥之比阿99洪20片18圖3激粉質(zhì)粘土趟長(zhǎng)度嫁6m漸，欠為曉0.45:1蛇，傻123舊25罩20珍2離傾角際10偏°膚泵壓注漿決138奮28阻23黨3簽168位34特25隔2刺根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果墓，采用下面的搜算式近似確定律剪切變形系數(shù)圈上式中助乓為試驗(yàn)加載次椅數(shù)，世，剃分別為相鄰兩疑次荷載增量與到釘頭位移增量譽(yù)值，喜為土釘?shù)膬A角獻(xiàn)。溪圖更3.3屆中的各條曲線逗是根據(jù)上面推雀導(dǎo)的公式所計(jì)篇算的最后一次林抗拔加載的結(jié)由果，計(jì)算中選惹取的參數(shù)見表曠3-2駐根據(jù)計(jì)算結(jié)果綱所繪制的曲線垮圖可以看得出尺，軸力隨土釘還位移的增大而伏增大，理論曲攜線與軸力等于斷拉拔荷載時(shí)的品實(shí)測(cè)曲線基本忍吻合葡(立圖贈(zèng)3.3-a)胳，剪應(yīng)力壞-壟位移曲線、剪習(xí)應(yīng)力莊-搏軸向坐標(biāo)曲線御、位移勝-保軸向坐標(biāo)曲線說呈線性遞增關(guān)云系變化。這是賄由于采用了圖顯3.1配中的剪應(yīng)力恨-箏位移關(guān)系的線搬性簡(jiǎn)化模型。責(zé)所有這些曲線樣的變化規(guī)律和卻前面所分析的頌土釘抗拔荷載劈傳遞機(jī)理規(guī)律征是一致的。所稻有這些曲線關(guān)穩(wěn)系很好地說明翼了抗拔作用下抄釘土系統(tǒng)荷載譜的傳遞過程，總即：土釘?shù)奈桓耙坪洼S向拉力徒向內(nèi)土釘自由斬端方向遞減，榜土釘周側(cè)的摩盈擦阻力向內(nèi)逐羊步被調(diào)動(dòng)起來雖。從圖報(bào)3.3-e蹈可以看出，土閉釘自由端處的滋位移量不為零川，說明土釘開然始被拔出，該單點(diǎn)的位移即為職土釘?shù)膭傮w位放移。從圖中的壁曲線可以看出嚴(yán)，在土釘被拔侄出前，土釘位晶移量的大小對(duì)含于土釘軸力及蜻剪力的分布起饅著決定作用，場(chǎng)因此土釘支護(hù)女設(shè)計(jì)中應(yīng)采用潔荷載傳遞函數(shù)策來確定土釘?shù)奶褬O限平均抗拔捎力。即根據(jù)軸與力與位移關(guān)系忠來確定土釘?shù)幕拱瘟Γ@樣善才能與實(shí)際相直符?；壳巴馏w剪切涂變形系數(shù)最常畫用的方法是根行據(jù)實(shí)測(cè)的剪應(yīng)秩力障-策位移曲線，按帖照最小誤差條扣件來確定豐【慧53東】勢(shì)，在缺少試驗(yàn)縱資料的前提下史,頓剪切變形系數(shù)蜜可按照表泥3-3西確定碗【吩53棵】階。僑表乞3-2智計(jì)算參數(shù)表州土釘長(zhǎng)度氏(繳m)右土釘傾角找(使)倒鉆孔直徑喪(鏟m)干鋼筋直徑廊(讀m)煙鋼筋模量示(慣MPa)暗混凝土模量毒(察MPa)足拉拔荷載稈(術(shù)kN)些釘頭位移木(雙m)旋剪切變形系數(shù)梳(某kPa/m)癥6霸10腐0.13偉0.028半210供20滿168假25僻2550家值得注意的是襖，該表中的數(shù)斥據(jù)是根據(jù)表面光光滑的鋼管抗就拔試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)則計(jì)得出的，對(duì)降于打入式土釘遇有很大的參考癢價(jià)值。但對(duì)于停注漿土釘則不渾太適用。因?yàn)闂U注漿土釘?shù)膫?cè)胡面比鋼管側(cè)面輝粗糙得多，因騰此土體顆粒與日漿體之間出現(xiàn)免嵌鎖現(xiàn)象，由熄于嵌鎖作用，躲土體與土釘間紛產(chǎn)生高摩阻力恩，提高了剪切水變