土釘支護系統(tǒng)穩(wěn)定性數(shù)值研

PAGE1PAGE9土釘支護系統(tǒng)穩(wěn)定性理論與數(shù)值研究賈立宏（總工程師辦公室）前言土釘支護系統(tǒng)自八十年代引入我國以來已廣泛的被應(yīng)用于建筑、交通、鐵路等與巖土工程有關(guān)的專業(yè)領(lǐng)域。我院自九十年代初開始在北京市地區(qū)應(yīng)用這一技術(shù)，并開展了一系列有關(guān)土釘支護設(shè)計的研究，經(jīng)過對土釘技術(shù)廣泛的應(yīng)用和深入研究，在設(shè)計理論和施工方法逐漸完善，最近各行業(yè)規(guī)范也漸漸出臺，伴之而來的各種土釘設(shè)計軟件也日趨成熟。土釘支護系統(tǒng)之所以如此廣泛和快速普及，主要原因是它在各類支護方法中可靠性與造價比最為合適，受到投資方的欣賞，又由于施工方便，可使用簡陋的施工工具施工，適應(yīng)市場的能力比其他支護方法都強，從而造成激烈的市場競爭，與最初的土釘支護系統(tǒng)造價相比，現(xiàn)在造價降低幾乎一半。這一現(xiàn)象外在的表現(xiàn)是深基坑土釘支護系統(tǒng)事故日漸增多，造成的損失加大，充分體現(xiàn)出深基坑土釘支護系統(tǒng)的風(fēng)險性，同樣既經(jīng)濟又安全的土釘支護系統(tǒng)設(shè)計理論和方法的研究呈現(xiàn)出其重要性。本課題研究的目的是從計算力學(xué)角度出發(fā)，試圖將土釘系統(tǒng)的變形行為描述建立于固體力學(xué)基礎(chǔ)上，并考慮到施工過程對支護系統(tǒng)應(yīng)力場、變形場和穩(wěn)定性的影響，將計算力學(xué)方法引入到土釘系統(tǒng)設(shè)計中，擺脫傳統(tǒng)和現(xiàn)在流行的條分法。本課題的研究分以下方面：論證現(xiàn)在流行的設(shè)計方法－條分法的缺陷，指出該方法在土釘支護系統(tǒng)設(shè)計中致命弱點。使用非線性有限元方法模擬深基坑土釘支護系統(tǒng)的成形過程，由此研究土釘與土體的相互作用和對土體的加固機理，并給出確定土釘設(shè)計長度的基本原則。2.條分法在土釘支護設(shè)計中的缺陷在巖土工程中計算邊坡穩(wěn)定性和土釘支護系統(tǒng)設(shè)計中，以及在將要出臺的土釘支護設(shè)計規(guī)范中，都使用條分法進行設(shè)計和計算，對大部分工程技術(shù)人員，許多年來從沒有懷疑過條分法的正確性。尤其在土釘支護系統(tǒng)設(shè)計和邊坡穩(wěn)定性分析中，現(xiàn)有的設(shè)計完全是以條分法理論為基礎(chǔ)，在眾多土釘支護系統(tǒng)的事故后面，除了對施工環(huán)節(jié)的反省之外，也使我們不得不對其設(shè)計理論的正確性進行一些理論反思。本章針對條分法在數(shù)學(xué)和力學(xué)理論上的謬誤來論述該方法對工程的危害，并提出措施來糾正由于該方法所導(dǎo)致設(shè)計上的不足和對土釘支護系統(tǒng)設(shè)計未來正確發(fā)展的展望。2.1條分法在數(shù)學(xué)力學(xué)方面的基本錯誤為了論述的方便，將條分法的基本概念簡述如下：圖1條分法計算模型圖2分條單元內(nèi)力分析為了將彼得森（K.E.Petterson）的圓弧滑動法應(yīng)用于φ>0的粘性土，將滑動土體豎直劃分成若干剛性土條，如圖1所示，取第i個土體進行靜力平衡分析，如圖2所示，其中Ni、Ni+1為法向力，Wi為第i個土塊的重力，Qi、Qi+1為切向力，hi、hi+1為法向力距滑移面的距離，該土塊相對應(yīng)的圓弧段cd的長度為li，其上作用著法向力pi和切向摩阻力fi，fi中包括粘聚阻力cili和摩擦阻力Nitgφi。由于第1塊土條的邊界條件是已知的，所以可依次推導(dǎo)出各土條的內(nèi)力，當(dāng)推導(dǎo)至第i個土條時，圖2中的Ni、Qi、hi是已知的，待求未知量為Ni+1、Qi+1、hi+1、pi、fi五個，由理論力學(xué)的靜力平衡原理可知，對該剛性土條塊可建立3n個靜力平衡方程和n個極限平衡方程，共4n個方程的方程組：這里FS為安全系數(shù)。對n個剛性滑動土塊，條塊間的分界面有(n-1)個，則各界面上力的未知量為3(n-1),滑動面上未知力數(shù)量為2n個，加上待求的安全系數(shù)FS，總計未知力個數(shù)為(5n-2)個。而方程組(1)僅有4n個，待求未知量比所能建立的方程多n-2個，這種情況在力學(xué)中稱之為超靜定問題，直接無法求解。為什么會出現(xiàn)上述問題呢？這是因為我們研究的土體從本質(zhì)和客觀上講是變形體，而需要求解的也是變形體的內(nèi)力，由固體力學(xué)的基本概念出發(fā)，如果不引入變形體的變形協(xié)調(diào)條件，是無法求解超靜定問題方程（1）的。條分法在這里犯下了致命的錯誤，它企圖躲開變形協(xié)調(diào)條件求解粘性土體的內(nèi)力以判斷穩(wěn)定性問題，這樣在理論上是不可能的。為了將不可能強行變成可能，條分法對圖1所示的力學(xué)模型引入了各類假設(shè)條件，從而得出不同的條分法，這些假設(shè)大致可分為三類：(1)設(shè)條塊間的相互作用力為零或不計其影響，例如瑞典條分法和畢肖普法；跡(2餡)夜設(shè)定條塊俱間的作用際力的方向周或規(guī)定條斥塊界面間婦法向和切勤向力的比啦值為已知租，如折線唯滑動面法歷；暗(3)第盞設(shè)定條塊悠間力的作吹用位置，槍即早h蠅i俊和倒h丈i+1叼為條塊高鞠的兆1/尾2征或系1/滾3袖，如普通膊條分法屬盤于這一類詠。紅這里我們蹄分析這些甲假設(shè)在力壟學(xué)理論上蚊是否合理止。嫩碎在第一類助假設(shè)中，搏實際是蠶令悠Q猜i含=0灶和御N噴i至=0專，這一條辯件的給出通過財于金“豎粗屬暴塌”刻。首先眾問所周知條聞塊間的相笨互作用力場的存在是?？隙ǖ模瑖L所以這一宜假設(shè)缺乏宇客觀性；島其次，在絮工程中，灣當(dāng)某一分田量被視為邁零時，通縣常是因為撿該分量對汽工程客體字的行為所報起的影響勿是非常微怒小，甚至古可忽略不后計的，而許在這里并過無法從數(shù)日學(xué)上證明畝條塊間的竄相互作用畜對粘土坡平的穩(wěn)定性純是可以忽弓略的，即踢使綱當(dāng)狀N汗i趙→炮0斤和悲Q超i燦→述0巷，也不能丸證明穩(wěn)當(dāng)多N局i循=抽0披和勒Q賤i喝=偽0桑時方程組乖（膝1曠）不產(chǎn)生企突變或變桶異，或病來態(tài)解，所虛以前N悉i幕=緒0兵和政Q末i意=秘0罪的假設(shè)極嶄可能導(dǎo)致緣所得的解偶完全不是淡方程派（傳1憑）的。寬拍第二類和職第三類假照設(shè)比第一涌類假設(shè)更患為謊謬，耐當(dāng)令某一消量為零時茶，還可以扇強詞奪理歪的聲稱該茶分量在求雖解時對問平題的影響油極小，可淋忽略不計廣，那么在嫩毫無理論席證明和工少程實踐證債據(jù)的情況舉下，強令膛某些量等爪于某個具畢體常數(shù)，電這種作法灶毫無科學(xué)井性而言。球試想，對顏圖運2反中稀的餃h太i黨和局h則i+1金隨意確定材為某一浙值犧α揮，而該問垂題的真值轟為際β盒，且爹有你‖連α浪-是β猶‖述=寄Δ據(jù)>愿0糠，這樣以不來本該在升方程譜（對1伴）條件下濾處于靜止瓦平衡的條短塊謊abc纖d輛卻因為力談矩?zé)o法平避衡而在平調(diào)面中旋轉(zhuǎn)怪起來，這縫種情況下使方程稈（芬1簽）得出的少內(nèi)力解簡會直不值得吉在此浪費花筆墨版面死去批駁。著2.2低條分法的芬謬誤在土迷釘設(shè)計中否的誤導(dǎo)筆上面本文太論述了條蛋分法在理撤論上的謬塑誤，這種搶謬誤在應(yīng)趨用于工程授設(shè)計中會活產(chǎn)生何種名后果呢？做近羞5全年來，在買深基坑工啄程中，土臣釘支護系再統(tǒng)被普遍盜應(yīng)用，所孝以土釘支邊護系統(tǒng)的絮設(shè)計逐漸悄規(guī)范化，冠土釘支護伴系統(tǒng)設(shè)計伍和施工規(guī)懷范也將在慌未來的幾減年內(nèi)出臺舟，與此同問時深基坑抵支護設(shè)計堵軟件如雨沿后春筍，食在工程和征軟件商業(yè)罩的背后必畜須清楚的味認識到在近土釘支護屈系統(tǒng)設(shè)計哲方法存在賀著一個理廳論錯誤的餃陷井，即冠由條分法桂所給出的咐所謂滑移中線與實際醉土體的滑軍移線有多怠大出邪入持?斃由此設(shè)計值的土釘長攀度又有多嫁大的可信卷度陸?華現(xiàn)在是否剖有正確的雨理論來解旱決上述的驕問題？量刷首先應(yīng)該插確定的是城現(xiàn)有的力鼓學(xué)理論足縣以解決也船已經(jīng)從理牧論上給出亡了土體穩(wěn)勁定性問題默的比較嚴(yán)后格的理論纖解。早在珍本世紀(jì)四墳十年代前冊蘇聯(lián)學(xué)者口索科洛夫骨斯基首先它應(yīng)用滑移謎線法求解愿塑性平衡要問題，管從商194仍2哀年始敘至扶196飾0俱年之間建艘立完成了咱松散介質(zhì)煩塑性平衡嗎的靜力學(xué)篇理論綠[1]喪，近年來多我國學(xué)者旬在松散介蝕質(zhì)靜力學(xué)聲、動力學(xué)炸方面作出約許多重要樹的工作，蛇在一定程牧度上解決慰了土坡和序巖體穩(wěn)定弦性問題、節(jié)采礦的放陣礦問題和墳流沙的運云動問題僑[2箏]隆、池[3]司。丈富土體邊坡惕的穩(wěn)定性宴問題在連上續(xù)體力學(xué)詢范疇內(nèi)屬駕松散介質(zhì)蘇力學(xué)耕學(xué)科，這尤門學(xué)科針財對的是以讀莫爾－庫俊侖破壞準(zhǔn)摩則為主的哨介質(zhì)，解容決問題的低主要方法鈔有兩扎種賄:燙滑移線方劍法和極限哈平衡法，縮這里的滑送移線法與穿條分法中呈的滑移線合完全不同接，它是建泊立在嚴(yán)格點的塑性力鉛學(xué)理論基漸礎(chǔ)上的，測具體理論薯和結(jié)論將拉在今后專蕩門討論。期既然我們址已經(jīng)有現(xiàn)桑成的正確壺理論可以利使用，何憲必仍然使領(lǐng)用錯誤的被方法呢？關(guān)土此外邊坡翼的滑移的療確沿某一餡滑移面運喇動，但這植僅是最終奏結(jié)果的外衫在現(xiàn)象，獻這一外在吸現(xiàn)象僅僅邪是邊坡開泉挖過程中養(yǎng)產(chǎn)生的次楊生應(yīng)力場第導(dǎo)致的結(jié)體果，而并斗非邊坡失序穩(wěn)滑移的脾原因，對規(guī)于土釘支浴護系統(tǒng)的腔設(shè)計來講推，得到邊淚坡滑移面頑并不是目飽的，目的識是要使土四釘或錨桿重足以穩(wěn)定朋邊坡的運皺動。所以移完全按照派滑移面位晌置而忽略總開挖后邊爐坡內(nèi)的應(yīng)碼力分布去晚設(shè)計土釘測或錨桿長圈度是錯誤翼的，對土篩釘支護系炕統(tǒng)的設(shè)計守和對邊坡渠穩(wěn)定性分露析的根本母在于開挖鎮(zhèn)過程和開吃挖后土體床內(nèi)最終次趁生應(yīng)力的柏分布，如狼果不去研首究或?qū)@棕種次生應(yīng)洪力場分布夜毫無概念射，就無法型正確認識取土釘支護科系統(tǒng)對邊降坡穩(wěn)定性村的真正作徹用，也無構(gòu)法對土釘鋸所產(chǎn)生的泉次生應(yīng)力剖場對邊坡尋失穩(wěn)趨勢賴的次生應(yīng)渾力場的影舒響作出正著確判斷。枯現(xiàn)有土釘謙支護系統(tǒng)垮和其它形味式的邊坡旦支護設(shè)計匹軟件的最丈大弱點就盤是從不給雅出邊坡土急體開挖后臉的次生應(yīng)消力場分布燕，其結(jié)果緊就象用黑內(nèi)布條蒙住縣設(shè)計者的得眼睛，而鄰僅把設(shè)計錯者的臉對煉準(zhǔn)靶標(biāo)，猶讓設(shè)計者殺向這個靶渡標(biāo)射擊，釘打到靶標(biāo)婚和打不到含全憑運氣攪。允2.3棵條分法的徑謬誤在土魯釘支護系榨統(tǒng)設(shè)計中鐮的校正鹽浪在我們還冒不能從條娛分法的謬柄誤中掙脫辟之前，而拘又不能束覽手無策的艇陷入到這菊個沼澤中朽，唯一的游辦法是在致正確認識蝕條分法的酒前提下，卡對邊坡開叛挖過程中峽累積的次換生應(yīng)力場瓦分布進行北深刻的研證究并建立據(jù)正確的概叼念，基于酒對邊坡開別挖次生應(yīng)傻力場的認陪識和現(xiàn)場延實踐，提恭出如下設(shè)敘計原則對板條分法的終計算結(jié)果鴿進行校正宰：慚(1)誓瀉在基坑上栽部的土體美往往是填普土，而且顧經(jīng)常有各是種形式的展超載存在錄，所以這郵一部分的越土釘應(yīng)加懲密，水平糾間距最好泰在幟1.2巖m奴以下，土脅釘長度應(yīng)瘦確定為最彈長。這一烏原則似乎倡與條分法腹所得結(jié)果集一樣，但助所依據(jù)的遍原理不同擱。土釘加德密是為了凍使松散性盤質(zhì)的填土屯強度得以犧提高，從邀而提高填量土承受基澡坑超載的肯能力，起黃到加固作隨用。土釘筑的加長是戒為了提高柴土釘支護樸系統(tǒng)的抗嗎傾覆能力泡。因為在距基坑上部鼓土釘支護喪系統(tǒng)所受刺到的水平靠推力對基訓(xùn)坑根部傾略覆旋轉(zhuǎn)的阿力矩最大尋，為了抵且抗這一力語矩產(chǎn)生的廉邊坡傾覆緒趨勢，只體有加長和冶加密土釘部才能幅提供足以甘抵抗傾覆蛙的能力。披（閱2屈）在基坑島下部，如割果按照條占分法的滑炸移線，該度處土釘長遙度應(yīng)最短造，但是如順果根據(jù)開撈挖后次生爆應(yīng)力分布尊，這一部藏分實際最狂為危險，桐主要原因市是：洪①亞基坑開挖矛的過程實叔際是土體潤應(yīng)力逐漸張釋放的過啄程，在基罵坑底部由串槽底和邊悠坡形成的么坡角恰好齊是應(yīng)力集適中區(qū)，這圓里應(yīng)力出局現(xiàn)峰值，棍從而可能謝造成該處乒土體進入驗塑性狀態(tài)宜，使其強蹈度降低；授②鐘基坑開挖蓋的過程也縮是土體內(nèi)術(shù)部能量被段逐漸釋放隸的過程，堅在邊坡坡罪角處應(yīng)力法集中區(qū)也押是應(yīng)變能逢未被釋放顧的聚集區(qū)觸，應(yīng)變能豬越大的區(qū)跪域穩(wěn)定性違就越差俱；躁垂孔③乞越接近基愉坑底部，錢土體受上墓部壓力也蓬越大，而及且土體越沿密實，開憶挖造成的顏次生應(yīng)力撞也越大，巴從而導(dǎo)致誕邊坡潛在俱滑移面上喇的剪應(yīng)力亮越大，文勁獻蜘[4并]揉證明，滑番移剪應(yīng)力水隨基坑深資度增加而觸增加，從峽而潛在滑脅移運動的盾可能性增把加；外④廟在深基坑挪工程中降街水是土釘本支護系統(tǒng)萍支護成功束的最大保規(guī)證，如果而基坑降水鉆不理想，樓就會在基努坑坡角內(nèi)挺聚集有地脂下水，這犧將是土釘嶄支護系統(tǒng)桿的最大隱壇患。柿由上述原笨因可知，哭在基坑底位部不但不禿能減短土舊釘長度而抗且要加長斥和盡可能全加密土釘陣，該處土慌釘?shù)拈L度犁要穿過由孝于開挖造頁成的應(yīng)力禿集中區(qū)，耗為了真正趴達到此目胞的，應(yīng)盡厚可能使土潑釘穿入到許槽底以下構(gòu)的某一深巖度，使邊館坡與未被膠擾動的槽賺底相互連稀接，使邊謎坡拜“龍生繡根奉”眨。這一點竊法國的工造程師做的邀最好，在逢文方獻蛾[5爛]旁中介紹的批法國工程飲師的幾個織實例中，擱基坑底部耀的土釘長么度都沒有卡減短，甚幅至比基坑拾上部的土巖釘還長。喪(3)檢六現(xiàn)有的任鍋何設(shè)計方吸法都是基揉于平面應(yīng)搶變假設(shè)，德僅能描述意土釘支護涉系統(tǒng)橫向殊剖面效應(yīng)掩，無法描棋述土釘支銜護系統(tǒng)縱襖向連接的幸效應(yīng)，所絹以土釘水具平加密的理效果在計泡算中無法尋反映，設(shè)賊計者只能貿(mào)靠直覺經(jīng)柏驗來判斷脅。在一些冶文獻中證掏明，單個噴土釘是不討能抗彎和孔抗剪，僅屈用于抗拔境。如此孤籍立的看待詢土釘?shù)淖魈暧檬遣蝗Q(mào)面的，實盈際上將土舍釘間距減演小，密集賄的土釘就抓如一根根槽單獨的竹壁條梆成的攀竹筏板，派可形成一培層板狀塊簡，這一土及釘狀層實贏際就具有術(shù)抗彎能力蘆，當(dāng)這種共土釘層板晶呈輪15再o輸插入邊坡戒內(nèi)，它對特基坑邊的興超載或建失筑物有關(guān)舍鍵性的保幫護作用，蔑尤其對邊蜂坡向坑內(nèi)料的運動，樸有較強的垂約束作用誰。因此密痕集的土釘派才能構(gòu)成劑空間結(jié)構(gòu)嫌，才能發(fā)咽揮超過單畏個土釘不蛋能發(fā)揮的垃作用，才畏能構(gòu)成一偏個系統(tǒng)，去該系統(tǒng)的恐整體優(yōu)勢和遠遠大于正各子系統(tǒng)杜的優(yōu)勢；開過分稀疏漆的土釘就本只能發(fā)揮仆個體微小圖的作用，禾其對土體佛的加固作乏用將完全瞞埋沒于基沒坑開挖形該成的使邊號坡失穩(wěn)的默次生應(yīng)力系場中。桃綜上所述籮，土釘支銳護系統(tǒng)的屠設(shè)計原則迫大致可歸嘩結(jié)為：重卡點護兩邊訴，中間可啊放開，即拌土釘支護設(shè)應(yīng)加強基艘坑邊坡的爺上下兩邊雀，上部和鋸下部應(yīng)加叔密和加長唯。癥2.4鋒毅邊坡穩(wěn)定蘇性研究的常正確方向膏綜上所述再，對邊坡悼穩(wěn)定性的刪研究必須民擺脫條分扇法的舊框懇架，當(dāng)前笨仍然有許豎多研究者寶在走老路筍，條分法禽同許多計小算數(shù)學(xué)方疑法結(jié)合或耗對滑移線止形狀作出厲各種假設(shè)灑，派生出夠許多方法番。這種現(xiàn)匯象就如清耕華大學(xué)建絮筑工程學(xué)瀉院院長劉麥西拉教授度所描述的傘那樣，用亮各種各樣念最先進的亦手段去測底量和描刻虎桿秤上的岸刻度，但膽忽略了秤酒砣的精確晶性，最終巴結(jié)果將一咳無是處。返那么對此傅應(yīng)采取什淺么方法來惡推進這項百工作呢？撇從事巖土恐工程設(shè)計貞和研究者偽應(yīng)該由下搜面兩個方坦向進行工規(guī)作：技滿(1鴿)楚首先我們依必須將注壺意力最大失的轉(zhuǎn)移到辰對松散介滔質(zhì)力學(xué)方虜向的研究某上，任何像計算方法呼如果脫離苦了堅實的綿基礎(chǔ)理論主指導(dǎo)，其積計算結(jié)果寺都將走入皮歧途。實震際上松散縫介質(zhì)力學(xué)膠已經(jīng)給出敏許多在理寬論基礎(chǔ)上瘦不容質(zhì)疑沾的實用結(jié)須果，我們疏將要作的諒是如何將距這些結(jié)果燃應(yīng)用到實盜際工程中恢，例如如皇何將松散停介質(zhì)力學(xué)杜的結(jié)果應(yīng)藝用于地質(zhì)沸條件為多廊層土體的生情況；如桂何將其應(yīng)界用于存在載地下水的幻條件；如全何將其與辣水動力學(xué)拳相結(jié)合；晃如何發(fā)展喂一種具有豪松散介質(zhì)欄力學(xué)特性波且適用于透工程設(shè)計零的計算方導(dǎo)法。旁(2)翠寬盡可能的曬將有限元脅方法引入匠到土釘支山護系統(tǒng)設(shè)谷計軟件中勢，這是盡尿快擺脫條琴分法的最屬有效的捷倦徑。雖然歐不能奢望騎非線性力叉學(xué)過早進傳入到工程家設(shè)計中，另至少可以熄使用彈性蜘力學(xué)方法率，恢復(fù)土口體為可變昆形體的本瘡來面目。類雖然這種捎恢復(fù)只是魄邁出了很進小的一步會，也比繼異續(xù)使用條道分法更接慧近客觀實喝際。在以礎(chǔ)往的設(shè)計堵中，我們娃之所以被懲局限于條參分法，在蜓很大程度末上是由于維工程設(shè)計喚者的理論柳素養(yǎng)所局課限和理論箱研究者與巾工程實踐察脫離這樣像兩大原因扣，今天又楊因為另外銳的兩大原惰因使我們蒸看到光輝萌的前景，更一是計算躬機在工程批設(shè)計中的誕