土釘支護(hù)體系穩(wěn)定性數(shù)值研七

PAGE1PAGE203.土釘對土體支護(hù)機(jī)理研究對土釘支護(hù)機(jī)理的認(rèn)識，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)場抗拔試驗(yàn)、1:1現(xiàn)場試驗(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)可以確定單位長度土釘?shù)目拱瘟?，繼而為確定土釘支護(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，為土體粘聚力，為土釘?shù)闹睆?，為土釘平均深度處垂直?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)釘土的相對位移達(dá)到0.60-3.0mm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度方向而遞減。在釘土相對位移等于零處，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。由此可見，抗拔作用下釘土系統(tǒng)荷載的傳遞過程可以簡單描述為：土釘?shù)奈灰坪洼S向拉力向內(nèi)（沿長度方向）遞減，土釘周側(cè)的摩擦阻力向內(nèi)逐步被調(diào)動起來。3.3抗拔作用的力學(xué)模型土釘【49,52】與鋼管【53】的抗拔試驗(yàn)的剪應(yīng)力-位移關(guān)系可簡化成圖3-1所示的實(shí)線部分,這種剪應(yīng)力-位移關(guān)系曲線在形式上和高強(qiáng)度有紡?fù)凉た椢锛咏钔量拱卧囼?yàn)的剪應(yīng)力-位移曲線【51】極其相似。澤為了建對立土釘浮抗拔作微用的力送學(xué)模型滲，首先特應(yīng)分析就抗拔試斥驗(yàn)時(shí)的格剪應(yīng)力堅(jiān)-觀位移曲裂線。土脆釘抗拔亮作用下糾的剪應(yīng)文力危-耕位移曲塌線根據(jù)德文獻(xiàn)差【施1,5尖,6抗】欄可簡化沃成圖任3-1節(jié)的肚段和動段。姓段表示緞隨著位未移的增救加，剪父應(yīng)力與濾位移呈叛非線性胳增加，儀表現(xiàn)為始土體被室壓實(shí)，嚷并具有劣彈性體綠性質(zhì)；裁段說明凱了當(dāng)釘牲土間的圍相對位拜移達(dá)到巡一定值備(俘)坊后技,記釘土間傷的剪應(yīng)姻力保持學(xué)不變，偉整個(gè)土慨釘發(fā)生氣均勻移刮動，土們體已發(fā)象生剪切丈破壞。叼根據(jù)圖誕3-1精,猶可以寫丙出下面例的表達(dá)團(tuán)式。前當(dāng)逝時(shí)；熱啞俯俯孩塞(3級.3)派當(dāng)湯時(shí)；料飯去首森眨(3.相4)在以上兩抗式中的劈為峰值襪剪應(yīng)力活，冰為達(dá)到隆峰值剪旋應(yīng)力時(shí)稠所需的領(lǐng)最小位鑒移，碼表示土速釘睛斷面處宜的位移去（見下抗文），中為剪切吹變形系倘數(shù)德(倡kPa遞/m)籌，其值弦與土體駛性質(zhì)、救土釘表矛面的特濾性、土選釘上部罵的垂直集應(yīng)力大遼小等因泄素有關(guān)鑰?？筛O據(jù)實(shí)測瘦資料計(jì)恰算或根費(fèi)據(jù)表時(shí)3-1莊確定。嘩設(shè)土釘襲釘頭（秒土釘與逼面層交允點(diǎn)位置獨(dú)）作用州著大小賽為牲的拉力私，土釘?shù)康拈L度鐘為參,慕以土釘隱自由端煤為坐標(biāo)姿原點(diǎn)，典土釘軸價(jià)線為坐鉆標(biāo)軸建禍立如圖趣3.2超(a)集所示的筍坐標(biāo)系蔽。沿坐酬標(biāo)方向拔，在距將離坐標(biāo)鞭原點(diǎn)位壘置為載處取一匪長度為壤的單元昏進(jìn)行分旅析，取印方向?yàn)榈鹱饔昧サ恼降∠蜇?叢根據(jù)單婚元的平岸衡條件走有努穴頃刃州婦合(表3.5獵)廟式中，姑為土釘枕直徑，等為殊截面處底的軸向獎拉力。素根據(jù)土映釘拉伸籌變形收與軸力艷的關(guān)系嚼有：羨搏具在逝俘局街(3葉.6)去斷面的垃軸力為智波置枝伍翻宋藝(3.面7)滿上式中斬，兩,偽為有效口土釘模筒量，補(bǔ)分別為護(hù)土釘?shù)目瘽{體及發(fā)鋼筋模隨量，暈分別為繼土釘?shù)陌笣{體及腎鋼筋的燕橫截面鞏面積。茫根據(jù)驚斷面處走力的平挺衡條件掏得即蘆愉炒灰環(huán)斬叛(丙3.8控)匹土釘任錢一截面雄處的位來移等于僑土釘?shù)牟蛣傮w位艇移與土病釘拉伸輕變性之訊和，則挺斷面處襪土釘?shù)膯】偽灰瓢螢闊熒扉啈浾?查3.9針)容式中獄為土釘慨?dāng)嗝嫣幣R土釘?shù)挠芾熳冏餍瘟?，鑼為土釘芒剛體位售移。由事于土釘臥自由端邀不受拉鐮力作用聲，因此圈自由端倍的拉伸泛變形量若為零，死其位移辛即為土判釘剛體誼位移。丑上式對孫求一階珍導(dǎo)數(shù)得錫恭恭蛋叮茫腰免仇(3.目10)信將汗(猾3.8裁)鉗式代入狀上式得畢臺境勾秩班前密(3培.11怎)惑上式對霸再求一綢階導(dǎo)數(shù)鼻得羞瞞恨渴垮感殲纖千祝(暢3.1毅2)檢方程（改3.1撞2癢）可以刊寫成下樂面的形怕式固當(dāng)糟時(shí)；殘句戴叫椅(3例.13嬸)允當(dāng)愿時(shí)；聚敞蓮蹲朱(驢3.1握4)勻方程（漿3.1趟3倍）的通替解為途諷爸緩影婦弊捉址(3.魂15)駱方程免(并3.1性4)連的通解功為弱劣閉俯擊靠肢帝襪食員(3旋.16嘉)色上式中潑，齡表示土裹釘對土者體的相地對剛度惜，其量描剛為長問度。蓮鋼管抗潮拔試驗(yàn)僚【尼53再】嘩和加筋沸土的抗絲拔試驗(yàn)斬【男5虹】泛表明，聲在土體鐵未發(fā)生惡剪切坡記壞前（掩受拉桿帽件為發(fā)作生均勻控移動前拐），拉跑拔端的仍位移最蚊大；位歉移由抗躁拔端向鳳自由端景逐漸減抬小到零各。由于重鋼管常茶在工程盯中被用欲作打入瓦式土釘墓或注漿卷式土釘島的拉筋嚼，因此壩，文獻(xiàn)是53庸中的抗歲拔試驗(yàn)鬧等同于別土釘?shù)陌卓拱卧囋序?yàn)。因擔(dān)此當(dāng)撕時(shí)，勺，土釘患的位移野最大。攪在土釘恭被拔出搬的過程積中，土痛釘各點(diǎn)取處的位膚移相同芝，即土救釘發(fā)生鋸均勻移塌動，開促始發(fā)生烘抗拔破貓壞，不爬會存在或的情況籮。因此前應(yīng)該只動考慮忽時(shí)土釘脈的受力少及變形役情況。遷將方程絲(余3.1吊6)域代入到濟(jì)方程技(者3.8構(gòu))臣中得棚學(xué)齒易(3.遞17)軟只要確安定了系均數(shù)龍,陪，測得猴剪切變礙形系數(shù)載，就可脹以計(jì)算扶出位移猴、軸力足、剪力餐沿土釘霉的軸向信分布規(guī)承律。狀,究根據(jù)下逐面的邊尋界條件瞎確定。遙1)痛厭當(dāng)討時(shí)，事,紹代入到姓(蟲3.1破7)漫式得績省患德轉(zhuǎn)乳脂竹菜漿度歉類航(匙3.1躁8)蚊2)衛(wèi)幫當(dāng)把時(shí)，厭,悶代入到默(取3.1別7)桶式得曲舒京史褲(3樓.19挖)驚上面兩證個(gè)邊界叉條件還舉不能確項(xiàng)定企的值，辟還需一夕個(gè)條件蹄。當(dāng)土降釘某個(gè)省斷面的請位移（去或軸力溜）已知歉時(shí)，則夫根據(jù)位頂移表達(dá)涂式（或霸軸力表僻達(dá)式）鑼，并結(jié)鉗合戲(絡(luò)3.1更8)丙、登(揪3.1術(shù)9)茅兩式便脈可以確宅定出系蟻數(shù)賴的值。賊考慮到攝工程中喉經(jīng)常測鼓量土釘畜拉拔端陷處的釘蹤頭位移奏，在此愛僅對該唇情況進(jìn)膝行分析繪，對于示土釘某斧點(diǎn)處的長位移或勁軸力已膀測得的僅情況，續(xù)其分析食方法是童相似的暢。豐假設(shè)土服釘釘頭炕處的位拌移實(shí)測蹦值為洗，將妥時(shí)，麗代入方頓程洗(捎3.1犬6)躺得咐由償答喇瞇模落澆糠陪警(3.娃20)構(gòu)令東,牧由方程課(棕2.2腳.18扛)姐、精(遭2.2搞.19疊)憲、梢(狼2.2球.20賴)孔解得柏3瞞.4手工程實(shí)扒例分析皂北京方鐵莊住宅怎小區(qū)芳諒城園逝1盤號樓工驚程基坑毯深爛11.陸2-1控2.0闖m關(guān)，采用飄土釘支晌護(hù)，為法了了解介土釘?shù)臐彻ぷ餍晕改?，?shí)售測土釘松的抗拔困力而做蹲了四組鏈土釘抗輸拔試驗(yàn)噸?，F(xiàn)對尺編號為高01自的土釘品試驗(yàn)進(jìn)蒸行分析腦。該土呼釘處于鼓粉質(zhì)粘炕土層中莊，試驗(yàn)豆結(jié)果見帶表摸3-1找，試驗(yàn)全的拉力兇-質(zhì)位移曲殲線見圖千3.3甚-a復(fù)中的折誓線。番表雄3-1勇:巡01晚土釘抗笨拔試驗(yàn)急記錄表吵土層類搜別鍵土釘資膊料秋注漿資親料邊檢驗(yàn)荷橫載迎(綠kN)項(xiàng)油壓表核讀數(shù)曲(裙MPa殲)秧釘頭位仁移讀數(shù)憑(儲mm)游位移增歇量倚(眼mm)司水泥漿廣，水啦48內(nèi)10食15倚φ抓28碰鋼筋，勒與水泥案之比辭99漂20導(dǎo)18罷3牢粉質(zhì)粘顫土切長度此6m藏，旅為堆0.4偵5:1釋，動123岔25聲20扯2乘傾角嚇10胸°挺泵壓注鳥漿巧138臟28榴23裁3筒168查34拴25足2擠根據(jù)試唱驗(yàn)結(jié)果過，采用園下面的觀算式近恭似確定串剪切變攜形系數(shù)懇上式中林為試驗(yàn)愁加載次具數(shù)，橫，怠分別為騾相鄰兩冰次荷載誼增量與草釘頭位挽移增量普值，法為土釘她的傾角盜。閘圖巴3.3炭中的各啊條曲線旗是根據(jù)冊上面推葡導(dǎo)的公筆式所計(jì)鋼算的最墊后一次揭抗拔加與載的結(jié)臘果，計(jì)繳算中選腫取的參環(huán)數(shù)見表好3-2尿根據(jù)計(jì)偵算結(jié)果是所繪制水的曲線壞圖可以駁看得出我，軸力哄隨土釘少位移的你增大而采增大，不理論曲騙線與軸喚力等于粥拉拔荷離載時(shí)的師實(shí)測曲績線基本編吻合垮(倚圖湊3.3描-a)床，剪應(yīng)潑力紗-家位移曲勸線、剪躲應(yīng)力純-應(yīng)軸向坐桶標(biāo)曲線岸、位移棍-北軸向坐炕標(biāo)曲線哪呈線性籍遞增關(guān)魯系變化烘。這是晨由于采泉用了圖睛3.1銅中的剪寺應(yīng)力麥-礎(chǔ)位移關(guān)絹系的線招性簡化第模型。長所有這初些曲線靈的變化槐規(guī)律和轟前面所的分析的葛土釘抗影拔荷載中傳遞機(jī)見理規(guī)律蝴是一致墨的。所蹄有這些群曲線關(guān)蹄系很好俊地說明楊了抗拔政作用下辛釘土系旬統(tǒng)荷載明的傳遞妄過程，戶即：土嗎釘?shù)奈魂懸坪洼S膝向拉力議向內(nèi)土柳釘自由楊端方向擠遞減，態(tài)土釘周倘側(cè)的摩豐擦阻力槐向內(nèi)逐址步被調(diào)告動起來好。從圖致3.3卻-e易可以看挽出，土窩釘自由次端處的錫位移量遇不為零巾，說明殃土釘開辯始被拔肌出，該果點(diǎn)的位海移即為熄土釘?shù)淖R剛體位頃移。從莫圖中的釘曲線可晝以看出侮，在土欄釘被拔捆出前，廊土釘位旺移量的喊大小對址于土釘歌軸力及謎剪力的熟分布起撓著決定簡作用，曲因此土勤釘支護(hù)傻設(shè)計(jì)中征應(yīng)采用壺荷載傳姿遞函數(shù)漆來確定春土釘?shù)馁V極限平烘均抗拔綿力。即恒根據(jù)軸裙力與位等移關(guān)系比來確定宵土釘?shù)陌榭拱瘟?cè)，這樣瞧才能與阻實(shí)際相包符。細(xì)目前土努體剪切鎖變形系僑數(shù)最常匆用的方叔法是根鋤據(jù)實(shí)測宗的剪應(yīng)島力也-玩位移曲林線，按瘦照最小眨誤差條勇件來確謝定搞【示53踐】身，在缺矮少試驗(yàn)劃資料的比前提下窗,量剪切變冶形系數(shù)也可按照近表童3-3餡確定已【蚊53皇】絞。沸表漸3-2困滴計(jì)算參憶數(shù)表燙土釘長神度慚(蠟m)群土釘傾果角奏(蔬)迷鉆孔直倒徑麻(周m)鍵鋼筋直賭徑其(里m)根鋼筋模殘量海(冶MPa搭)城混凝土唇模量鳳(眨MPa速)珠拉拔荷睛載護(hù)(掘kN)首釘頭位貴移惠(救m)斑剪切變廉形系數(shù)績(第kPa言/m)凱6卵10及0.1董3坊0.0傾28圖210效20羊168腫25妨255索0程值得注采意的是磁，該表老中的數(shù)刻據(jù)是根瞞據(jù)表面淘光滑的靠鋼管抗援拔試驗(yàn)陜結(jié)果統(tǒng)唉計(jì)得出拜的，對劉于打入盡式土釘鞋有很大愉的參考筋價(jià)值。饞但對于徑注漿土廚釘則不裁太適用汁。因?yàn)獒炞{土毀釘?shù)膫?cè)贊面比鋼比管側(cè)面墊粗糙得押多，因晝此土體拉顆粒與童漿體之躍間出現(xiàn)欲嵌鎖現(xiàn)岡象，由該于嵌鎖燈作用，袍土體與柳土釘間治產(chǎn)生高柄摩阻力魔，提高沒了剪切行變形系脆數(shù)；土