土钉墙的变形及土钉内力特征分析,建筑工程论文

　　引言

　　土钉支护是土体加筋技术的一种，其发展始于 20世纪 70 年代，80 年代引入我国，90 年代逐渐应用于基坑支护工程。它具有成本低、速度快、设备简单、对场地土层的适应性强、易于推广等特点，因此得到了越来越广泛的应用，积累了丰富的经验，并取得了良好的经济效益和社会效益，以至于成为了一些土质较好地区深度不大的基坑的主要支护形式。目前，土钉的应用范围越来越广，应用土钉的基坑越来越深，土钉与其他支护形式联合使用越来越多。

　　相对于土钉墙的广泛应用而言，对土钉墙的理论研究相对滞后，尤其是对其破坏机理的研究还很不充分，土钉墙的破坏机理及破坏形态尚不清楚，尤其是基坑超过一定深度后普通土钉墙变形较大，坡体出现裂缝后变形发展及滑动面转移较快，且有些不适合用土钉墙的基坑工程也在盲目使用土钉墙，导致目前土钉墙的事故率较高，造成大量的经济损失和人身伤亡。

　　以往对土钉墙的研究大多采用模型试验或工程现场实测，缺少大规模的足尺实验研究。工程现场测试研究只能反映土钉墙工作状态的各种参数，无法做破坏性实验，实验室的模型实验又受到实验模型的尺寸等方面的影响，与实际工程存在一定的差距，现场足尺实验很少见到。中国建筑科学研究院地基基础研究所完成了模拟实际施工过程的土钉墙足尺实验[1],对土钉墙的土钉轴力、位移等进行了实测，并进行了堆载试验。通过对足尺实验的现场实测，对土钉内力随基坑开挖的变化规律以及土钉墙后土体变形随基坑开挖的变化规律进行了研究。本文介绍了足尺实验的土钉墙变形及土钉内力，并通过数值分析进一步对土钉墙的变形及土钉内力特征进行了研究。

1 足尺实验

足尺实验在地基所的顺义基地进行。场地内的土层，按地层岩性及工程特性划分为 8 个大层，自上而下分别为：人工堆积层： ①层杂填土；第四纪沉积层：②层砂质粉土，③层粉质黏土，④层粉砂层，⑤层细砂层，⑥层卵石层，⑦层粉质黏土，⑧层卵石层。土性指标见表 1,表中带* 的值为经验值。【1】

　　
　　试验基坑长约 34m,宽约 20m,深度为 10m,基底位于细砂⑤底部和卵石⑥顶部。支护结构采用土钉墙，土钉墙坡度为 1∶ 0. 2,设置 6 排土钉，土钉长度分别为 12m、9m、9m、9m、6m、4. 5m,土钉采用梅花形布置，垂直间距和水平间距皆为 1. 5m,土钉采用人工洛阳铲成孔，孔径 110mm,土钉倾角 10°，注浆采用水灰比为 0. 5 的水泥净浆，水泥采用 P. S. A32. 5 水泥，面层厚度 80mm,采用 C20 的喷射混凝土，面层配筋采用钢筋网片和纵横两个方向的加强筋，钢筋网片采用6. 5@ 200 ×200mm,加强钢筋采用 16@ 1500.

　　本次试验的测试内容主要是变形测试和钢筋内力测试。变形测试主要是在土钉墙返坡设置变形观测点，实测基坑的坑顶水平位移。钢筋内力测试采用钢筋测力计来测试，本次试验采用两种钢筋测力计，量程分别为 150kN 和 100kN,其中量程为 150kN 的钢筋测力计用于 9m 和 12m 的土钉，量程为 100kN 的钢筋测力计用于 4. 5m 和 6m 的土钉。支护剖面及土钉钢筋计布置见图 1.

　　本次实验严格模拟土钉墙的施工过程进行挖土、土钉墙施工以及面层喷射混凝土施工，并进行各项测试，然后采用地面堆载的方式考察土钉墙位移较大时的性状。加载的方式为堆土，堆土范围为从坡顶 1m处向后延伸约 15m,每级堆土的高度约为 1m,每级堆载约 15kPa,每级堆载位移观测稳定后再进行下一级堆载。综合国内外的工程实测资料确定，本次实验中，当基坑水平位移大于 5cm、水平位移速率达到5mm / 天时终止加载。
　　
　　2 土钉墙的变形特征
　　
　　本次实验中基坑顶部水平位移随不同工况的变化曲线见图 2 所示。随着基坑的开挖，基坑顶部水平位移逐步增大，基坑开挖到底时，测试点 1 的基坑顶部水平位移为 19mm,测试点 2 的基坑顶部水平位移为20mm.在最后两级加载的作用下，基坑顶部水平位移增长较快，第七步加载后，测试点 1 的基坑顶部水平位移为 52mm,测试点 2 的基坑顶部水平位移为 49mm,第七步加载后的位移速率达到 5mm/天，达到本实验终止加载的标准。对测试剖面的实验过程采用 Plaxis软件进行数值分析，由图 2 可见计算值与实测值的变化趋势是一致的，且变形量吻合较好。从数值分析可以看出，基坑开挖产生的坡体水平位移的主要影响范围约为 1 倍基坑深度。在基坑开挖、加载过程中，基坑后部的坡体的水平位移逐步增大。基坑开挖过程中水平位移最大点位于基坑面层的顶部，水平位移等值线过坡底，向坡顶后方发散，土钉墙坡体的水平位移近似为绕坡底向基坑方向的转动。在基坑加载的过程中，基坑最大水平位移点沿着坡面向下转移。随着与基坑上口的距离的增大，地表的水平位移减小，基坑开挖引起的水平位移的影响深度降低。基坑开挖和堆载过程中，土体的沉降分布有差异，基坑开挖过程中，土体的沉降分布与影响范围与水平位移分布和影响范围大致相当，最大沉降值与最大水平位移值大致相当，但在加载的过程中土体的最大沉降发生在堆载区域，且最大沉降量大于最大水平位移。

　　图 3 为第一、三、五排土钉水平位移分布图。从图中可以看出，土钉的变形与土体的变形规律是一致的，各排土钉最大水平位移位置几乎都在开挖面处。

　　随着基坑的开挖，各排土钉的最大水平位移逐渐增大。基坑上部的土钉在主动区内的长度较长，主动区内的土钉水平位移变化较小，被动区内的土钉水平位移线性衰减，土钉末端仍有水平位移且随开挖和加载逐步增大，说明土钉有被拔出的趋势，以第一排土钉为例，基坑开挖到底时土钉头部的水平位移约为10. 9mm,土钉末端的水平位移约为 5. 6mm.相对于基坑上部的土钉而言，基坑下部的土钉前部的水平位移衰减较快，土钉末端的水平位移较小，相对于上部的土钉而言，仍可继续发挥作用。在基坑加载的过程中，尤其是最后几步加载时，各排土钉的整体水平位移持续增大，第七步加载时，土钉头部的水平位移约为34. 8mm,土钉末端的水平位移约为 25. 4mm.