土钉墙的变形及土钉内力特征分析(2)

　　土钉与土体组成的复合体在基坑开挖和加载的过程中，二者共同位移，但是土钉和土体之间也会发生相对位移，图 4 为第一、三、五排土钉与土体的相对水平位移分布图。从图中可以看出，沿土钉长度方向，土钉与土体的相对位移是变化的，其规律可以分为两段： 土钉的前半部分，土钉相对于土体向背离基坑的方向移动，说明在土钉的前半部分会制约土体的位移，该部分土钉对土体起到加筋加固的作用； 土钉的后半部分，土钉相对于土体的位移为向着基坑方向，说明土钉是从土体中拔出的，该部分土钉对滑动体起到锚固的作用。随着基坑的开挖和堆载，土钉末端拔出量逐步增加。在基坑开挖的过程中，基坑上部的土钉的末端与土体的相对位移远大于土钉前半部分与土体的相对位移，但是对于基坑下部的土钉，末端与土体的相对位移与土钉前半部分与土体的相对位移大致相当，说明在基坑开挖的过程中，上部土钉的作用已逐渐发挥，而下部土钉的作用尚未充分发挥。但是在加载的过程中，尤其是最后几步加载时，各排土钉末端与土体的相对位移急剧增大，且远大于土钉前半部分与土体的相对位移，说明各排土钉都在充分发挥作用。
　　
　　3 土钉内力

　　3. 1 土钉轴力

　　图 5 为足尺实验实测的第一、三、五排土钉开挖、加载过程中的土钉轴力分布图。从图中可以看出，随着基坑的开挖和加载，土钉的轴力逐步增加； 基坑中部的土钉轴力值最大，上部次之，下部最小； 土钉轴力沿土钉的分布形态随着土方的开挖会发生一定的变化[2-3],在土方开挖的过程中，新施工的土钉的最大轴力作用点往往靠近土钉头部，随着土方的开挖及加载，基坑上部的土钉和基坑下部的土钉的轴力分布形态是有差别的，差别如下： ①随着土方的开挖，基坑上部的几排土钉的最大轴力作用点迅速向土钉中部某一位置转移，并稳定在该位置，土钉轴力沿土钉长度呈现中间大、两端小的形态，在基坑加载的过程中，土钉轴力的数值逐渐增大，但中间大、两端小的形态几乎不变。土钉最大轴力作用点的位置基本稳定，略向前转移。②基坑下部的土钉，在基坑开挖和加载过程中，其轴力分布形态始终为土钉头部大，向尾部逐渐递减，近似呈三角形布置，最大轴力作用点在土钉头部，几乎不发生转移。
　　
　　3. 2 土钉摩阻力

　　土钉之所以会受力，是因为土钉与土体发生相对位移或产生相对位移趋势，土钉与土体之间产生摩阻力，土钉与土体之间的摩阻力没有办法直接测量，但是可以通过土钉轴力反算土钉与土体之间的摩阻力分布。图 6 为第一、三、五排土钉开挖、加载过程中的土钉摩阻力分布图，从图中可以看出，随着土方的开挖及加载，基坑上部的土钉和基坑下部的土钉的轴力分布形态是有差别的，其摩阻力的分布形态也是有差异的：

　　（ 1） 从基坑上部土钉的摩阻力分布图可以看出：①基坑上部的几排土钉的摩阻力分为正摩阻和负摩阻两个区，摩阻力为零的点即为土钉最大轴力作用点，最大轴力作用点两侧土钉的摩阻力的方向相反，指向背离最大轴力作用点； ②主动区摩阻力近似呈抛物线分布，基坑开挖过程中，被动区前段摩阻力呈线性增长，土钉末端摩阻力最大且增长较快，随着荷载的施加逐步增大，被动区中后部摩阻力呈近似直线分布； ③主动区、被动区摩阻力的最大值大致相当。

　　（ 2） 基坑下部的土钉，在基坑开挖和加载过程中，未出现负摩阻，随着基坑的开挖及加载，摩阻力逐步增大。

　　土钉的摩阻力是土钉与土体发生相对位移或相对位移趋势而产生的，因此，图 6 所示的土钉摩阻力的特征和图 4 所示的土钉与土体的相对位移规律基本一致。基坑开挖前，土体处于平衡状态，基坑开挖后，坡后土体的侧向约束减小、水平向应力减小，导致土体剪应力增加，甚至发生破坏。设置土钉以后，在主动区范围内，土钉与土体之间产生的摩阻力，相当于土钉对周围土体施加了水平向的压力，使得土体的应力状态向着远离破坏的状态转移，改善了主动区土体的应力状态，因此，设置土钉可以对土体产生加固的作用。但是土钉后部（ 尤其是土钉末端） 的正摩阻力使土体的剪应力水平增加，因此，设置土钉后，滑动面向复合土体的后部转移，增大了滑动面的半径，提高了边坡的稳定性。

　　4 结论

　　本文通过模拟实际施工过程的土钉墙足尺实验，对土钉内力以及土体变形随基坑开挖的变化规律进行研究，得到以下结论：

　　（ 1） 随着基坑的开挖，基坑顶部水平位移及基坑后部土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，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。

　　（ 2） 随着土方的开挖，基坑上部的几排土钉的最大轴力作用点迅速向土钉中部某一位置转移，土钉轴力沿土钉长度呈现中间大、两端小的形态。基坑下部的土钉，其轴力分布形态为土钉头部大，向尾部逐渐递减。

　　（ 3） 在基坑开挖过程中，土钉与土体之间发生相对位移，从而产生摩阻力，土钉最大轴力作用点两侧土钉的摩阻力方向相反。主动区摩阻力近似呈抛物线分布，被动区前段摩阻力呈线性增长，土钉末端摩阻力最大且增长较快，随着荷载的施加逐步增大，被动区中后部摩阻力呈近似直线分布。

　　参 考 文 献
　　
　　[1] 王曙光，滕延京，等。 土钉墙破坏机理研究[R]. 北京：中国建筑科学研究院地基基础研究所，2014
　　[2] 杨光华。 深基坑支护结构的实用计算方法及其应用[M]. 北京： 地质出版社，2004
　　[3] 王曙光，段启伟，李钦锐。 基于增量法的土钉墙支护设计方法研究[J]. 岩土工程学报，2010,32（ 增刊 2） :327-330（ Wang Shuguang,Duan Qiwei,Li Qinrui. Designof soil nail wall based on incremental calculation method[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2010,32（ Supp. 2） : 327-330（ in Chinese） ）