微型钢管桩复合土钉墙支护的模型研究.doc

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1、 密级： NANCHANG UNIVERSITY 学 士 学 位 论 文THESIS OF BACHELOR（20102014年） 题 目 微型钢管桩复合土钉墙支护的模型研究 学 院： 建筑工程学院 系 土木系 专业班级： 工程管理 101 班 学生姓名： 王 敏 学号： 6002310045 指导教师： 贾 璐 职称： 讲师 起讫日期： 2014.2.242014.5.16 目录- I -目录目 录摘 要1Abstract2第一章 绪论31.1研究背景31.2 微型钢管桩复合土钉墙支护机理及研究现状41.2.1复合土钉墙支护概述41.2.2 微型钢管桩复合土钉墙支护概述及支护机理51.2.3

2、 微型钢管桩复合土钉墙支护研究现状71.3 本课题主要研究内容和研究方法11第二章 基本理论122.1钢管桩复合土钉墙支护理论基础122.2 理论突破：对既有规范的分析182.3本章小结20第三章 室内模型试验的设计213.1 试验设计213.2 设计原理223.3模型箱的构造223.4 模拟的材料选取243.5 模型测试系统及测点布置273.6本章小结29第四章 室内模型试验（一）304.1砂土条件下微型钢管桩复合土钉墙支护不堆载试验304.1.1试验实施前的准备工作304.1.2钢管桩的施工314.1.3桩顶连梁的施工324.1.4土钉的施工324.1.5面层的施工334.2 砂土条件下微

3、型钢管桩复合土钉墙支护不堆载试验数据分析354.2.1 土压力分析364.2.2 钢管桩弯矩分析374.2.3 土钉轴力分析394.2.4 支护面位移分析424.2.5 深层土体分析434.3本章小结44第五章 室内模型试验（二）455.1 砂土条件下只有土钉支护不加载试验455.1.1试验过程455.1.2试验注意事项465.2砂土条件下只有土钉支护不加载试验数据分析475.2.1土钉轴力分析485.2.2面层位移分析505.3本章小结51第六章 总结与展望526.1结论526.2展望52致谢53参考文献54- II -摘要摘 要传统的土钉墙支护凭借其施工简单、材料用量少、施工速度快以及结构

4、轻巧灵活和造价低等诸多优点，在国内建筑界得到了迅速的发展，但由于它自身应用条件的局限性，很多复杂的深基坑无法使用。为了既保证土钉墙支护的优点，又能使其的应用范围增大，在这样的一个环境下，复合土钉墙支护的概念被提出。微型钢管桩复合土钉墙支护是复合土钉墙支护的一种复合形式，它是由土钉、微型桩、混凝土面层及原位土体四个部分构成。目前国内对微型钢管桩复合土钉墙的设计还不够成熟，缺乏有关的规范和标准，特别是对微型钢管桩复合土钉墙受力机理了解甚少，设计缺乏理论依据，不能充分了解和运用微型钢管桩的作用。本文在基于已完工的南昌天御国际酒店的深基坑基础工程上，设计了一套室内缩尺模型对钢管桩复合土钉墙支护技术进行

5、模型测试研究，分别对钢管桩、土钉、土压力等构件设置了一系列的监测点，利用静态多功能测试系统采集数据进行处理分析。本文的研究成果可以总结为设计和制作了一套复合土钉墙支护体系的室内缩尺模型，通过还原工程实际的开挖过程，采集支护体系中相关构件的变化数据，进行研究分析。其次对类似土质情况下微型钢管桩复合土钉墙支护设计及施工提供依据和优化建议。关键词：微型钢管桩；复合土钉墙；缩尺模型；- 1 -AbstractThe Model Study of Supporting System by Composite Soil Nailing Wall With Mini-sized Steel Tube Pil

6、esAbstractTraditional soil-nailing wall developed rapidly in Chinese civil engineering sphere due to its simple construction which is also fast, low amount of material and financial investment as well as weighing light, but on the other hand, its unavailable in projects with a deep foundation pit be

7、cause of its capability. So, in order to widen the applicability of soil-nailing wall while retain its advantages, a kind of structure named as composite soil-nailing wall was proposed. Micro-steel tube piles composite soil-nailing wall support, which is referred hereinafter, is composite form of so

8、il-nailing wall support combined with soil-nails,micro-steel tubes,concrete surface and the soil itself.At present the study to the Composite Soil Nailing Wall With Mini-sized Steel Tube Piles is not mature enough at home, lacking of the relevant norms and standards, especially the stressed mechanis

9、m is poorly understood. Because of the lack of theoretical basis, we cant fully understand and utilize the role of the Mini-sized Steel Tube Piles. In this article, a scale model indoor is constructed for model test based on the completed foundation engineering of Nanchang Tianyu National Hotel, in

10、the test, a series of monitoring points was set on the steel tubes, the soil nails and inside the soil to get data for analyzing with static multi-functional test system. The results of this research can be summarized as follows: I have designed and produced a scale model of indoor about composite s

11、oil nailing wall system, by reversing the actual excavation process and collecting the changing dates from dependent artifacts of support system ,I can research and analysis.And we can provide basis and optimization suggestions for similar situations of soil. Key Words: mini-sized steel tube piles;

12、composite soil nailing wall; scale model; - 2 -第一章 绪论第一章 绪论1.1研究背景 土钉墙支护技术是在原位土体中植入排列较密的细长杆件，如钢筋、钢管等，并辅以压力注浆、钢筋网喷射混凝土面层，从而使整体结构的力学性能得以改善，提高边坡稳定性的支挡技术。传统的土钉墙支护凭借施工简单、材料用量少、施工速度快以及结构轻巧灵活和造价低等诸多优点，在国内建筑界得到了迅速的发展。但随着基坑深度的加大和地质条件的多样性，传统的土钉墙支护在土质情况不好或者是地下水丰富的情况下，土钉的抗拔力很低，这样就失去了其在支护过程中的效应。为了满足各类深基坑的支护需求，又要

13、结合土钉墙的施工快、经济效益好等优点，同济大学提出了复合土钉墙联合支护技术1 。复合土钉墙联合支护是指利用土钉墙与水泥土桩、超前微桩、锚杆、型钢、钢筋等构成的组合支护结构，常见的复合土钉墙的主要形式有预应力锚杆复合土钉墙、超前微型桩复合土钉墙、止水帷幕复合土钉墙等。复合土钉墙支护具有安全性高、施工效率高等优点，而且对特定的土质条件也能适用，现已在深基坑支护工程中得到了广泛应用。尽管复合土钉墙凭借其良好的适用性和经济效益已成功的完成了很多深基坑的支护工程实例2，但目前国内对微型钢管桩复合土钉墙的设计还不够成熟，缺乏有关的规范和标准，特别是对微型钢管桩复合土钉墙受力机理了解甚少，设计缺乏理论依据，

14、工程设计中通常当土钉墙设计，从而大大地限制了微型钢管桩复合土钉墙的应用。而且往往土钉间距，微型桩间距都比较密集。在一定程度上造成了很大的经济浪费，为此对微型钢管桩超前支护复合土钉墙进行作用机理理论研究，研究钢管桩变形、基坑位移变形、土钉的受力有着非常重要的意义。 本文主要结合在江西南昌地区已经成功实施的工程实例，对复合土钉墙中的微型钢管桩复合土钉联合支护进行研究分析。制作了比例缩放的室内模型进行实验数据采集比对，研究各支护构件的受力机理，探讨其对基坑稳定性的影响效应，对进一步的理论研究提供依据，指导现行的施工方案的优化，具有十分重要的意义。1.2 微型钢管桩复合土钉墙支护机理及研究现状1.2.

15、1复合土钉墙支护概述复合土钉墙支护主要是以土钉为受力构件，土钉、面层、被加固的原位土体与预应力锚杆、止水帷幕、微型桩中的一类或几类结合而成的基坑复合支护形式。比较常见的复合土钉墙有下面三种形式3：1、预应力锚杆复合土钉墙：这种联合支护形式比较适合无地下水或经过人工降水，基坑较深或者周边环境对基坑变形限制较严格的基坑。它通过对锚杆施加预应力，然后利用杆体对土体的主动应力在限制基坑侧壁的位移。构造如右图a所示。2、止水帷幕复合土钉墙：这种联合支护形式比较适合有地下水，基坑较深且基坑变形限制较严格的基坑，对较差的土质条件也能适用。它能通过止水帷幕有效的阻止基坑开挖后地下水的渗入，增强了土体的自立性，

16、也能有效的控制坑底的隆起。构造如下图b所示。3、微型桩复合土钉墙：这种联合支护形式比较适合土质松散，基坑较深且无地下水的基坑，微型桩不能达到防止地下水渗入基坑的效果。构造如下图c所示4 。复合土钉墙除了以上三种常见的联合形式外，还有以上形式的多种联合应用，如预应力锚杆+微型桩复合土钉墙、预应力锚杆+止水帷幕复合土钉墙等。1.2.2 微型钢管桩复合土钉墙支护概述及支护机理微型桩复合土钉墙支护体系是由土钉、微型桩、混凝土面层及原位土体四个部分构成的。微型桩是一种通过钻机成孔后再进行加筋压力灌浆而形成的桩，直径一般在300mm以内5 。本文所将要探讨的微型钢管桩复合土钉墙支护就属于微型桩复合土钉墙联

17、合支护体系的一种。微型钢管桩复合土钉墙支护包含了微型钢管桩的施工、工作面开挖、土钉的施工、混凝土面层的施工四个步骤。施工流程图如下图1-1所示。图1-1 微型钢管桩复合土钉墙支护施工流程图1、微型钢管桩施工及作用钢管桩的施工是由定位、成孔、安放和注浆四个过程组成。在定位时，要保证钢管桩的垂直度偏差在1%内，桩位的偏差控制在50mm以内。在安放钢管桩时，要将钢管尽量放置在孔洞中心部位。一般都采用的是钢花管，保证在压力注浆时能让水泥浆液流出。微型钢管桩的超前预支护，由于水泥浆液的渗入改善了开挖面附近一定范围内土体的强度，增强了土体的自立性，从而减小了开挖过程中边坡的变形。同时，因为钢管桩的刚度大于

18、土体的刚度，本身也承担了部分土侧压力，故而减小了变形保证了基坑的稳定性。由于钢管桩的插入深度需要超过基坑底部一定深度，一般最少要在2m以上，这样对坑底的隆起、管涌和渗流等问题提供了很好的帮助6 。2、工作面开挖微型钢管桩复合土钉墙支护的工作面开挖是由上至下、分层分段开挖，这点与传统土钉墙支护的开挖是一致的。每层的开挖深度与土体的自立性以及设计方案中土钉的竖向间距有关，但一般都不宜超过2m。为了保证基坑坡面的稳定性，必须要在开挖层的土钉施工完成及混凝土面层初凝以后才能开始下一层工作面的开挖。在采用机械开挖时，为避免对超前微桩造成破坏，开挖面要与微型桩之间保持一定距离，然后再采用人工清理剩余土方至

19、设计坡面7。在开挖工作面时，一定要逐层开挖、严禁超挖，很多基坑坍塌事故都是由于超挖而造成的。3、土钉的施工及作用土钉的施工步骤与钢管桩的类似，也是由定位、成孔、放置土钉和注浆四个过程组成。利用仪器对土钉钻孔位置定位完毕后，一般用短钢筋或木棍插入标记位置。在成孔以后，放置土钉之前要对孔洞进行清理，避免孔内杂物影响土钉质量。在钉体上应焊接定位支架或倒刺，保证土钉居于孔洞中间以及浆液的顺利渗出。注浆时要在孔口放置止浆塞，由于浆液会渗入土层，故一般都采用二次或三次压力注浆8。对于土钉也和微型钢管桩一样，采用了高压注浆，水泥浆液渗入了土层，一方面改善了原位土体的强度，另一方面也增加了土钉与土体的摩阻力。

20、目前看来，在联合支护体系中，土钉被认为主要承受拉力，而剪力与弯矩的作用较小而受到忽略，主要作用仍然是应力传递和应力扩散，将土钉与土体之间的摩阻力分散开并传递到周围稳定土体中去9。4、混凝土面层施工及作用为了防止开挖面土体长时间的暴露而失水过多和土体的徐变，在土钉施工完成以后应尽快挂置钢筋网并喷射混凝土面层。为了保证混凝土面层与土钉及土体的整体性，钢筋网的节点及钢筋网与土钉、加强筋的节点必须采用焊接连接。在喷射混凝土前，对坡面进行清理并检查控制混凝土厚度的标志，避免杂物影响面层与土体的粘结。混凝土面层与土钉及基坑边坡土体的有效粘结，增强了土钉之间的相互联动性，也提高了开挖面表层的强度及稳定性，使

21、土体、土钉、面层形成了一个有机整体。混凝土面层的作用机理在国内外都研究较少，设计通常都采用经验方法和构造要求10。1.2.3 微型钢管桩复合土钉墙支护研究现状微型钢管桩复合土钉墙作为一种新型的基坑支护技术，已经得到了比较广泛的应用，然而与此同时，还存在一些问题有待进一步的研究和探索，突出表现在以下几个方面： 1、缺乏大规模的试验研究，对实际微型钢管桩复合土钉墙支护工程的全面准确的试验或测试资料更为有限。因此，对微型桩复合土钉墙支护形式的作用机理还十分模糊。2、理论研究不够深入。对土钉与土体、微型钢管桩与土体的的相互作用，以及土钉和微型钢管桩的受力机理研究还不是特别明确，对微型桩复合土钉墙支护结

22、构的各部分的内力、应力场、位移场的变化规律以及变形与稳定性的关系等问题仅有少量研究，还达不到应用于规范指导工程实践的程度。3、微型钢管桩复合土钉墙支护结构是一个空间三维问题，而现有理论和方法大多是基于平面问题来考虑的。对微型钢管桩最多也仅限于有限元分析，缺乏试验数据和工程实测数据加以分析验证，至于预应力土钉、冠梁、腰梁、面层的协调受力及作用机理的研究目前还是空白。 4、目前，还没有一种统一的关于微型钢管桩复合土钉墙支护的设计分析方法，实际工程的设计和施工主要是靠工程类比与经验。常用的方法是不考虑微型钢管桩的作用，只考虑土钉墙的支护作用，按照常规土钉墙支护的设计方法进行分析。下面就罗列了国内外学

23、者对微型钢管桩复合土钉墙支护的研究现状与成果。1、国内相关研究现状分析2004年杨茜、孙铁成、张明聚利用相似比为1:10的基坑模型分别进行了不同支护情况的三组试验，模拟了实际工程的开挖及支护的过程，观测不同支护情况的位移与地表沉降等变化并进行了对比分析，还利用ANSYS有限元软件进行了验证分析1112。2005年中国地质大学汪召对微型钢管桩复合土钉墙联合支护机理进行了简单的阐述，利用ANSYS有限元分析软件数值模拟并结合工程现场的实测数据分析比对，对联合支护体系的设计与施工给出了一定的优化建议13。2006年包永平、赵普彤等结合北京朝阳区某工程基坑支护方案及现场监测数据对微型桩复合土钉墙联合支

24、护技术在复杂工程环境的设计及施工方法的应用进行了探讨，提出了对周边建筑物的变形适应状态要加强研究14 。2007年中国地质大学夏华宗、吕建国等制作了一套微型钢管桩复合土钉支护的模型装置，对微型钢管桩复合土钉墙支护系统进行了1:8的相似比实物缩放模拟测试，采集并分析了这个支护系统中各构件的内力变化和位移变化规律15。2008年戴秀珍、林忠伟等对微型桩超前支护复合土钉墙的结构设计及内部稳定性的计算给予了理论推导和实例验证，将公式中的折减系数的取值给出了相应的经验值，对进一步的理论研究提供的依据166。2008年中国地质大学的曾祥福、赵勇分别对微型钢管桩复合土钉墙模型模拟降雨和混凝土面层的作用机理进

25、行了研究与分析，通过模型数据和FLAC数值模拟对复合土钉墙支护体系下各构件的变形及内力变化规律进行了阐述17。2010年河南工业大学的刘东升对微型桩复合土钉墙支护体系的受力机理进行了研究，利用MIDAS/GTS有限元软件进行了分析模拟，模拟了微型桩复合土钉墙支护与土钉墙支护两种情况下的基坑开挖和支护过程，并对其模拟结果进行了对比研究18。2011年潘星、周学良对微型桩与土钉墙联合支护的计算方法进行了研究，通过对联合作用机理和变形性状的总结分析，探讨了微型桩与复合土钉墙联合支护的主要受力和变形特征与地下连续墙支护的相似性。在此基础上，假定微型桩和土钉墙面层为刚度较大的复合面层，采用等效刚度法，按

26、地下连续墙的支护理论进行受力和变形计算19。2011年魏焕卫、孙剑平等在基于一定的实测数据和理论假定之上，提出了复合土钉墙的最终侧向变形量可按微型桩与土钉的水平刚度系数分配计算，并给出了复合土钉墙变形量的简化计算方法20。2012年付文光、杨志银对复合土钉墙支护的整体稳定性验进行了研究，通过对数百个实际工程的数据进行反算与验证，给出了一个稳定性验算公式与复合折减系数2122。2、国外相关研究现状分析从历史上看，最早利用“土钉”这种概念的重大工程实例可以上溯到一百多年前的泰晤士河隧道的施工开挖中。在20世纪60年代初期出现的隧道新奥法施工，将喷射混凝土技术和全长粘结注浆锚杆结合起来用于隧道围岩稳

27、定，使得开挖后的围岩很快趋于稳定，并减少了作用于支护结构上的荷载。后来，将新奥法施工的经验推广应用于基坑开挖支护与边坡稳定工程，发展成为了土钉支护技术。现代土钉技术的发展开始于70年代，许多国家几乎都在同一时期内各自独立提出，并进行研究和应用。土钉技术在许多方面与隧道修建的新奥法施工类似，可看作是新奥法概念的延伸。在法国，1972年开始应用土钉支护技术，在凡尔赛附近为拓宽一处铁路路基的边坡开挖工程中，在土体中置入钢筋并喷射混凝土面层作为临时支护。这是首例有记载的土钉支护工程。1974年在LesInvalides地铁车站工程中首次采用不注浆的钢管击入钉。随后，土钉支护技术很快在法国各地得到了广泛

28、地应用，施工技术也不断进步，土钉支护的高度也不断增加，有的达到了28米。在德国，土钉支护技术也得到了广泛应用。1979年在Smttart建造了第一个高14米的永久性的土钉支护边坡工程。1983年在慕尼黑地铁一处18米深的基坑开挖中，采用注浆帷幕阻隔地下水，并首次在土钉支护中使用钢纤维混凝土构筑面层。1992年调查，德国当时至少已建成500个土钉墙，所用土钉几乎全为注浆钉，采用二次劈裂注浆的也有不少，其中也有采用先击入而后注浆的方法，这种不需钻孔的特殊土钉带有扩大的端部。在美国，土钉支护技术最早应用于1974年，但有详细数据记载的最早土钉工程实例是1976在Oregon州波特兰市一所医院扩建工程

29、中的基坑开挖。另一项有名的土钉支护工程是匹兹堡PPG工业总部的深基坑工程，为保证紧邻建筑物的安全，首先对土层进行了注浆加固，并对土钉加固区的建筑基础用微型桩作了托换。在英国，土钉支护技术主要用于加固现有边坡和修复旧的挡土墙，并发展了土钉的施工机械。从80年代起对土钉支护技术进行了较多研究，涉及分析方法、程序开发、离心机试验，工程实测和研究钉土相互作用的大型抗剪试验等诸多方面。国外的计算方法很多，具有代表性的方法有如下几种：德国的Stocker-Gassler方法。该方法假定滑裂面为双直线并且通过挡墙的“墙趾”；土体的抗剪强度由摩尔库仑准则确定并假定在(潜在)滑裂面上达到极限状态，安全系数取1.

30、0：穿过滑裂面，一部分在稳定土体内的土钉对可能发生滑裂的土体起锚固作用。美国加州大学Davis分校沈智刚方法。CKShen等假定滑裂面为过坡角的抛物线；对土钉仅考虑抗拉作用，并假定士钉和土体都达到极限状态，这样土钉对滑移土体所提供的总抗力在滑裂面位置假定后可求出。法国的Schlosser方法。假定滑裂面为圆弧形考虑了几个破坏准则：土的剪切破坏、土钉的拔出破坏、土钉横向变形与土的相互作用、土钉的破坏。Juran机动极限分析方法。假定分为以下几个方面：(1)破坏由对数螺旋线滑裂面所确定的准刚性主动区旋转而发生：(2)滑裂面上的土体达到极限状态，土体的破坏仍用摩尔库仑则；(3)在刚塑性极限流动条件下

31、，准刚性主动区和抗力区由薄层土分开；(4)在滑裂面上土钉的拉力和剪力达到最大值，而土钉的最大弯矩在滑裂面处为0；(5)地表超载对土钉内力的影响从上至下线性衰减；(6)作用于土钉两边间隙力的水平分力相等。英国的Bridle方法。该方法考虑横向变形时对土的挤压；假定该挤压力P沿土钉长度按指数分布，然后又建立Q和弯矩M与P的微分关系可得出Q和M的表达式，再用端部条件确定各积分常数，从而给出P的计算公式。1.3 本课题主要研究内容和研究方法 微型钢管桩复合土钉墙联合支护体系自提出以来就因其广泛的适用性得到了迅速的推广，在国内各地区地下水较少的深基坑支护工程中普遍应用，具有施工速度快，安全性能高，经济效

32、益好等优点。尽管目前的联合支护工程施工工法已经发展较为完善，但其设计理论体系却远落后工程实践，故需要对设计理论及支护机理进一步的探寻。本文在阅读与研究前人的理论与实践经验的基础上，基于南昌已成功实施的南昌天御国际酒店的深基坑工程实例，通过理论阐述、室内模型试验和图形数据对比分析等方法23 ，对微型桩复合土钉墙联合支护体系的内力变化、位移变形及稳定性影响因素进行分析研究。本文主要做了以下几个方面的研究工作：1、简述了复合土钉墙支护和微型钢管桩复合土钉墙联合支护体系的研究现状与支护机理。2、设计室内模型模拟微型钢管桩复合土钉墙支护的试验测试。制作并模拟了基坑工程中实际开挖过程的室内模型箱体，对钢管

33、桩的弯矩值、土压力值、土钉内力、支护面变形、地表沉降和基底隆起量进行了监测并分析。3、对类似土质情况下微型钢管桩复合土钉墙支护设计及施工提供依据和优化建议。- 52 -第二章 基本理论第二章 基本理论2.1钢管桩复合土钉墙支护理论基础1、土钉：用来加固或同时锚固现场原位土体的细长杆件，通常采取土中钻孔置入变形钢筋即带肋钢筋，并沿孔全长注浆的方法做成。土钉依靠与土体之间的界面粘结力或摩擦力在土体发生变形的条件下被动受力，并主要承受拉力作用。土钉也可用钢管角钢等作为钉体采用直接击入的方法置入土中。2、复合土钉墙：以土钉为最主要受力构件，土钉、面层、被加固的土体与预应力锚杆、止水帷幕、微型桩中的一类

34、或几类结合而成的基坑复合支护形式。3、微型桩：沿基坑侧壁断续分布，用于控制基坑变形、提高基坑稳定性的各种竖向构件。微型桩包括直径100250mm的灌注桩（骨架可为钢筋笼、型钢、钢管等，胶结物可为混凝土、水泥砂浆、水泥净浆等）和各种材料及形式的预制构件，如小直径预制桩、木桩、型钢等。4、复合土钉墙应按照承载能力极限状态和正常使用极限状态两种极限状态进行设计。支护结构的构件强度、基坑整体稳定性、坑底抗隆起稳定性、基坑抗渗稳定性、锚杆的抗拔力等应按承载能力极限状态进行验算；支护结构的位移计算、基坑周边环境的变形应按正常使用极限状态进行验算。复合土钉墙用于对变形控制有严格要求的基坑支护时，应根据工程经

35、验、工程类比，结合数值理论分析进行变形预测分析。5、边坡稳定性分析的方法：整体圆弧滑动法、瑞典条分法、毕肖普法、Janbu法、Spencer方法、Morgenstern-Price方法、陈祖煜的通用条分法、不平衡推力传递法、Sarma法。6、土的抗剪强度： 土体对剪切变形的极限抵抗能力。土体强度问题的实质是抗剪强度；土体抗剪强度的大小决定了土体的承载能力。土体抗剪强度指标宜按三轴固结不排水剪或直剪固结快剪试验确定的指标选用，也可按地区经验选用。有地下水作用时，应考虑水位变化对抗剪强度指标的不利影响。7、库仑公式和莫尔库仑强度理论砂土：= tan 土的抗剪强度,kPa;剪切破坏面上的法向应力，k

36、Pa；tan土颗粒间的摩擦系数，土的内摩擦角粘性土： = tan+ 粘聚力，kPa，它是粘性土所固有，砂土值可看成是0。粘性土粘聚力的来源主要有电分子引力、粘土颗粒间的胶结作用等。8、土中某点的应力状态 设有一单元体，承受主应力和作用，如右图2-1。在与大主应力作用面成角的平面上，其法向应力为 ，切向应力为。若 、 和已知，求和。 图2-1极限平衡条件：9、挡土墙：为防止土体坍塌而修建的挡土结构。10、土压力：墙后土体对墙背的作用力称为土压力。根据墙、土间可能的位移方向的不同，土压力可以分为三种类型：（1）主动土压力：在土压力作用下，挡土墙发生离开土体方向的位移，墙后填土达到极限平衡状态，此时

37、墙背上的土压力称为主动土压力，记为 。（2）被动土压力：在外力作用下，挡土墙发生挤向土体方向的位移，墙后填土达到极限平衡状态，此时墙背上的土压力称为被动土压力，记为 。（3）静止土压力：墙土间无位移，墙后填土处于弹性平衡状态，此时墙背上的土压力称为静止土压力，记为 。11、朗肯土压力理论：1857年，朗肯根据半空间应力状态下的极限平衡条件导出了土压力的计算公式，称为朗肯土压力理论。（1）主动土压力 ：朗肯主动土压力系数 ：填土的内聚力（kPa），对于砂土c=0：挡土墙墙高 ：墙后填土的容重 ：内摩擦角 （2） 被动土压力 1/ ：朗肯被动土压力系数12、库仑土压力理论：墙离开或挤向土体时的极限

38、状态下，墙后形成一具有滑动趋势的土楔体，如右图2-2，根据该土楔体的静力平衡条件求解。假设：墙后填土是理想的无粘性土，滑裂面为过墙踵的平面。（1）主动土压力 图2-2 ：库仑主动土压力系数，应用时，查表。沿深度呈三角形分布，其作用点距墙底H/3，位于墙背法线下方，与墙背法线成角。（2） 被动土压力 ：库仑被动土压力系数，应用时，查表。沿深度呈三角形分布，其作用点距墙底H/3，位于墙背法线上方，与墙背法线成角。13、砂性土的土坡稳定分析现有一砂性土土坡，剖面如图2-3所示,其上有一个砂土粒，自重为，自重在垂直于坡面方向的分力为，沿着坡面方向分力。 图2-3 土粒在自重作用下沿坡面下滑，土粒与坡面

39、之间的摩擦力阻止下滑；按力学概念抗滑移力S=Ntan=Wcostan，滑移力T=Wsin，两者的比值为滑移稳定安全系数K，稳定安全系数 当 K1时 稳定 即a K1时 失稳 即a K=1时 临界状态 即=a14、粘性土土坡稳定分析瑞典条分法 设有一粘性土土坡，按比例画出土坡剖面如图，任选一点O为圆心，过坡脚A作圆弧AC，设土坡沿AC弧滑动，如图2-4.将AC弧上的土体分成n个宽度相等的小土条。取出其中的第i个小土条，如图2-5，进行受力分析，第i个小土条共受有： 图2-4（1）土条自重，方向向下，作用在小土条形心处, 其值等于，其中的为第个小土条土的容重，为第个小土条体积，在该土条宽度内有外荷

40、载时，还应加上外荷载，（2）左右两个侧面上的作用力、和。 图2-5（3）滑动面上的力和抗剪强度:其中= ( +)， = + 第个小土条土的内聚力，第个小土条的弧长， i第个小土条中点处切线的水平倾角当土条宽度较小时，可忽略土条侧面上的作用力、和，此时，土条上各力对圆心点O的抗滑力矩和滑移力矩分别为: = = ( + )，= ()。整个滑弧上总的抗滑力矩等于所有土条抗滑力矩之和，即 ( + )。总的滑移力矩等于所有土条滑移力矩之和，即= ()。两者之比即为该滑弧的滑移稳定安全系数，均质土体，、均为常数，即 、 ，代入后得这就是粘性土土坡稳定分析时总应力法表示的弧上滑移稳定安全系数的计算式。最危险

41、滑弧位置的确定：(1)陈惠发的经验法 1980年，美国肯塔基州立大学 陈惠发根据大量计算经验指出，最危险滑弧两端距坡顶点和坡脚各为0.1n*H处，且最危险滑弧中心位于fd线的垂直平分线上。亦可通过试算法确定。(2)有效应力法 土的抗剪强度仅与土的有效应力有一一对应关系，严格的说，前面的抗剪强度表达式中应采用有效应力表示更符合实际，即：其中： ，为孔隙水压力，这样，前述的安全系数表达式就变为(3)毕肖普（A.W.Bishop)条分法 为了改进条分法的精度，许多人都认为应该考虑土条间的作用力，其中A.W.Bishop在求解时考虑到正常使用状态下土条滑动面上并未达到极限状态，因而其抗剪强度仅发挥了一

42、部分，为此作了这样的假定滑动面上发挥的抗剪强度仅为，即起作用的抗力为()。 根据土条的竖向力平衡条件：有并将和代入上式。据此得：并整理得：2.2 理论突破：对既有规范的分析 目前，微型钢管桩复合土钉墙基坑支护技术已经得到广泛应用，但是针对其作用机理的理论研究任十分有限，而对其进行数值模拟方法研究的更少，尚没有形成成熟、统一的设计理论和计算分析方法。现有的土钉墙支护的设计与稳定性验算基本都是依据建筑基坑支护技术规程（JGJ120-99）和基坑土钉技术规程（CECS96:97）的基础上进行的。在建筑基坑支护技术规程（JGJ120-99）的6.1与6.2节中给出了单根土钉的受拉荷载计算公式（2.1）

43、与土钉墙的整体稳定性的验算公式（2.2）如下： （2.1） （2.2） 而在2012年刚发布实施的复合土钉墙基坑支护技术规范（GB50739-2011）24的5.2节与5.3节中给出的单根土钉的受拉荷载计算公式（2.3）与土钉墙的整体稳定性的验算公式（2.4）如下： （2.3）其中，。 （2.4）其中， ，注：上述所有公式中各符号意义详见JGJ120-99与GB50739-2011规范。总结现有分析方法主要有以下几种：1、土钉墙方法在微型桩复合土钉墙支护的设计中，弱化或者不考虑微型桩的作用，采用土钉墙支护的设计方法。在设计强度和稳定性验算基本符合设计要求的条件下，考虑微型桩的作用以限制基坑的变

44、形。这种设计方法比较保守，浪费材料。2、抗滑桩方法在微型桩复合土钉墙支护的设计过程中，考虑微型桩的作用，对微型桩的抗剪和受拉作用进行设计和稳定性分析。这种设计方法没有较多地考虑土钉墙的支护作用，设计保守及容易浪费材料。3、有限元方法随着计算机和有限元软件的出现和发展，采用有限元软件对基坑支护进行计算和设计的手段得到了广泛的应用。由于目前对微型桩的受力机理研究还没有形成统一的理论，因此利用有限元软件进行模拟计算时，选取的参数也不一定十分合理。4、经验设计法这种方法要求基坑支护设计者必须具备丰富的设计经验，通常采用较高的安全系数以保证基坑支护的安全性。通过对比与研究分析可以得到，最新的复合土钉墙的

45、规范在单根土钉的轴向荷载值的计算公式与之前的JGJ120-99规范是相同的，只是在土钉墙的稳定性的验算方法上有所修改。从修改的内容来看，仅是在每个公式的前面进行了一个折减，这可以从i看出。i表示土钉、预应力锚杆、止水帷幕及微型桩组合作用折减系数，而这个折减系统同样是通过经验来确定的。由此可见，新出的规范也并未能提出微型钢管桩在复合支护体系中的贡献效力有多大，仍然通过经验来确定土钉与微型钢管桩的折减系数，将其作为一种安全储备来计算。2.3本章小结本章的主要内容主要有两点，一是总结本科教材土力学与基础工程中有关基坑支护方面的基本理论，这是综合运用所学、解决问题的基础。二是对既有规范的相关分析，这是本课题的创新点之一。通过分析规范，以及联系工程实际，我们知道了规范中对钢管桩复合土钉墙支护的理论不足之处，进一步表明了本课题的研究意义。第三章 室内