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1、深基坑土钉支护抗拔机理1999丰2月第20卷第1期东北大学(自然科学版)JournalofNortheasternUniversity(NaturalScience)Feb.1999Vo1.20.N0.1,7丁,(东北太学资源与土术工程学院,诜阳ll00060中航勘察设计研究院,北京100086)摘要根据土钉抗拔试验结果,分析了土钉抗拔荷载传递机理.建立了抗拔作用的力学模型.结合实倒分析了一些基本关系曲线的变化规律.理论分析与实践相符较好.关键调-!量量圭旦,苎竺里:分娄号TD31土钉抗拔试验是土钉支护工程中最常用,最直接的试验.利用该试验可以确定单位长度土钉的抗拔力,继而为确定土钉支护结构的
2、设计参敦提供直接的依据.同时.土钉的抗拔试验也是衡量土钉施工质量好坏的一个标准.研究土钉抗拔机理,掌握抗拔作用下的应力与应变,抗力与位移等关系,能为土钉支护结构的台理设计提供理论上的依据.当前,工程界常假设剪力沿土钉均匀分布,根据抗拔试验结果,利用下式来估箅钉土剪切面处的最大剪应力(极限抗剪强度),rja.tanc(1)式中,F为钉端拉力,R,L分别为土钉的直径和长度,为土钉平均深度处垂直应力,为钉土切向剪切面处的粘聚力和内摩擦角.实际上.土钉抗拔作用的机理较为复杂,远非上面的简单公式所能描述,影响土钉抗拔作用的因素较多,钉土闯的相互作用与应力应变及土钉拔出时产生的位移有很大的关系_2】,本文
3、将根据实测的剪应力与位移关系曲线,建立土钉抗拔力学模型,用解析方法来研究土钉的抗拔试验,1抗拔作用的力学模型根据试验结果.土钉口与钢管的抗拔试验的剪应力一位移关系可简化成图l所示的实线部分.DP段表示随着位移的增加,剪应力与位移呈线性增加,表现为土体被压实,并具有弹性体性质;PQ段说明了当钉土间的相对位移达到一定值(.)后,钉土间的剪应力保持不变,整个土钉音jc掖j式,力字模型发生均匀移动,土体已发生剪切破坯围1土钉抗拔试验的剪应力位移关系根据图1,可以写出下面的表达式,=当时(2)=点p=p当p时(3)以上两式中的r.为峰值剪应力,.为达到峰值剪应力时所需的最小位移,表示土钉断面处的位移(见
4、下文),为剪切变形系敦(kPn).设土钉拉拔端作用着大小为F的拉力,土钉的长度为.以土钉内端为坐标原点.土钉轴线为坐标轴建立如图2a所示的坐标系,沿坐标方向,在距离坐标原点位置为处取一长度为d的单元进行分析,取z方向为作用力的正方向.根据单元的平衡条件(见图2b)有+d一(+nDrdx)=01dN(4)式中,D为土钉直径,为截面处的轴向拉力,根据土钉拉伸变形d与轴力rI的关系(见图2c)有:?19980504收到.王建党,男.29,博士;秦四精.男,36.博士后,研究员;李造鼎,男.68,教授,博士生导师国象教委博士点基金资助项目(编号:9414521).东北大学(自然科学版)第2O卷IL三E
5、三土二卜-.二囝2土钉抗拔计算简图(a)一抗拔计算;(b)一单元应力;(c)一单元变形=d(5)断面的轴力为M=AE垫dx(6)式中.E:,为有效土钉模量,E.E分别为土钉的浆体及钢筋模量.A,A分别为土钉的浆体及钢筋的横截面面积.根据断面处力的平衡条件得FN一Dd:0=P一Dd(7)土钉任一截面处的位移等于土钉的刚体位移与拉伸变形之和,则断面处土钉的总位移为:jd(8)式中,为土钉断面处土钉的拉伸变形量,为土钉刚体位移.由于土钉内端不受拉力作用.因此内端的拉伸变形量为零,其位移即为土钉副体位移.上式对j-求一阶导数得dx=鲁=E丛A(9)一d一,将式(7)代入上式得.F一D1dx=L(1o)
6、AEd上式对求一阶导数得:=地(11dx2AE)一H,式(11)可以写成下面的形式:一鲁=.当时(-)一0当时(13)一u壹p町(13)驵一一式(12)的通解为一器【予2+C.Cz)式(13)的通解为:C3e+C.e一(15)式中,.=.表示土钉对土体的相对刚度,其量刚为长度.土钉在整体拔出前(临界状态),拉拔端的位移最大;位移由抗拔端向内端逐渐减小到零.因此当=z时,=.,土钉的位移最大.在土钉被拔出时.土钉各点处的位移相同,即土钉发生均匀移动,开始发生抗拔破坏,不会存在.的情况.因此应该只考虑u.时土钉的受力及变形情况.将式(15)代入到式(7)中得F一C3(e一e)一C.(e一e一)+C
7、5(16)只要确定了系数C3.C,C.测得剪切变形系数,就可计算出位移,轴力,剪力沿土钉的轴向分布规律.C3,C4.C5根据下面的边界条件确定.(1)当=时,N=F,代入到式(16)得C5=0(17)(2)当=0时.=0,代入到式(16)得F一&c3(e一1)一C4(e一1)=0(18)上面两个边界条件还不能确定G,c4,c5的值,还需一个条件.当土钉某个断面的位移(或轴力)已知时,则根据位移表达式(或轴力表达式),并结合式(17),(18)便可以确定出系数c3,c4,C5的值.考虑到工程中经常测量土钉拉拔端处的钉头位移.在此仅对该情况进行分析,对于土钉某点处位移或轴力已测得的情况,其
8、分析方法是相似的,假设土钉钉头处的位移实测值为.将=时,=0代入式(15)得第l期王建党等:深基坑土钉支护抗拔机理73o=C3e71+C4e一(19)试验.现对编号为叭的土钉试验进行分析.试验令c.=*rD_k,由式(17),(18),(19)Jl2工程实例分析北京方庄住宅小区芳城园l号楼工程基坑深11.212.0m,采用土钉支护.为了了解土钉的工作性能,实测土钉的抗拔力而做了4组土钉抗拔疑基结果见表1.试验的拉力一位移曲线见图3a衰1O1土钉抗拔试验记录衰注;土层类别:糖质牯土;土钉资料:直径28mm钢筋.长度6m.惯角l0;注浆资料:水泥浆.水与水泥之比为045:1.蔡压注浆.舞轴向坐标/
9、m(c)舳坐怫/n轴向坐际/md)(e)图3抗拔加藏计算结果(a)一轴力位移图;(b)一剪应力一位移图;(c)一轴力一坐标图(d)一剪应力一坐标图;(e)一位移一轴向坐标图.根据试验结果,采用下面的算式近似确定剪切变形系数.IAFcoso,/(AuilrcD)k=丁一上式中.n为试验加载次数;.分别为相邻两次荷载增量与钉头位移增量值;n为土钉的倾角.图3中的各条曲线是根据上面推导的公式所计算的最后一次抗拔加载的结果.计算中选取的参数为:土钉长度6m,土钉倾角10,钻孔直径0.13m.钢筋直径0.028m.钢筋模量210MPa,混凝土模量20MPa.拉拔荷载168kN,钉头位移25mm,剪切变形
10、系数2.550MPa?m.根据计算结果所绘制的曲线图可以看得出,轴力随土钉位移的增大而增大.理论曲线与轴力等于拉拔荷载时的实测曲线基本吻合图(3a).剪应力一位移曲线,剪应力一轴向坐标曲线,位移一轴向坐标曲线呈线性递增关系变化.所有这些曲线关系很好地说明了抗拔作用下钉上系统荷载的传递过程,即;土钉的位移和轴向拉力向内土钉自由端方向递减,土钉周侧的摩擦阻力向内逐步被调动起来.从图3e可以看出.土钉自由端处的位移量不为零,说明土钉开始被拔出.该点的位移郎为土钉的刚体位移.从图中的曲线可以看出.在土钉被拔出前,土钉位移量的大小对于土钉轴力及剪力的分布起着决定作用,因此主钉支护设计中应采用荷载传递函数
11、来确定土钉的极限平均抗拔力.即根据轴力与位移关系来确定土钉的抗拨力.74东北大学(自然科学版)第20卷这样才能与实际相符3结论本文分析了土钉抗拔作用机理.建立了土钉抗拔作用的力学模型,推导了土钉拔出状态时的作用力与变形的一些基本关系表达式,并结合工程实例分析了钉土系统在土钉抗拔作用时的应力传递及转移过程,验证了本模型的合理性.提出了根据荷载传递函数确定土钉平均极限抗拔力的思想.参考文献1NandaA.Anatysis.fanailedwallIn:S0d晰ofG【Engineersedsproceedingofthe10thAsianRegnatCon/erenceonSollMechmfic
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