关于土钉墙作用机理及工作性能的探讨

来源:用户上传      作者: 周侠炯

　　一、前　言
　　
　　在众多基坑支护方法中,土钉支护方法以其工艺简单、施工方便、快速及时、安全经济等特点受到广大工程技术人员的青睐,在工程实践中已经创造了巨大的社会经济效益,但是其也存在自身的弊端,因此,为了把土钉墙支护结构技术更好地应用到工程中,笔者特对土钉墙的作用机理及工作性能作下深入的探讨和研究,谨供大家作参考之用。
　　
　　二、土钉墙的基本性质及支护原理
　　
　　2.1　土钉墙支护原理
　　土体的抗剪强度较低,抗拉强度几乎可以忽略,但土体具有一定的结构整体性,当开挖基坑时,土体存在使边坡保持直立的临界高度,当超过这一高度或者在地面超载及其它作用下,将发生突发性整体破坏。所采用的传统支挡结构均基于被动制约机制,即以支挡结构自身的强度和刚度,承受其后的侧向土压力,防止土体整体稳定性破坏。
　　土钉墙则是在土体中放置一定长度和密度的土钉构成的。土钉与土共同工作,形成了能大大提高原状土强度和刚度的复合土体,土钉的作用是基于这种主动加固的机制。土钉与土的相互作用,还能改变土坡的变形与破坏形态,显著提高了土坡的整体稳定性。
　　试验表明:直立的土钉墙在坡顶的承载能力约是素土墙的一倍以上。更为重要的是,土钉墙在受荷载过程中不会发生象素土边坡那样的突发性的滑塌。它不仅推迟了塑性变形发展阶段,而且明显的呈现出渐进变形与与开裂破坏并存且逐步扩展的现象,直至丧失承受更大荷载的能力,仍然不会发生整体性滑塌。
　　土钉支护原理可用“优势滑移面”的理论加以分析。在某一开挖深度条件下,坑壁产生滑移具有某种随机性,即可能出现滑移线簇。但最危险和最先产生的滑移线只有一条,称之为优势滑移线,相应的滑移面称为优势滑移面。
　　优势滑移线随基坑下挖而转移,因而在不同开挖深度上具有不同的优势
　　滑移线,从而形成优势滑移线簇。但任一确定深度的基坑边壁之最先产生、
　　也是最危险的优势滑移线只有一条,称之为优势滑移控制线,相应的滑移
　　面称为优势滑移控制面(图3)。
　　滑移体实际下滑以优势滑移控制面的最终形成为前提。优势滑移控制面产生初期,以地面出现滑移性裂缝或区间高变形速率为先导,并以一定的变形速率发展变化。采用具有足够“缝合强度”的土钉(管、索、检)逐次超前“缝合”优势滑移控制面,则此滑移面将不会萌生,或不致发展和形成(图4)。
　　在优势滑移面产生后,维持坑壁稳定的因素是:
　　(1)被土钉及面层加固的滑动土体自重在滑移面上的摩擦力;
　　(2)土钉力在滑移面上产生的摩阻力。
　　通过对土钉支护工作机理的分析,可以总结出土钉支护与传统支挡结构工作机理的不同之处,即土钉支护方法以尽可能保持显著提高,最大限度利用基坑边壁土体固有力学强度,提高主动支护土体变土体荷载为支护结构体系―部分,与土体共同工作的基本特性。
　　2.2　土与土钉间相互作用
　　类似地加筋土挡墙内拉筋与土的相互作用。土钉与土间的摩阻力的发挥,主要是由于土钉与土间的相对位移而产生的。在土钉加筋的边坡内,同样存在着主动区和被动区。主动区和被动区内土体与土钉的摩阻力发挥方向正好相反,而被动区内土钉可起到锚固作用
　　土钉与周围土体间的极限界面摩阻力取决于土的类型、上覆压力和土钉的设置技术。美国ELias和Juran(1988)在试验室做了在密砂中土钉的抗拔试验,认为“加筋土挡墙内拉筋与土钉的设置方法不同,它的极限界面摩阻力也不相同。因此,加筋土挡墙的设计原则不能完全用来设计土钉结构。应对土钉作抗拔试验为最后设计提供可靠数据”。目前,土钉的极限界面摩阻力问题尚有待进行深入的理论和试验研究。
　　土钉在复合土体中的作用可以概括为以下几点:
　　(1)约束骨架作用:该作用是由土钉本身的刚度和强度以及它在土体内的分布空间所决定的。它具有制约土体变形的作用,并使复合土体构成一个整体。
　　(2)分担作用:在复合土体内,土钉与土体共同承担外部荷载和土体自重应力。由于土钉有较高的抗拉、抗剪强度以及土体无法比拟的抗弯刚度,所以当土体进入塑性状态后,应力逐渐向土钉转移。当土体开裂时.土钉分担作用更为突出,这时,土钉内出现弯、拉剪等复合应力,从而导致土钉内部浆体破裂,钢筋屈服。复合土体塑性变形延迟及渐进性开裂变形的出现与土钉分担作用密切相关。
　　(3)应力传递与扩散作用:在同等荷载作用下,由土钉加固的土体内的应变水平比素土边坡土体内的应变水平大大降低,从而推迟了开裂的形成与发展。
　　(4)坡面变形的约束作用:在坡面上设置的与土钉连成一体的钢筋混泥土面板是发挥土钉有效作用的重要组成部分。坡面膨胀变形是开挖卸荷、土体侧向变位以及塑性变形和开裂发展的必然结果,限制坡面膨胀能起到削弱内部塑性变形,加强边界约束作用。这对土体开裂变形阶段尤为重要。
　　
　　三、土钉墙的工作性能
　　
　　通过对现有国内外实际土钉墙工程的测试资料及大型模拟工程的试验结果的分析,可以将土钉墙的工作性能归纳为以下几点:
　　(1)土钉墙的变形较小。最大水平位移发生在墙体顶部,越往下越小。最大水平位移与开挖高度之比一般不大干3%。这种位移值不会影响工程的适用性和长期稳定性,它对整个土钉墙工程来说,不构成控制设计的主要因素。土钉墙体内的水平位移随离开墙面距离增大而减小。
　　(2)土钉内的拉力分布是不均匀的,一般呈现中间大,两边小的规律,即最大拉力出现在临近破裂面处。土体产生微小变位才能使土钉受力,在面板附近土钉受力不大,这表明土钉已将其所受的大部分的力传递到土体当中去了。土钉墙位置越往下,土钉最大受力点越往面板处移。
　　(3)土钉最大拉力出现在基坑的中部。上部、下部土钉的受力均较小。在施工阶段,下层土体开挖对已设置的所有上层土钉受力均有较大影响,各层土钉拉力均有突变增量,即土钉受力具有开挖效应。
　　(4)采用密集土钉加固的土钉墙性能类似重力式挡墙。破坏时明显地带有平移和转动的性质,故设计时除验算土钉墙的内部稳定性,以保证它们有足够的钉长、顶径及合理的间距外,还必须验算其整体的稳定性,即验算土钉墙的抗滑及抗倾覆安全性。
　　
　　结　语
　　
　　本文详细讨论了土钉墙的支护原理及作用机理。得出了土钉墙工作性能及与其它支护结构工作性能的不同之处。因此,分析得出土钉支护的应用范围甚广,可作为土体开挖的临时支护,用于高层建筑、地下结构等深基坑开挖,土坡开挖等;可作为永久性挡土结构,一般与施工开挖时的临时支护相结合。以及现有挡土墙的修理加固和各类临时支护发生失稳时的抢险加固。

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