边坡稳定性论文

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1、复合土钉稳定性分析摘要：复合土钉支护技术是在土钉支护技术的基础上发展起来的一种新型的支护 技术。对于地形越来越复杂，开挖深度和建筑规模越来越大的建筑工程，这种新 型的支护技术具有举足轻重的实用意义。本文主要介绍了复合土钉支护技术的主 要形式构造、主要作用机理，并分别对其支护稳定性进行了分析，得出了各种不 同组合支护形式对建筑的稳定性有着不同的影响。说明了在实际使用中应因地制 宜，灵活选用有机组合。同时也为工程支护的实际应用提供了依据。关键词：复合土钉支护新型技术 形式构造 作用机理0.引言随着高层建筑的大量兴建，市政工程地下空间的不断开发，使得建筑规模越 来越大，为了满足建筑使用性能的要求，满

2、足基坑开挖的深度和面积越来越大的 要求，支护技术必须提高到一定的高度。复合土钉支护由于其支护具有施工迅速， 经济适用，安全可靠的特性越来越受到工程运用的青睐。关于符合土钉还没有正 式的定义，综合相关经验和理论1-2】总结得到：所谓符合土钉支护是指在基坑、 边坡等工程结构的支护中，以土钉为主要加固体，其它地基处理技术作为辅助加 固手段，联合协同土钉支护的一种支护工艺。由于复合土钉支护技术可以在复杂 地质条件下应用34，能够节省工程投资，有很好的应用前景。因此，目前复合 土钉支护的工程应用情况不少。然而，关于复合土钉支护的理论与试验研究、工 作机理、设计计算等的研究报道还很少见:有关复合土钉支护技

3、术的设计分析方 法还很缺乏，虽然国内己开展了一些研究，并提供了一定的理论基础，但还没有 公认的复合土钉支护设计分析方法，对复合土钉支护工作性能的认识也不够完 善，有待进一步研究。最近，清华大学土木工程系在北京市自然科学基金的资助 下，正在对复合土钉支护的工作机理及设计理论进行研究，可望在近两三年内会 取得一系列的成果。1. 复合土钉主要类型根据现有的实际工程实例中复合土钉支护形式主要有以下几类：（1）土钉与止水帷幕复合支护当地下水位较高或基坑有防渗要求时（防止因基坑地下水位下降过大而引起地面 沉降过大），在土层软弱地层中，可以使用土钉支护结合止水帷幕的支护方法。 此支护解决了土体开挖之后土体出

4、现渗水、土体强度降低而导致的土体失稳及基 底隆起、管涌等问题。同时由于基坑支护的及时，使得完成后，坡面基本是直立 平整且干燥无水的。（2）土钉支护与微型桩复合型支护当基坑地下水位很低或者没有防渗水要求，不必经行防渗处理时，可以采用 土钉支护与微型桩复合型支护。这种支护有利于阻止基坑底部隆起并且能防止开 挖过程中出现的局部坊塌。微型柱一般采用树根桩或钢管，有时也会使用木桩。（3）土钉与预应力锚杆复合支护预应力锚杆主要特点是通过施加预应力来约束边壁的变形位移，是复合土 钉支护中常用而有效的一种形式。特别是在基坑比较深、地质条件、周围环境 复杂，而对基坑变形又有严格要求时，这种联合支护形式更显示出它

5、的优点。复 合形式有两种：一是植入一排或两排预应力锚杆；一是基坑下部用预应力锚杆支 护，锚杆布设在下部。（4）土钉与止水帷幕、钢管桩复合型支护水泥搅拌桩能止水防渗，超前微型桩刚度大。为了充分发挥二者的优势，可 将二者结合起来，与土钉共同形成一种新的复合土钉支护型式一土钉与止水帷 幕、钢管桩复合支护。如果实际工程中对基坑位移要求严格，可加入预应力锚杆； 如果要求基坑的位移和沉降量下，可以对土钉施加一定预应力。2. 复合土钉支护的作用机理2.1 土钉支护作用机理复合土钉支护是在土钉支护的基础上发展起来的，在研究复合土钉的支护之 前先要理解土钉支护的作用机理。土钉以其一定的长度、直径和密度分布在土体

6、 空间内。当土体变形，土钉受力后，由于土钉与土体的相互作用对土体进行支护， 其作用机理大致可概括为土钉分担作用机理、骨架箍束作用机理、应力扩散作用 机理、应力传递作用机理和坡面变形的约束作用机理等五种。2.2复合土钉支护的作用机理李象范等人侧针对上海地区软土地质条件和实际施工经验，认为复合型土钉 支护就是以水泥土搅拌桩帷幕等超前支护措施解决土体的自立性、隔水性以及喷 射面层与土体的粘结问题，以水平向压密注浆及二次压力灌浆解决土体加固及土 钉抗拔力问题，以相对较长的插入深度解决坑底的抗隆起、管涌和渗流等问题。 但由于复合土钉支护的形式较多，其作用机理也不尽相同，与其支护结构中的各 分支体系（组件

7、）的作用机理密切相关。（1）止水帷幕的作用机理止水帷幕通常采用水泥土搅拌桩来构成。在应用水泥土搅拌桩时，单排桩的 通常宽度为0.5m，双排桩的宽度则为1.0m，依土层情况及基坑深度决定采用单 排桩或双排桩。止水帷幕作用机理主要有两方面：（1）解决基坑边壁土体的自稳 性及隔水性问题。当边壁土体含水量较大时，网喷混凝土面层不易与土体粘结在 一起，若喷层直接喷在水泥土搅拦桩上，则很容易粘结在一起。（2）由于水泥土 比原状土 （主要指软土）的力学性能有所改善，当水泥土桩置于基底以下一定深度 （入土比在0.71.0之间）后，对抵抗基底隆起、管涌等起重要作用。（2）超前微桩的作用机理超前微桩通常为中48一

8、中108钢花管注浆或者钻孔置钢管注浆而成，间距0.5 一 1.0m，这种微桩不能形成止水帷幕，但能增加每层开挖土的自稳性防止坑底隆 起，同时对支护体系的内部稳定性也具有重要作用。（3）预应力土钉和预应力锚杆的作用机理可施加预应力的土钉的构造与普通土钉和锚杆的构造是不相同的。可施加预 应力土钉体通常为螺纹钢筋中20-中32:全长注浆；自由段为在钢筋体上加一套 管，套管前端要采取止浆措施;钉头处覆盖面板，用螺帽拧紧，其预应力的施加 靠锁紧螺帽来实施。通常这种形式所施加的预应力比较小，小于50KN。土钉的 布设密度是群钉作用，施工工艺与普通土钉一致。这种可施加预应力的土钉可根 据具体情况布设，比如只

9、布设上面几排，或者全面布设，或者间隔布设，虽然施 加的预应力较小，但密度较大，对控制边壁变形非常有利。这种土钉对粘结强度 相对较低的土体更显示其优越性，因为若用预应力锚杆来加固这种土体，其预应 力较大，锚杆易拔出从而失效。3. 复合土钉稳定性计分析3.1复合土钉稳定性计算原理基于工程应用情况和国内外关于复合土钉稳定性分析的研究方法，得出在复 合土钉稳定性计算中，主要应考虑土坡稳定安全系数的确定、最危险滑裂面的确 定、支护稳定性计算、施工过程的稳定性、土体中水的影响作用、预应力锚杆（锚索）的作用、水泥土搅拌桩挡墙及超微桩的作用等。3.2 土坡稳定安全系数的计算目前关于土坡稳定的安全系数主要有两种

10、计算方法，一种是应用力矩来计 算，另一种是应用强度来计算.前者主要有彼地森计算法和费伦纽斯计算法I。 后者是费伦纽斯计算法II回。应用力矩来计算土坡稳定的安全系数时的彼地森计 算模型，该法是将稳定安全系数定义为未滑动土体对滑动土体产生的抗滑力矩与 滑动土体滑动力矩的比值.应用力矩来计算土坡稳定的安全系数时的费伦纽斯 算法I ,该法将土体条块I的重力W f沿滑动面分解成切向力Ti和法向力N j。切 向力对圆心会产生滑动力矩Ms;法向力作用引起的摩擦力与滑动面上的粘聚力 一起组成抗滑力并产生抗滑力矩MR。这两种方法虽然得到的安全系数表达式 是一样的，但意义却截然不同，按照强度来计算土坡稳定性安全系

11、数的方法表征 抗滑力的安全储备，由力矩平衡求得，隐含静力不平衡;应用力矩来计算土坡稳 定安全系数的方法是静力平衡，隐含力矩不平衡，表征的是抗滑力矩的安全储备。3.3最危险滑裂面的确定为了研究土体的最危险滑裂面，目前大多假定最危险滑裂面为圆弧。常用圆 孤法确定滑裂面时，确定圆弧所在的圆的圆心是关键。目前确定圆弧有传统法和 几何参数控制法两大类7-9。传统法中最主要的是穷举搜索法如图3-1所示，其具体搜索方法为：首先确 定坡趾点0,然后滑孤破坏面上端点P可按步长为0.05H从坡顶点A沿A到B 方向向外延伸。最后确定滑孤破裂面的圆心，安全系数最小时所对应的圆心即 是最危险滑裂面的圆心。几何参数控制法

12、如图3-2所示，其具体方法为：设某一 滑面经过A、B两点，A点在基坑的坡趾（每挖一层的坡趾或开挖完毕时的坡趾） 上，B点为与坡顶面的交点。连接直线AB。过A、B两点作一圆弧与过B点竖直 线相切。AB两点相对高度为H，在H/2地方作一平行X轴的直线分别与AB直线 相交于。，与竖直线相切的AB圆弧相交于F点。认为最危险滑裂面只能在AB 直线及AFB圆弧之间。若为素土则可按公式（3-1 ）来确定最危险滑裂面。F = M 工&巧 cs）（公式 3-1）s M乙 W sin 0si i图3-1穷举搜索法确定最危险滑裂面 图3-2几何参数控制法确定最危险滑裂面4. 复合土钉支护稳定性影响因素的分析4.1水

13、的影响目前，复合土钉支护的形式比较多但其稳定性分析的文献却很少，其稳定性 最终取决于其复合形式的有机组合。除此之外，水也是复杂地质条件的重要因素， 对基坑稳定性同样有着重要的影响。水对土体影响主要有有效应力原理，即研究 饱和土中粒间应力和孔隙水应力的不同性质及二者与总应力间的关系；总应力法和有效应力法，即将不同试验得到适当强度指标值C和 代替具体情况下土体空 隙水压力对强度的影响；抗剪强度指标与粘结强度指标的合理选用，即常采用三 轴试验和直剪试验来分析水对边坡稳定性影响。无论是那种分析方法，稳定性分 析的关键是选择相适应的抗剪强度指标。4.2预应力锚杆（索）的作用预应力锚杆与传统的围护结构板、

14、桩、墙所组成的联合支护，主要承受由于 土压力、水压力等施加于围护结构的推力，利用稳定地层的锚固力来维护支护结 构及土体的稳定。其稳定分析也包括土体全部在一起的整体稳定。由于边坡本身 失稳或荷载作用，从支护墙基础底部产生滑动而向外推移，整个体系沿滑缝向下 滑动，土体从墙角外隆起，整个土锚均在土体的深部滑裂面以内，造成整体失稳， 其稳定性分析可用瑞典条分法进行，要求稳定安全系数不小于1.5。内部稳定性 是指土锚与支护墙基础在假想支点之间深滑动面的稳定验算，内部稳定最常用的 计算是采用Kranz稳定分析法。预应力锚杆与土钉支护联合要相匹配，预应力锚 杆与土钉墙联合支护，由于土钉墙的土钉大部分都在滑移

15、面以内，抗滑移稳定主 要由锚杆提供，如果锚杆的抗滑力足够，土钉墙体面层的强度刚度也足够，这样 的联合是经济的。4.3水泥土搅拌桩挡墙及超前微桩的作用水泥土搅拌桩挡墙通常在软土、高水位地带的基坑支护中应用，主要起到防 渗、抗隆起、抗底部水平滑移、抗倾覆等作用，与土钉支护联合应用，对围护基 坑的内部稳定（抵抗基坑沿滑移面的滑移）也具有重要作用，同时也解决了面层挂 网喷浆不易粘结的问题。通常联合支护体系的内部稳定性验算若能满足要求，则 抗底部滑移和抗倾覆的安全系数是足够的。超前微桩与土钉支护联合对内部稳定 性具有重要作用。5. 小结基于土钉支护发展起来的复合土钉支护，目前主要有土钉+超前微桩复合支

16、护;土钉+预应力锚杆（索）复合支护;土钉+超前微桩+预应力锚杆（索）复合支护;土钉 十水泥土搅拌桩止水帷幕（包括单层桩和双层桩）复合支护:土钉+水泥土搅拌桩止 水帷幕（包括单层桩和双层桩）+预应力锚杆（索）复合支护。作用机理主要是以土钉 支护为主，依据不同土质条件、工程环境，借助于水泥土搅拌桩止水帷幕、超前 微桩和预应力锚杆等其它组件的共同作用来稳定土体和边坡。复合土钉稳定性分 析表明，土坡稳定安全系数、最危险滑裂面、土体内水、设置超前微桩、增设预 应力锚杆对滑移面稳定性都有显著的影响。目前，复合土钉支护技术在我国许多 地区建筑工程深基坑支护中得到了应用，但在山体边坡加固和复杂地质条件下例 如

17、软土地区的支护工程中运用的不是很广泛，但却有非常长远的应用意义。在今 后的研究中可以试着完善其支护理论，改进其施工工艺，让其朝着逐渐取代传统 支护技术的方向发展。参考文献参考文献1 邵红旗.岩石锚固作用机理及荷载传递规律研究D.西安：西安科技大学， 2009.2 李月莲.预应力锚索锚固机理研究D.吉林：吉林大学，2008.3夏华宗，吕建国.微型钢管桩超前支护复合土钉墙研究现状J.华北科技学院学 报:2007,4(2) :41-43 李象范，徐水根等.复合土钉挡墙的研究.上海地质.1999年，第3期5 Clifton B. Farnsworth, Blaine Leonard, Darin Sj

18、oblom, Quality Assurance of Soil Nail Grout for Provo Canyon Reconstruction ProjectJ.2010 Earth Retention Conference, 278-285.6 V. Elias，I. Juran Soil Nailing for Stabilization of Highway Slopes and Excavation， FHWA/RD-89-198， June.，19917 黄玉田，高地下水位地区的插筋补强护坡.万国学术出版社，1996:239-2428 邓新德，邓新成.土钉锚杆联合支护结构在某大厦基坑事故处理中的应用J，科技创新导报:2008,81-839 杨茜，张明聚，陈建国.复合土钉支护作用机理研究J.地下空间与工程学报:2005，1(3) :409-412.