复合土钉墙变形的简化计算方法-魏焕卫

第28卷增刊IVol.28Sup.I工程力学2011年6月June2011ENGINEERINGMECHANICS156———————————————收稿日期：2010-10-27；修改日期：2011-03-15基金项目，建设部科技攻关计划项目(2008-K2-30)作者简介：*魏焕卫(1974―)，男，山东聊城人，副教授，博士，主要从事岩土工程共同作用和变形控制设计(E-mail:[e-mail])；宋丰波(1963―)，男，山东桓台人，高工，学士，主要从事岩土工程灾害治理研究(E-mail:[e-mail])；杨敏(1960―)，男，江西南昌人，教授，博士，主要从事基坑及桩基共同作用研究(E-mail:[e-mail])；孙剑平(1963―)，男，山东临沂人，教授，硕士，主要从事地基基础加固研究(E-mail:[e-mail]).文章编号：1000-4750(2011)Sup.I-0156-06复合土钉墙变形的简化计算方法*魏焕卫1，宋丰波2，杨敏3，孙剑平1(1.山东建筑大学土木工程学院，济南250014；2.山东电力工程咨询院有限公司，济南250013；3.同济大学地下建筑与工程系，上海200092)摘要：复合土钉墙的侧向变形计算是其设计的关键指标，目前规范还没有相应的计算方法。该文假定复合土钉墙的最终侧向变形为部分土压力作用下微型桩的变形与土钉本身在其影响范围内土压力拉拔变形的叠加，把前者等效为一个多跨简支梁变形，建立了利用土钉和微型桩的水平刚度的大小来分配相应位置的微型桩所受到的侧向土压力的计算模型；推导了土钉的水平刚度系数的计算公式，研究表明土钉的水平刚度系数主要受到相应位置钉土间的剪切变形系数和潜在滑动面以外土钉长度L1的影响；提出了按照悬臂梁或水平受荷桩计算微型桩的水平刚度系数的方法；讨论了该文提出的复合土钉变形计算方法中主要参数的计算模式，包括土压力、钉土间剪切变形系数等。通过工程的实测资料对该文计算理论进行验证，结果表明了该文复合土钉墙变形计算简化方法的有效性。该文所提出的复合土钉墙变形计算方法可以利用工程实践中大量的土钉抗拔实测资料，比较容易地推算复合土钉墙开挖后的变形情况，从而为复合土钉墙变形的预测和控制提供了设计和施工方面的依据和参考。关键词：复合土钉墙；微型桩；水平刚度系数；分配系数；土压力；侧向变形中图分类号：TU443;TU433文献标识码：ACALCULATIONMODELOFSOILPRESSUREDISPLACEMENTBASEDONMINDLINSOLUTION*WEIHuan-wei1,SONGFeng-bo2,YANGMin3,SUNJian-ping1(1.SchoolofCivilEngineeringofShangdongJianzhuUniversity,Ji’nan250014,China;2.ShandongElectricPowerEngineeringConsultingInstituteCorporation,Ltd.,Ji’nan250013,China;3.GeotechnicalEngineeringDepartmentofTongjiUniversity,Shanghai200092,China)Abstract:Thelateraldisplacementofcompositesoilnailingisakeyparameterfordesign,butthecalculationmethodisnotspecifiedinthecode.Thispaperadoptstheassumptionthatthefinallateraldisplacementofthecompositesoilnailingwallisthesumofthemicro-piledeformationunderpartialsoilpressureandthepull-outdeformationofsoilnailinitseffectiverange,andtheformerisequivalenttothatofamulti-spanbeamunderpartialsoilpressure.Thenthecalculationmodelofthelateralsoilpressureappliedtothemicro-pileisproposedbythemagnitudesofthehorizontalstiffnessofthesoilnailandthemicro-pile.Theformulaofhorizontalstiffnesscoefficientofsoilnailingisderived,whichismainlyaffectedbythesheardeformationcoefficientamongthenailingsoilatthecorrespondingpositionandthesoilnaillength(L1)outsidethepotentialslidingsurface.Thehorizontalstiffnesscoefficientofthemicro-pileiscalculatedasperthecantileverbeamorlateralloadbearingpile.Someparameterspresentedinpracticalcalculationmethodofsoilnailingdisplacementarediscussedincludingsoilpressurestyle,sheardisplacementcoefficientandcalculationmethodofoverallstability.Oneengineeringexampleisusedtodemonstratethevalidityoftheproposedmethod.Withtheresultderivedfrompullouttests,the工程力学157practicalcalculationmethodcanserveasatheoreticalbasisinthepredictivecontrolofsoilnailingdisplacement.Keywords:compositesoilnailing;micro-pile;horizontalstiffnesscoefficient;distributioncoefficient;soilpressure;lateraldisplacement土钉墙因其经济、可靠、施工快速简便等优点得到广泛应用，但同时由于土钉属于被动受力，需要土体变形后才能发挥作用，因此往往变形较大，从而限制了土钉墙的应用。而复合土钉墙则通过设置其他变形控制构件(如微型桩、搅拌桩、预应力锚杆等)克服了土钉墙变形大的缺点，使得其近年来得到广泛的应用。目前规范对于复合土钉墙的变形控制机理、设计方面还没有涉及，但许多学者已通过多种方式对此进行了研究，如秦四清等[1―2]对预应力复合土钉墙的变形规律进行了实测和数值分析研究，尹骥等[3]提出的复合土钉墙变形的增量计算法，段建立等[4]通过现场实测研究了复合土钉支护的变形受力规律，魏有龙[5]利用弹性地基梁法建立了复合土钉墙变形计算方法，陈利洲等[6]利用实测对复合土钉墙和土钉墙的变形规律进行了对比分析。笔者在实测资料和一些假定的基础上提出了土钉墙变形实用计算方法[7]，并提出了土钉墙抗拔承载力的计算方法[8]。本文将以微型桩+土钉形式的复合土钉墙为例，建立微型桩所受到土压力的刚度系数分配法，并据此提出了复合土钉墙变形的简化计算方法。1复合土钉墙变形机理在一般的土钉墙中，首先要进行土方开挖(图1(a))，然后进行土钉的成孔、注浆等工序(图1(b))，在此期间土体由于暴露时间过长应力释放而引起变形(图1(c))。而微型桩+土钉形式的复合土钉墙则首先进行微型桩的施工(图2(a))后在进行土方开挖(图2(b))，然后进行土钉施工(图2(c))，这样微型桩就起到土钉施工之前的空档期间对土体变形的限制作用，同时在施工下一道土钉前可以对上部土钉施加部分预应力也起到限制基坑侧向变形的作用，从而使基坑的侧向变形明显减小。(a)开挖(b)成孔(c)注浆喷层图1土钉墙施工工序示意图Fig.1Soilnailingconstructionprocess(a)微型桩施工(b)开挖成孔(c)注浆图2复合土钉墙施工工序示意图Fig.2Compositesoilnailingconstructionprocess2复合土钉墙变形的理论计算方法微型桩在复合土钉墙支护体系中主要是通过承受一定的侧向土压力限制了其侧向变形的发展，因此微型桩所受到的侧向土压力的大小决定了其变形的大小。微型桩+土钉+喷射混凝土面层+土体构成一个共同作用的体系，根据结构力学的力分配原理，刚度大的一方分配到的力也大，因此这里通过计算土钉抗拔刚度和微型桩侧向刚度得到侧向土压力在二者之间的分配系数。2.1复合土钉墙中土钉的受力机理复合土钉墙的潜在滑动面可以假定为圆弧面(图3(a))或者平面(图3(b))，在潜在滑动面以内(靠近基坑开挖一侧)土钉主要起加固土体的作用，在潜在滑动面以外(背离基坑开挖一侧)土钉主要起控制变形的作用。(a)圆弧面(b)平面图3复合土钉墙潜在滑动面示意图Fig.3Potentialslidingsurfaceofcompositesoilnailing土钉与周围土体的作用力方向在潜在滑动面两侧是相反的，根据力的平衡原理，土钉的受力可以按照下式表示：apTTT=+(1)其中：aT/kN为潜在滑动面以外土钉的与周围土体之间的作用力，为土钉影响范围内土压力的合力；pT/kN为潜在滑动面以内土钉的与周围土体之间的作用力；T/kN为微型桩受到的侧向土压力合力。土钉土钉微型桩微型桩微型桩45-φ/2土钉潜在滑动面微型桩基坑开挖面土钉假定破裂面微型桩基坑开挖面DHZn3Zn2Zn1DHZn3Zn2Zn1158工程力学影响pT和T之间分配主动侧向土压力的因素主要为潜在滑动面以外(背离基坑开挖一侧)土钉的长度1L(图4)，1L越长刚度大的分配荷载多，反之则少，因此采取合理方式计算二者水平刚度是确定二者大小的关键因素。潜在滑动面TTpTa微型桩开挖面的侧阻力土体对土钉被动区主动区土钉L2L1图4复合土钉墙中土钉受力示意图Fig.4Soilnailstressofcompositesoilnailing2.2土钉的水平刚度系数考虑极限荷载作用下长度为2L的土钉锚杆的拉出量nδ为土钉锚固体自身的变形量neδ和土钉锚固体与周围土体间的剪切位移量snδ之和，按照下式计算土钉的抗拔刚度系数nk：tannnrzcτϕ=+(2)πnnnnnnnTuLdLττ==(3)nsnneδδδ=+(4)2200π2ddπ/4nnLLnnnnnnnennnnnnudxLxxAEdEdEτττδ===∫∫(5)nsnskτδ=(6)2π21nnnnnnsnnTdLkLkdEδ==+(7)2222()egnecnndEddEEd+−=(8)其中：nE/MPa为土钉锚固材料弹性模量cE与杆体弹性模量gE的加权平均值；ed/m为土钉杆体的直径；nd/m为土钉锚固体的直径；r/(kN/m3)为土体的重度；ϕ/(°)为土体的内摩擦角；c/kPa为土体的内粘聚力；nz/m为土钉的竖向设置深度；nL/m为土钉在潜在滑动面以外(远离基坑开挖一侧)的长度；sk/(MPa/m)为土钉锚固体与周围土体间的剪切位移系数，该参数主要通过土钉的拉拔试验，分析土钉拉力-位移曲线得到。当有相应实测数据时，可按照下式计算屈服变形之前的钉土间剪切变形系数sk：11cos/(π)1niiisFULDknα−=∆∆=−∑(9)其中：n为加载次数；iF∆/kN为相