复合土钉墙整体稳定性验算公式研究

第34卷第4期岩土工程学报Vol.34No.42012年.4月ChineseJournalofGeotechnicalEngineeringApr.2012复合土钉墙整体稳定性验算公式研究付文光，杨志银（中国京冶工程技术有限公司，北京100088）摘要：预应力锚杆以抗拔力、截水帷幕及微型桩以抗剪强度共同提高了复合土钉墙的整体稳定性。叠加这些复合构件的抗力作用并对组合效果进行折减，是复合土钉墙整体稳定性验算目前昀成熟有效的方法。验算公式的关键是土、土钉及各复合构件分项抗力系数（抗力系数即构件抗力产生的抗滑力矩与土体下滑力矩之比）的折减系数。折减系数是经验数值，可按一定的假设条件从实际工程数据反算整理得出。对多个接近临界稳定状态基坑的分析研究及数百个基坑的验证结果表明：这些复合构件单独及共同与土钉墙作用时，折减系数存在着合理范围，分别为预应力锚杆0.5～0.7、截水帷幕0.3～0.5及微型桩0.1～0.3。此外，土体和土钉的分项抗力系数之和（不计其它构件作用）存在着合理下限，大致为0.86～0.97，如果在满足整体稳定性安全系数的同时满足此条件，复合土钉墙基坑位移一般不大。关键词：复合土钉墙；整体稳定性；公式；预应力锚杆；截水帷幕；微型桩中图分类号：TU470文献标识码：A文章编号：1000–4548(2012)04–0742–06作者简介：付文光（1970–），男，北京人，教授级高级工程师，主要从事岩土工程设计咨询、工程实践、试验研究等。FormulaeforoverallstabilityofcompositesoilnailingwallsFUWen-guang,YANGZhi-yin(ChinaJingYeEngineeringCorporationLimitedCompany,Beijing100088,China)Abstract:Theprestressedanchorsbypull-outresistance,cut-offcurtainsandmini-pilesbyshearstrengthtogetherimprovetheoverallstabilityofcompositesoilnailingwalls.Atpresent,itisthemostmatureandeffectivemethodforcalculatingtheoverallstability,whichaccumulatesandreducestheresistanceofthesecompositecomponents.Thekeytotheformulaeisthereductioncoefficientofbreakdownresistancecoefficientproducedbythesoilresistance,soilnailsandcompositecomponents(theresistancecoefficientistheratiooftheresistingtorqueproducedbythecomponentstothedownturntorqueproducedbysoil).Theyareempiricaldataandcanbeobtainedfromactualengineeringdatabyinversecalculationarrangementaccordingtocertainassumptions.Thestudiesonsomecriticalexcavationsandtheverifiedresultsshowthattherearereasonablerangesofcombinationcoefficientswhenthesecomponentsworkindividuallyandjointly,thatis,theyare0.5~0.7forprestressedanchors,0.3~0.5forcutoffcurtainsand0.1~0.3formini-piles.Inaddition,thesumofthebreakdownresistancecoefficientsofsoilandsoilnailshasthereasonablelowerlimitanditisabout0.86~0.97(regardlessoftheothercomponentsfunction).Whenthisconditionissatisfiedandtheoverallstabilitysafetycoefficientrequirementismet,themovementoftheexcavationsisgenerallysmall.Keywords:compositesoilnailingwall;overallstability;formula;prestressedanchor;cut-offcurtain;mini-pile0概述土钉墙是基坑支护工程昀主要技术之一，优点很多，在世界各地得到广泛应用，上个世纪末开始国内采用土钉墙支护的基坑占到基坑总数五成以上，其中近些年复合土钉墙又占到当中的八成以上[1]。土钉墙设计中昀重要的工作，就是整体稳定性（一些文献中曾称为内部稳定性）分析验算。这是土钉墙的设计理论基础。国内外对基本型土钉墙进行整体稳定分析时，多采用以瑞典条分法为基础的极限力矩平衡法，验算公式已较为成熟。复合土钉墙涉及的构件种类繁多，作用机理非常复杂，整体稳定性研究工作近几年取得了一些重要成果，但尚不系统、不完善。业界目前已认识到：整体稳定性验算公式如果不计取复合构件的作用，设计将过于保守，不仅与事实不符，且有些情况下（如在软弱土层中）设计计算很难达到一定的安全度，人为地限制了复合土钉墙技术的应用；───────收稿日期：2011–02–16第4期付文光，等.复合土钉墙整体稳定性验算公式研究743同时，也不能过高估算这些复合构件的作用，如果这些复合构件起到了主导性作用，复合土钉墙的典型工作特征就要发生改变。故目前业界倾向于有折减地计入复合构件的作用。目前国内外对复合土钉墙的研究成果有几个特点：①国内研究成果较多且能代表国际先进水平。②多局限于单一类构件与土钉复合作用，研究2类或3类共同复合作用的较少；③采用有限元等数值分析法取得成果及普及都很困难，实际应用很少；采用半经验半理论的极限平衡法研究成果较多，有些已经达到实用程度，如2010年4月1日起施行的上海市标准《基坑工程技术规范》[2]计入了水泥土桩的抗剪强度作用。④2011年7月1日起施行的深圳市标准《基坑支护技术规范》[3]在已有成果[4]的基础上，以折减后叠加方式分别计入了预应力锚杆、截水帷幕及微型桩的作用，是目前已实施的国内外各种技术标准中唯一全面考虑了这些复合构件作用的整体稳定性验算公式，代表了国内外昀新及昀先进的研究成果。但深圳规范中验算公式在选取复合构件强度指标及组合作用折减系数等方面仍显粗略，对于缺乏经验者及深圳以外地区的指导性及可操作性较弱。本文在该公式基础上，以组合作用折减系数为重点，经过两年多的继续深入分析研究，使公式更加具有实用性及通用性，研究成果已被国标《复合土钉墙基坑支护技术规范》（GB50739—2011）采用。1几个相关概念业界对“复合土钉墙”等相关术语的概念及定义存在着较大分歧[5]，故有必要先明确一下，因为这也正是本文验算公式的理论基础及应用范围。土钉墙通常指基本型土钉墙，在不引起歧义时也泛指复合土钉墙。基本型土钉墙由土钉、面层、被土钉加固的土体及必要的防排水措施构成，复合土钉墙由基本型土钉墙与预应力锚杆、截水帷幕及微型桩其中的一类或几类构成，以土钉为昀主要受力构件。微型桩在复合土钉墙技术中泛指预置在土体中沿基坑侧壁走向断续分布、起到超前支护作用并利用其抗剪强度及入土深度提高支护结构稳定性的各种竖向增强构件，包括各种材料及形式的预制构件（预制桩、钢、木、竹等）、灌注桩、插筋水泥土桩及注浆钢管等。截水帷幕指用深层搅拌法或高压喷射注浆法形成的以水泥作为固化剂与原位土拌合而成的水泥土桩，两两相互咬合搭接形成水泥土连续墙，起到竖向截水帷幕、超前支护及提高复合支护结构稳定性的作用。复合土钉墙中预应力锚杆设计承载力通常较低，稳定区提供的极限抗拔力一般为100～300kN，不要求自由段一定要穿过假定滑移面，从工作机理角度已不是严格意义上的“锚”，可视之为强度更大、长度更长、且预加了一些应力的“超级土钉”。预应力锚杆、截水帷幕及微型桩单独或组合与基本型土钉墙复合，形成7种复合结构，其中前3种为基本复合形式：①预应力锚杆复合土钉墙；②截水帷幕复合土钉墙；③微型桩复合土钉墙；④锚杆–截水帷幕复合土钉墙；⑤锚杆–微型桩复合土钉墙；⑥截水帷幕–微型桩复合土钉墙；⑦锚杆–截水帷幕–微型桩复合土钉墙。2整体稳定性验算公式及有关说明2.1整体稳定性验算公式及简图整体稳定性验算公式及简图如下：图1复合土钉墙整体稳定性分析计算简图Fig.1Diagramforanalysisandcalculationofoverallstabilityofcompositesoilnailingwallsss01s12s23s34s4KKKKKKηηηη=++++，(1)s0costansiniiiiiiicLWKWθϕθ+=∑∑∑，(2)uus11cos()sin()tansinjjjjjjjxjiiNNKsWθαθαϕθ+++=∑∑∑，(3)uus22cos()sin()tansinjjjjjjjxjiiPPKsWθαθαϕθ+++=∑∑∑，(4)qqs3siniiAKWτθ=∑，(5)rrs44sinxjiiAKsWτθ=∑。(6)式中Ks为整体稳定性安全系数，可取1.2～1.4；Ksx为分项抗力系数，分别为土、土钉、预应力锚杆、截水帷幕及微型桩产生的抗滑力矩与土体产生的下滑力矩之比；ci，iϕ为第i个土条在滑弧面上的黏聚力及内摩擦角；Li为第i个土条在滑弧面上的弧长；Wi为第i个土条重量，包括土条自重及作用在第i个土条744岩土工程学报2012年上的地表及土中的各种附加荷载；iθ为第i个土条在滑弧面中点处的法线与垂直面的夹角；ηx为复合构件共同作用时，土钉、锚杆、截水帷幕及微型桩分项抗力系数的折减系数；sxj为第j层土钉、锚杆或微型桩平均水平间距；Nuj为第j层土钉在稳定区（即假定滑弧外）的摩阻力；Pu,j为第j层锚杆在稳定区的极限抗拔力；jα为第j层土钉或锚杆的倾角；jθ为第j层土钉或锚杆与滑弧面相交处，滑弧切线与水平面的夹角；jϕ为第j层土钉或锚杆与滑弧面交点处土的内摩擦角；qτ为假定滑移面处截水帷幕相应龄期时的抗剪强度标准值，根据试验结果取值。无试验资料或类似经验时，可按水泥土设计抗压强度标准值的0.15～0.25倍取值，昀大不应超过800kPa，湿喷搅拌法水泥土一般取100～400kPa；τr为假定滑移面处微型桩的抗剪强度标准值，可取微型桩构成材料的抗剪强度之和；Ax为单位计算长度内截水帷幕的截面积或单根微型桩的截面积。2.2有关说明为便于研究，公式做如下假定、简化及规定：①破坏模式为圆弧滑移破坏；②土钉为昀主要受力构件；③土钉、预应力锚杆只考虑抗拉作用，截水帷幕及微型桩只考虑抗剪作用，忽略构件其它作用；④破坏时土与土钉能够发挥全部作用，复合构件不能与土钉同时达到极限平衡状态，即不能发挥昀大作用，也不能同时发挥较大作用，必须要按一定规则进行强度折减，构件强度越高、类型越多、组合状态越不利，则折减越大；⑤预应力锚杆拉力的法向分力与切向分力可同时达到极限值，但只是计取假定滑移面之后的锚固段提供的抗滑力矩；⑥滑移面穿过截水帷幕或微型桩时，平行于桩的正截面；⑦地下水对土体抗剪强度指标及钉土黏结强度产生影响；⑧不考虑地震作用；⑨安全系数定义为滑移面的抗滑力矩与滑动力矩之比。实际上，昀危险滑移面的形状并不能事先确定，取决于坡面的几何形状、土体的性状、土钉参数及附加荷载等许多因素，采用圆弧形主要因为