1、1格构式土钉复合支护的理论与变形研究摘要：将格构与土钉等相结合的格构式土钉复合支护是一种新型护坡方式，该形式能有效地提高基坑的整体稳定性。目前，关于这种支护方式的理论研究尚不完善。本文结合某基坑工程，以土力学理论和规范为基础，通过挡土墙模型、土钉墙理论和支护桩模型验算格构式土钉复合支护稳定性；并用弹性支点法计算极限状态下位移，分层总和法计算基坑瞬时位移，综合两种位移得到最终的坡顶位移为 7.7mm 到 19.75mm之间，与实测数据较为接近。从而得到针对此支护模式的计算方法理论，为分析研究同类工程提供参考。 关键词：格构式土钉复合支护；稳定性；土钉墙；弹性支点法；分层总和法 Abstract：
2、Latticed soil nailing support is a new type of revetment structure, which combined lattice support and soil nailing. It effectively improves the global stability of the foundation pit. Currently, the theoretical research about this supporting method is still not consummate. In this paper, on the bas
3、is of soil mechanics and code, the stability of latticed soil nailing support are analyzed by the theory of the retaining wall, soil nail and the model of supporting piles. Then calculate the displacement in the limit state by elastic 2fulcrum method and the instantaneous displacement by layer-wise
4、summation method. The total displacement can be calculated by the combination of the two displacements above, which is between 7.7mm and 19.75mm and close to the measured data. Thus the theory of the calculation method to this supporting model is obtained, offering a reference for the similar projec
5、ts. Keywords：Latticed soil nailing support；stability；soil nailing；elastic fulcrum method；layer-wise summation method 中图分类号：TU74 一、工程概述 航空工业信息中心科研办公楼位于北京市朝阳区，东临惠新西街，南临北土城路，西临原北关小学，北临惠新西街 33 号航空工业信息中心家属院。基坑东坡支护段毗邻地铁十号线惠新西街南口站出入口、地铁风道、冷却塔结构，对基坑支护控制变形的要求较高。该坡段基坑上部6.5m 采用格构式土钉复合支护，施工现场及支护剖面与立面模型如图13 所示。
6、图 1 格构式土钉复合支护施工现场 图 2 格构式土钉复合支护剖面模型 图 3 格构式土钉复合支护立面模型 3工程勘察揭露深度（30.0 米）范围内地层，表层为人工填土，其下为一般第四纪冲洪积成因的粘性土、粉土及砂类土。地下水类型为潜水。静止水位埋深 3.5m6.8m，本工程按规定，属于经济不合理情况，故通过管井围降的方式将基坑内地下水位降至槽底 0.5m 以下。各土层地质参数如表 1： 表 1 地层主要物理参数 二、计算机模型分析与基坑稳定性验证 由于基坑紧邻地铁，为保障地铁风道后续施工，将护坡桩上部截断。截断部分基坑常规支护受到限制，故采用了格构式土钉复合支护。而这种支护形式尚没有理论支持
7、，本文以土力学及规范为理论基础，考虑到施工过程中支护类似土钉墙形式，故采用土钉墙理论验算其稳定性。在格构土钉施工结束即成桩后，土的固结尚未完成，支护结构会继续发生变形。因此，借鉴支护桩的破坏理论，验算在此形式下格构式土钉复合支护的强度。同时，格构框架的暗柱，入土深度较浅，有可能发生类似挡土墙形式的破坏，有必要对此进行分析。因此，需要对格构式土钉支护按土钉墙模式破坏、挡土墙模式破坏及支护桩模式破坏，分别验算格其在这三种模式下的强度。并把坑壁最终位移分为瞬时位移和极限状态下的位移。以分层总和法计算瞬时位移，以弹性支点法计算极限状态下4的位移，两者结合得到计算格构式土钉复合支护基坑的位移。根据现场监
8、测的位移数据，分析理论计算结果的合理性。 1.强度验算 （1）土钉墙强度验算 本基坑工程中，在格构框架未形成前，支护体系等效于土钉墙支护。需按照土钉墙的设计要求进行强度分析。其中包括校核土钉墙的内部稳定性和外部稳定性。由于土钉只有 2.5m，不对其进行抗拉验算。根据土钉施工要求，采用以下五个工况对土钉墙稳定性进行分析，如图 4 所示。图 4 基坑开挖工况 内部稳定性分析 考虑到墙后土体厚度为 2.5m，假设滑裂面与水平夹角为。内部稳定安全系数 F 应满足： （1） 式中：W，Q 为滑动楔体的自重与地面超载合力；c 为土体粘聚力；为土层内摩擦角；为土钉倾角；H 为土钉墙高度；为第 i 排土钉的拉
9、力（钉土粘结力与滑裂面后土钉长度乘积，即） 。 5外部稳定性验算 抗滑稳定性系数应满足 （2） 式中：b 为计算宽度（m） ；为主动土压力水平分量（kN） ，偏于安全考虑，采用半无限体下，朗金主动土压力理论5计算。 (3) (4) 抗倾覆稳定系数应满足： (5) 式中：H 为各工况下开挖深度。 土钉墙稳定系数结果如表 2 所示： 表 2 土钉墙稳定系数 结果表明，将本工程中格构式土钉复合支护形式的基坑按照土钉墙模型进行强度计算，土体内部和外部稳定系数均满足要求。 （2）档土墙强度验算 格构框架施工完成后，由于土钉作用，墙后土体构成一个整体。由于格构框架入土较浅，将支护结构视为挡土墙。由库伦土压
10、力理论，假设填土为散粒体，分析土体处于极限平衡状态时的土压力。分别验算挡土墙抗滑能力与抗倾能力。如图 5： 6图 5 墙后土体受力图 挡土墙抗滑稳定性分析 (6) 式中：G 为挡土墙自重（KN/m） ；为挡墙底部与土的摩擦系数，此处取 0.35。 挡土墙抗倾稳定性分析 (7) 式中：x 为挡墙中心离墙趾水平距离，此处取 0.05m；z 为土压力作用点到墙底部的竖直距离。 经计算=1.3981.3，=1.81.6 即挡土墙稳定性符合要求。 （3）支护桩强度验算 支护格构框架完成后，考虑到土体回弹尚未结束，按支护桩模型对格构土钉复合支护进行强度校核。采用弹性支点法计算桩体内力强度。本工程由于施工需
11、要，采用管井围降方式将地下水降至坑底 0.5m 以下。因此，计算土压力时可不考虑地下水作用。同时，工程基坑紧邻地铁风道，墙后土体宽度为 2.5m，并非半无限土体，不能按规范方法计算主动土压力。对于有限宽度的土体，可以将墙后土体视为整体，利用静力平衡法求得主动土压力。忽略桩土及风道与土的摩擦力，分析土体沿滑裂面的平衡，如图 6 所示： 图 6 桩后土体块受力图 7将力投影到滑裂面上，得到，即在假设滑裂面处，抗滑力大于土体下滑力。因此，土体是自稳的，主动土压力近似为零。结合挡土墙与土钉墙强度校核结果，在此基坑工程中，强度是满足要求的，支护材料可按构造进行配置。 2.位移计算 随着基坑开挖的进行，坑
12、壁内侧静止土压力逐渐消失，坑壁外侧的静止土压力因坑壁前移而减小。随着坑壁位移的增大，土压力将逐渐降低，直到土体达到极限平衡状态，即土压力达等于主动土压力。假设基坑开挖结束时，极限状态下的位移为 S1，静止土压力释放而引起基坑的位移为 S2，基坑壁的实际变形则位于 S2 到 S1+S2 之间。本文采用弹性支点法计算作用下的基坑壁位移 S1，用地基沉降分层总和法计算瞬时位移S2。 （1）弹性支点罚计算极限状态下的位移 采用弹性支点法计算极限状态下桩的位移时，由于暗柱入土深度较浅，会产生转动，可将零压力点近似为反弯点。以反弯点为分界布置土弹簧，如图 7 所示： 图 7 弹性支点法模型示意图 无试验或
13、缺少当地经验时土体水平抗力系数的比例系数根据规范选取： (8) 式中：为第 i 层土的固结不排水快剪内摩擦角标准值（） ；为第 i 层8土的固结不排水快剪粘聚力标准值（Kpa） ；为基坑底面处位移量，按地区经验取值，无经验时可取 10mm。 支护桩底部土体受到前后位移限制，水平抗力系数会明显增加。假设桩体受极限状态下的主动土压力，桩底位移很小。根据弹性支点法模型，利用杆系有限元法，计算得到桩顶位移为 12.05mm。 （2）分层总合法计算瞬时位移 随着工程开挖，土体会有一定的回弹值，假设土体回弹值和压缩值相等。根据地基沉降计算理论，采用分层总和法分析附加应力下的土体变形。随着土体进一步开挖，静
14、止土压力不断释放。附加应力即 静止土压力计算 (9) (10) 按规范要求，将基坑壁外侧 2.5m 的土体分为四层，分别计算每一层的位移，进行叠加。 (11) 式中：为每层位移量（mm） ，为土体变形模量（Mpa） ，此处应采用回弹模量，受试验条件所限，考虑到土体顶部无侧限，计算土体压缩时，采用变形模量代替压缩模量，即：；为每层土体所受附加应力（kpa） ，根据附加应力系数求得；为每层土体的厚度（m） 。 由于土钉作用，土体强度增大，等效计算出土钉墙的变形模量。基坑设置土钉部分（2.5m 以下）的位移会得到控制。计算结果如下： 9表 3 分层总和法计算坑壁位移 由于施工过程中，格构框架分步完成
15、，土体受格构影响变形具有连续性。每开挖一步，土体会发生一定量的回弹，土体之间是相互制约的。因此，需对分层综合计算的位移进行修正。可沿步长视为具有不同位移的块体，将位移均布到整个坑壁上。得到基坑顶部的位移为 7.7mm。 3.计算结果 由以上计算可知，采用土钉墙理论验算格构式土钉复合支护的内部和外部稳定性，均符合要求。将格构框架施工完毕后的支护按照挡土墙、支护桩破坏模型进行稳定性验算，均得出格构式土钉复合支护结构稳定性符合要求。因此，此支护形式是安全的。采用极限状态下的土压力计算得到桩顶位移为 12.05mm，与瞬时桩顶位移叠加，即总位移为19.75mm。可以估算实际位移应介于 7.7mm 到
16、19.75mm 之间。目前监测坡顶水平位移约为 15mm，与计算结果较为吻合。 三、小结 1.通过计算表明，在土钉墙模式下，内部稳定性系数、抗倾、抗滑稳定系数均符合要求；挡土墙模式下，抗倾覆、抗滑稳定性也符合规范；支护桩模型下，由于主动土压力为零，不必进行校核。这些与实际工程情况相吻合。 2.通过将分层总和法计算瞬时位移，弹性支点法计算极限状态下的位移相结合的方法，得到坑壁顶部位移位于 7.7mm 到 19.75mm 之间，与10实际位移 15mm 较吻合。 3.针对本工程基坑采用的格构式土钉复合支护提出的计算方法理论，仅作为一种施工设计的估算方法。在以后的工作中，需进一步采用有限单元法进行数值模拟，与文中所提出的方法相结合，进而探索和完善针对格构式复合土钉支护形式的具体计算理论。 参考文献： 1赵明华. 土力学与基础工程M. 武汉：武汉理工大学出版社， 2中国建筑科学研究院. JHJ120-99 建筑基坑支护技术规程S. 北京：中国建筑工业出版社， 3中华人民共和国建设部. GB50007-2002 筑地基基础设计规范S. 北京：中国建筑工业出版社
