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土钉(soil nailing)支护技术是70年代发展起来的一种用于土体开挖和边坡支护的一种新的挡土支护技术。该方法是先以一定倾角成孔,然后将钢筋置入孔内,在孔内注浆形成土钉体,随后在坡面挂钢筋网,并与土钉连接,最后在坡面喷射混凝土。土钉体与周围的土体紧密结合,并依靠接触界面上的粘结力或摩擦力,与周围的土体形成复合土体,通过提高土体的力学强度及土体在变形时土钉提供给土体的抗拔力达到支护目的。这样的结构类似于加筋土挡土墙,因此常称由加固土体、土钉、面层所组成的结构为土钉墙。
本文首先对土钉墙工作机理和工作性能分析研究。通过分析当前土钉支护的抗拔试验和直剪试验,阐明了土钉通过在复合土体中的箍束骨架作用、分担作用、应力传递与扩散作用和坡面变形的约束作用实现边坡的加固与稳定。然后论述土钉支护的工作性能,分析土钉墙的两种基本破坏形式:体内破坏和体外破坏。两种破坏形式各自又有多种破坏形态。对具体问题应具体分析,而不能简单套用基本破坏形式的分析方法;针对不同的破坏形式,要进行相应的稳定性分析。本文介绍了内部稳定性分析的两种方法:王步云法和规范法,以及外部稳定分析的计算方法。
以中石油物资武汉公司综合楼基坑工程为例,利用岩土工程软件FIAC2D5.0模拟了基坑开挖、支护的全过程,分析讨论了土钉墙支护结构的支护机理、基坑土体的变形规律。并且对支护结构进行稳定性分析计算。通过模拟、计算结果与监测结果比较分析,最后得出了以下结论:
(1)土钉墙支护形式下,基坑侧壁土体最大水平位移量约为7.548cm,发生在距离基坑坡项约2.5m处,约基坑开挖深度的8.78‰,符合规范要求;沿基坑深度方向水平位移值变小,但在基坑坡脚处水平位移有增大趋势,说明在坡脚处存在剪应力集中现象,基坑坡面土体的水平位移随着开挖深度的增加而增加,且位移的增加速率也是随开挖深度而递增的。
(2)基坑开挖后,基底有明显的卸荷回弹现象,随离开基坑坡面的距离增大,地面回弹量也增大,当距基坑坡面一定距离后,回弹趋于稳定。
(3)地表沉降量随着距基坑边壁的距离增大逐渐减小,当到达一定的距离之后,沉降量就接近为零,而在靠近基坑附近出现最大值。
(4)每一层的土钉轴力在支护后的下一级开挖中轴力基本上达到最大值,但随着开挖深度的增加土钉所承担的轴力逐渐减少。这说明土钉是通过土体的变形后受力在支护结构中发挥作用的,且每层土钉支护的作用效果随着开挖深度的增加而逐渐减弱。
(5)土钉轴力沿土钉长度方向上显示先增加至最大值后逐渐减小,即在土钉中间部位轴力达到最大值。这说明土钉产生锚固效应的作用段位于土钉的中后部,从而进一步揭示了土钉支护的作用机理,即在土钉中后部形成锁骨段牵制前部土体的变形。
(6)第二排土钉受力较大,第三、四排土钉受力次之,第一排以及第五排土钉受力较小。这与基坑土层分布情况有较为密切的关系,由于第一层土钉位于抗剪强度较低的填土内部,所能提供的锚固力有限,这与基坑土层分布情况较为一致。
(7)对比结果表明模拟的结果都比实际监测的数值要大一些。这是因为模拟过程中选取的参数与实际工程中的各项参数指标是存在差异的,同时软件模拟也有自身的局限性,出现可以接受的误差是允许的。因此在实际工程中还是应该以监测数据为主要依据。
(8)土钉支护结构中土钉轴力计算值与模拟值相差不大,在总体上来看,计算值均比模拟值要大。