基于土拱作用的土钉支护研究

【摘要】：目前在土钉支护工程实践中存在着理论落后于实践的局面，土钉支护设计受到难以选择正确的土工参数模型、缺乏对土钉支护机理准确的了解和经验的约束，正确的土钉支护机理、破坏模式和土压力的研究成为土钉支护实践中急待解决的难题。由于缺乏对土钉支护机理的正确认识，许多测试资料不能加以合理利用和提炼，本文通过理论分析和实例分析对这些问题进行了系统的研究。 目前土钉支护机理主要建立在锚固和加筋机制基础之上，认为土钉加筋提高了土体强度和稳定性。然而测试结果表明，土钉的设置减小了边壁土体中的垂直应力，因而土体自稳性和承载能力得以提高，并非是提高了土体的强度。针对这一现象，本文认为土钉的设置在土体中形成了土拱作用，这种作用可以用太沙基应力传递理论来描述，正是由于应力的传递减小了土体所受的垂直应力，提高了土体自稳性及承载能力。 本文运用土拱理论对土钉支护传统的外部稳定性分析进行了修正，对土钉最大水平间距和土钉支护最大开挖高度进行了研究，提出了计算方法和公式，实例分析表明这些方法和公式具有实用性，比传统方法更加合理。 破坏模式正确与否关系到土压力研究和土钉支护设计的准确程度。传统的破坏模式没有考虑土钉设置对破裂面产生的影响，在确定破裂面时，本文提出了“应力偏转”机制；当边壁存在刚性硬层时，提出了“虚拟被动状态”机制。对目前使用的对数螺旋滑移面进行了修正，实例分析表明，本文修正模式准确程度大大提高，不需经过大量试算。在修正对数螺旋模式基础之上，本文提出了拉裂一滑移机制和折线破裂面，折线破裂面具有简单实用，准确程度高等特点，也可直接用于土钉支护土压力研究和设计。 基于土拱原理，在上述各种机制和折线破裂面基础之上，本文提出了土钉支护土钉土压力计算公式，实例分析表明，本文计算结果在土压力大小和分布等方面都与测试结果相吻合。 在全长粘结式锚杆拉力分布模型基础之上，结合本文的土钉土压力计算方法，本文对面层土压力机理进行了系统详细的研究，提出了面层局部土压力、面层土压力及土钉最大拉力的计算公式和分布模型，理论分析和实例分析表明，本文提出的轴力分布模型和面层土压力机理是合理的，解决了面层土压力取值标准问题，为面层设计提供了定量的依据，土钉最大拉力可直接用于钉长度 设计。 土钉支护机理研究是土钉支护研究和设计的基础，本文提出了基于土拱原 理的土钉支护主动制约机制，相比传统的基于加筋提高强度的主动制约机制， 本文的机制更加合理，也符合测试结果，为土钉支护研究和设计打下了坚实的 理论基础。 针对某软土基坑土钉支护计算表明，本文提出的土压力计算方法可直接用 于土钉支护设计。