圆弧滑动条分法应用于土钉支护稳定性设计的探讨

圆弧滑动条分法应用于土钉支护稳定性的探讨 12 乔 明 段德泉 (1九江赣北公路勘察设计院 332000) (1江西赣北公路工程有限公司 332000) 摘 要:本文针对圆弧滑动条分法在数学力学上的缺陷论述了由此造成的对工程设计施工的潜 在危害～提出基于次生应力分布下的土钉支护设计施工中应注意的问题～并对土钉支护稳定性 研究进行了展望。 关键词:道路工程,深基坑,边坡稳定,条分法,土钉支护 0 前 言 P，cltan,iiiiT, (1) i 土钉支护是近年来发展起来用于土体开挖和边FS 坡稳定的一种新型挡土结构，具有经济、施工快速 F,c其中为安全系数，、为圆弧滑移面处土的Sii简便、施工现场文明和适用于多种地质条件等优点， 内摩擦角和粘聚力，从而由第1条土块的边界条件已在我国得到迅速推广和应用，且趋向大规模工程。 依次推出各土条的内力。 中国人民解放军89002部队自1992年以来完成的基 1.2 圆弧滑动条分法的根本缺陷 坑土钉支护项目已达500项;北京庄胜广场深基坑 对n个刚性土块，条块间各界面上的未知量共支护的两个对边长度分别达到了130m和270m，深 [1]为3(n-1)个，滑移面上的未知量为3n个，加上安全13~16.5m。在土钉支护设计和边坡稳定性分析中， F系数，总共有6n-2个未知量，而(1)式只提供了现有的设计完全是以条分法理论为基础，与国外比S 4n个平衡方程，故问题是超静定的，还需给出2n-2较，设计计算方法较为粗糙，施工技术水平不高， 个方程。当条块宽度较小时可以认为滑移面上的法还缺乏对土钉支护技术的深入的系统研究。本文针 向力P作用于该条块滑移面的中点，这样待求未知对土钉整体稳定性分析所采用的条分法在数学和力 量仍比所能建立的方程多n-2个。 学理论上的缺陷来论述该方法对工程的危害，并提 为了求解，必须作出其他假定: 出措施来补充由于该方法所导致设计施工上的不足 和对土钉墙设计未来正确发展的展望。 1、假定土条左右面的剪力互相抵消，如瑞典法、 [2]Bishop法等; 1圆弧滑动条分法的缺陷 2、假定条块间作用力的方向或条分面上剪力和1.1 圆弧滑动条分法 水平推力的比值为已知函数，如Morgenstern和将圆弧滑动法应用于,,0的粘性土，滑动土体竖[3]Price提出的方法; 直分成若干刚性土条，取土条abcd分析，如图(1)所3、假定推力线的位置，如Janbu在文献[4]中示。取第i个土条分析，其中W为土条自重，E、S给出的方法。 为条块间法向力和切向力，h为E到滑移面的距离， P、T为滑移面上的法向力和切向摩阻力，x为P作 用点离土条左边的距离，为该土条对应的圆弧段长l 度。由静力平衡原理 nnn F,0F,0M,0 ,,,xiyiii,1i,1i,1 在第(1)类假定中，实际是令E=0和S=0，缺乏客观8 时不考虑土条侧边力和土钉的影响，土钉支护内部性，在这里无法从数学上证明条块间的相互作用对 稳定性安全系数为: 土坡的稳定性是可以忽略的，即使当E?0和S?0， 也不能证明当E=0和S=0时方程组(1)不产生变异 或病态解，所以假设极可能导致所得的解完全不是 (2)图1 条分法计算模型单元 方程(1)的。第(2)(3)类假定强令某些量等于某个W式中::第i分条土重 i 具体常数，无理论证明和工程实践证据。各力在平Q:地面超载 i 衡状态时，构成一个闭合力的多边形，如图1(c)所,:第i分条滑裂面处中点切线与水平面夹角 i 示，各参量的假设值和其真值之间的误差值将使力,:土体内摩擦角 j 多边形无法闭合，处于静止平衡的条块abcd却因为:土体粘聚力 Cj 力矩无法平衡而在平面中旋转起来，这种情况下方,:第i分条宽度 i 程(1)得出的内力解也同样不能反映图1的平衡真S:土钉水平间距 hk[5,6]解。还有许多学者提出了一些更细的改进方法，,:土钉与切向的夹角 k 但都是在假定多余未知函数的基础上利用库伦屈服R:土钉在圆弧面外锚固体与土体的极限抗拉力 k 准则和力的平衡条件来进行求解的。而从固体力学上式只是在一般素土土坡的稳定性计算公式中迭加观点出发，求解上述超静定问题的根本方法是引入了土钉对滑移面上抗剪能力的贡献(和Rcos,变形协调条件和土体的本构关系，这也正是现在使)。由(2)式或其他方法如简化的Rcos,,tan, 用的条分法理论上的根本缺陷所在。 Bishop法、对数螺旋曲线滑移面法等得出的总安全2 土钉支护稳定性设计 F系数值，由于忽略了每一土条侧边上的内力影S 土钉支护的整体稳定性分析是评价支护结构是响，一般偏于保守。对于假定多余未知函数的条分否正常工作的一个重要方面，在土钉的设计中具有法必须使得在垂直面上的应力分布不应破坏屈服条极其重要的地位。现有设计中通常把土坡的稳定性件并且保证土条接触面上不产生拉应力，这样得到分析方法中的圆弧滑动条分法引入土钉支护的研究的解才满足合理性要求。但是对于按照什么规律来计算中来，同时把土钉的作用考虑进去。前面已说选择、调整多余未知函数，使得求出的解满足合理明条分法在理论上的缺陷，这些缺陷必然会在稳定性条件的问题，至今还没有很好地解决。而且采用性设计中有所反映: [7]各种方法计算出的安全系数差别不大，同简化2.1支护结构的滑移 Bishop法相比，差别在7%内。 支护结构的滑移的确沿某一滑移面运动，但这仅 2.3 优势滑移控制面 是最终结果的外在现象，而基坑支护失稳滑移的内 基坑优势滑移线随基坑下挖而转移，在不同开在原因在于基坑边坡开挖过程中产生的次生应力 挖深度上具有不同的优势滑移线，利用条分法进行场。对于土钉支护设计来讲，目的是要使土钉足以 优化设计得到的优势滑移控制面值得怀疑，因为这稳定基坑边坡的运动，而条分法过多的考虑滑移面 种做法必须以分析理论的正确为前提。施工过程对的位置和形状，且其忽略了开挖过程中和开挖后土[8]支护性能有显著影响，而对在原位土中从上到下分体内最终次生应力场的分布和土的本构关系，这正 步修建的土钉支护和从下到上用填土分步修建的加是土钉支护的设计根本所在。所以现有土钉支护设 筋土支护，用圆弧滑动条分法分析稳定性时两者没计无法正确认识土钉支护对边坡稳定性的真正作 有区别。这是因为支护失稳过程中土体滑移面上的用，由土钉所产生的次生应力场对边坡失稳趋势的 各个土钉不一定象假定的那样能够同时达到各自的次生应力场的影响也无法作出正确判断。 最大抗力。而且土钉的作用使滑移面后移，圆弧滑2.2 安全系数 动条分法也没有加以考虑。 由于对土体强度指标而言，较难准确应用概率 2.4 土条孔隙水压力 统计方法，我国在土坡稳定以及锚杆支护设计中仍 当支护内存在地下水时，必须提供沿滑移面的沿用总安全系数设计方法。按圆弧滑动条分法，计 孔隙水压力以作为说明支护结构稳定问题的部分数算时将土钉和土条分开考虑，分析土条所受作用力 据。在瑞典法中，土条孔隙水压力是从简单的物理 9 假定中估算出来的。在Bishop法和Janbu法中，用在基坑上部的土体往往是填土，而且经常有各种于估算土条孔隙水压力的假定不能用简单的物理术形式的超载存在，所以这一部分的土钉应加密，水语来解释。没有任何一种估算的土条孔隙水压力的平间距最好在1.2m以下，土钉长度应确定为最长。分布接近于实际分布。除了瑞典法之外，实际的孔这一原则与条分法所得结果一样，但依据的原理不隙水压力值与假定值之差增大了滑动面上的平均法同。土钉加密是为了使松散性质的填土强度得以提向压力值。该值增大了滑动面上可发挥的剪切力，高，从而提高填土承受基坑超载的能力，起到加固因此安全系数的计算值增大。条分法计算的发展，作用。土钉的加长是为了提高土钉支护的抗倾覆能迄今还没有正确考虑会导致百分之几十误差的渗流力和减少支护结构水平位移。风机房工程中基坑上场问题。 部土钉长度不够和间距过大是结构产生较大位移的 重要原因。 3土钉支护设计中对条分法缺陷的校3.2 土层参数差别大时的土钉长度 正 土层参数差别较大时，必须考虑土层的分布情 某矿山扇风机房基坑开挖深度达9.5m(原地面况，上述工程中取其平均值设计是不合理的，造成标高为+4.000m)，基坑平面尺寸为32m×25m，采用土质软弱层出现裂缝。对于土质特别差如淤泥质粉土钉支护。场地土的物理力学指标见表1。其中东区质粘土，土钉与土体间摩阻力太小，土钉不能提供为紧邻厂区道路侧，卸载3.5m，采用1:1放坡，土有效的抗拉力，应将士钉视作锚杆，加长土钉长度，钉支护上表面高程为0.500m，在此高程做6m宽平台，同时加大角度，充分利用下层土的摩阻力来提供抗以下为1:0.5坡度的土钉支护，支护深6.0m。第一~拨力。 四层土钉长度均为9m，第五层为7m，水平垂直间距3.3基坑下部土钉长度 均为1.6m，倾角10?。根据圆弧滑动条分法进行基在基坑下部，按照条分法的滑移线，该处土钉长坑开挖阶段的整体稳定性验算，整体稳定性系数为度应最短，但是基坑开挖的过程实际是土体应力逐1.44，满足的要求。基坑6月11日开始施工东渐释放的过程，在基坑底部由槽底和边坡形成的坡侧土钉，28日东侧基坑侧壁与上表面出现大小不一角恰好是应力集中区，应力出现峰值，从而可能造的水平和斜裂缝，测得最大位移为41.7mm，位移速成该处土体进入塑性状态，使其强度降低，而且越率为4.8mm,d，超过设计的40mm最大位移的警戒值。接近基坑底部，土体受上部压力也越大，土体越密本文就此工程实践，结合上文分析，指出土钉支护实，开挖造成的次生应力也越大，从而导致边坡潜设计和施工中应注意的问题。 在滑移面上的剪应力越大，临近破坏时土钉应力急 表1 场地土的物理力学指标 剧增加。所以土钉的长度要穿过由于开挖造成的应固结 锚固力集中区，不能过短且要尽可能加密土钉。 土层 快剪强度指标 体与层底 重度 土体土层 土层厚3.4深基坑中的土钉长度 编 高 的极 名称 度(m), c3号(kN/m ) 限摩程(kPa) (度) 在深基坑工程中降水是土钉支护成功的最大保 (m) 阻力(kPa) 证，如果基坑降水不理想，就会在基坑坡角内聚集?素填土+1.5 2.5 19.220 10 22 有地下水，这将是土钉支护的最大隐患，设计时应?淤泥质粉质-2.5 4.0 17.1 6.8 16.5 18 粘土 引起足够重视。这就要求在满足稳定性验算的基础?4.7 17.8 18.5 18 30 粉质粘土 -7.2 上，对基坑下部的土钉还要有构造要求，通过土钉?粉质粘土 -9.52.317.7 8.5 25.6 30 使边坡与未被扰动的槽底相互连接。风机房工程基 ?淤泥质粉质-10.8 1.3 18.114.1 20.5 20 坑设计没有充分考虑地下水作用，下部土钉没有加 粘土 ?粘土 -13.3 2.518.4 40.0 25.5 60 强，直接导致险情发生。而且对于土的力学性能参 ,数c、值，当有地下水作用或工程降水后短期内土钉支护设计参数包括土钉间距、长度、倾角 未能充分固结时应取直接快剪或三轴不固结不排水和坡面倾角，文献[9]研究了上述参数对稳定性安全 剪峰值强度指标，而不是上述工程中采用的固结快系数的影响。基于此和对基坑边坡开挖次生应力场 剪强度指标。 的认识及现场实践，提出如下设计原则对条分法的 3.5 密集土钉层板作用 计算结果进行校正: 现有的设计方法都是基于平面应变假设，仅能3.1基坑上部土钉长度 10 描述土钉墙横向剖面效应，无法描述土钉墙纵向连 接的效应，所以土钉水平加密的效果在计算中无法 反映，设计者只能靠经验来判断。单个土钉是不能 抗弯和抗剪，但孤立的看待土钉的作用是不全面的， o 实际上将土钉间距减小，密集的土钉层板呈15插入 边坡内，构成系统，对基坑边的超载或建筑物有关 键性的保护作用，尤其对边坡向坑内的运动，有较 强的约束作用。 由于圆弧滑动条分法的缺陷，设计中应同时采 用不同思路的计算方法对支护进行验算，如应用重 不可或缺的。计算机在工程设计中的普遍应用和具力挡土墙极限平衡分析方法或根据经验直接给出土 备一定理论素养的高素质人才进入到工程界让我们钉支护内部的侧向土压力等。土钉技术的一个关键看到土钉支护设计和施工光辉的前景。 的优点是信息化施工，可以根据现场开挖发现的土 质情况和现场监测的支护位移、地表开裂状态、附 参考文献: 近建筑物和重要管线等设施的变形、基坑渗漏水和[1]陈肇元,崔京浩. 土钉支护在基坑工程中的应用[M]. 中基坑内外的地下水位变化等数据，及时修改土钉的国建筑工业出版社, 2000.12 设计参数和采取加固措施，特别是施工时有变更情[2]Bishop A W. The Use of the Slip Circle in the Stability Analysis of Slopes[J]. Geotechnique, 1995.5:7~17 况。风机房工程东侧基坑设计时，先将地基土开挖[3]Morgenstern N R, Price V E. The Analysis of the Stability 到0.500m，做大平台后再进行基坑支护，但施工过of Generalised Slip Surfaces[J]. Geotechnique, 程中受场地限制，该大平台未能实现。部分软弱土1965.15:79~93 [4]Janbu N. Slope Stability Computations[J]. Embankment 层(?层)一次性开挖面过大，施工中土钉未及时 Dam Engineering, Casagrand Volume, 1973:47~86 跟上，导致基坑位移增大。 [5]Chen Z Y, Morgenstern N R. Extensions to the Generalized Methed of Slices for Stability Analysis[J]. Canadia 4 土钉支护稳定性研究的展望 Geotechnical Journal, 1980.20:104~119 综上，传统条分法是存在明显缺陷的，关键要解[6]贺可强等. 运用遗传算法求解土钉支护结构的整体稳定决土的本构关系及土钉和土体间的变形协调条件。性系数[J]. 岩土力学,2003.24(3):355~358 [7]Freollund D J, Krahn J. Comparison of Slope Stability 我们必须将注意力转移到对松散介质力学方向的研Methods of Analysis[J]. Canadia Geotechnical Journal, 究上，任何计算方法都不能脱离坚实的基础理论; 1973.20(3) 尽可能的将有限元方法引入到土钉支护设计中，充 [8]曾宪明等. 土钉支护设计与施工手册[M]. 中国建筑工 业出版社, 2000.8 分应用岩土介质的非线性力学;岩土工程模糊性、 [9]张明聚等. 土钉支护设计的修正条分法[J]. 工程勘察, 不确定性、随机性的性质决定了工程实践经验仍是 1997.6:1~5 (上接第7页) 62.5%;与单幅桥相比，工期可缩短10倍，费用 表3 压板静载试验汇总表 可节约250%。可见，爆破挤淤具有很好的经济效益。 工程名称: 试验 3# 爆破挤淤K104+250-+525 点号: 测试日期:2003.02.22 压板面积:0.25m2 8 结 语 置换率:1.000 历时(min) 沉降(mm) 荷 载 序 号 综合以上可以看出，爆破挤淤法用于处理特(kpa) 本级 累计本级 累计 0 0 0 0 0.00 0.00 殊条件的软土地基，具有多方面的优势，其施工工艺1 76120 1200.51 0.51 2 152120 240 0.56 1.07 3 228 120 360和加固效果完全可以满足要求，并为其他类似工程所0.43 1.50 4 304 120 4800.59 2.09 5 380 120600 0.70 2.79 借鉴，是一种极具发展潜力值得推广的陆上软基处理6 456120 720 0.86 3.65 7532 120 8401.39 5.04 新形式。 8 608 150 990 1.88 6.92 9 684150 1140 2.69 9.61 就目前的技术水平和施工条件，同时结合本工程 10 760150 1290 5.26 14.87 11608 601350 -0.17 14.70 实践中遇到的具体问题，爆破挤淤技术尚无完善的理12 456 60 1410 -0.42 14.28 13 304 60 1470 -0.31 1.3.97 论、施工、设备、质量检测，希望本文能对类似14 152 60 1530-0.12 13.85 15 0 60 1590 -0.81 13.04 工程起个抛砖引玉的作用，以期同仁对本技术继续研 11 最大沉降量:14.87mm 最大回弹量:1.83mm 回弹率:12.31% 究完善。 挖淤换填砂砾，设计经研究后又提出单幅桥方案，具 体经济效益对比见表4: 表4 爆破挤淤法经济效益分析 参考文献: 12