复合土钉墙的变形分析

摘要:探讨、分析了复合土钉墙的水平变形,认为复合土钉墙变形与土钉墙变形是有很大不同的,前者最大位移在基坑中部偏下,后者最大位移则在墙顶。由实测和理论分析表明复合土钉墙的变形是由剪切变形、弯曲变形以及墙底基底以下土体变形组成。

Abstract:Text disscus and analyse the deformation of composite soil nailed wall,the deformation cure of composite soil nailed wall is different with the deformation cure of soil nailed wall,the former's maximal deformation is in the top of excavation and the latter's maximal deformation is around the mid of excavation.The analysis and the spot measure data prove the deformation of composite soil nailed wall include shear deformation,bend deformation and total deformation of soil.

关键词:土钉墙;复合土钉墙;弯曲变形;剪切变形;整体变形

Key words: soil neiled wall;composite soil nailed wall;bend deformation;cut deformation;entire deformation

中图分类号:TU20 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)01-0200-02

0前沿

随着经济建设的发展,深基坑工程越来越多。复合土钉墙作为一种主动支护形式,目前有关它的作用机理的研究资料很少,对它的变形研究就更少,目前只是得出一些定性的结论,而没有给出位移的具体计算方法或公式。在目前基坑规范中对于土钉墙的设计,也只是给出了土钉墙的强度和稳定的计算公式,并未给出变形的具体计算公式。现分析了复合土钉墙的水平变形特性以及它与土钉墙水平变形的不同,讨论复合土钉墙水平位移的组成及其计算公式。

1土钉墙和复合土钉墙的变形特性

近20年来,土钉加固已用于各种土木工程项目。这项技术是基于岩石锚固和新奥法的原理发展起来的,而复合土钉墙则是在土钉墙的基础上演变而来的。由大量的实测数据表明,土钉墙的水平变形由土钉“挡墙”的剪切变形、弯曲变形以及墙体基底以下的土体变形所引起的(图1)。

剪切变形+弯曲变形+土体整体变形=墙体变形

图1土钉墙的总体变形与分项变形

复合土钉墙相对于土钉墙,它只是在结构上增加了数排的水泥搅拌桩(超前支护),水泥搅拌桩的设置并不能改变整个复合土钉墙的位移组成,仍是由剪切变形、弯曲变形和墙体整体变形(土体变形)组成,只是由于墙前设置水泥搅拌桩因此减小了墙体的绝对位移以及改变墙体的位移分布曲线,使得复合土钉墙的最大位移不再是在墙顶处,从图2中可以看出土钉墙的位移最大值一般在墙顶,而复合土钉墙的最大位移一般在基坑中部处。

2复合土钉墙各组成部分位移的计算

2.1 搅拌桩的剪切变形和弯曲变形计算

搅拌桩的剪切变形和弯曲变形计算是将搅拌桩模型简化为多跨连续梁,土钉简化为弹簧支座,简化计算模型如图3。土钉的等效弹簧刚度按下式计算:

K=(1)

AS――土钉面积;ES――土钉弹性模量;EC――注浆体弹性模量;AC――注浆体截面面积;Lf――土钉自由段长度;La――土钉锚固段长度;θ――土钉与水平夹角。

基坑底以下土体采用弹簧模拟,计算公式为:

K==(2)

土钉墙的变形曲线复合土钉墙变形曲线

图2土钉墙与复合土钉墙变形曲线的不同

w――是与有关的形状系数;d――土体分层的厚度;

图3复合土钉墙剪切变形简化计算模型

搅拌桩所受的侧向土压力p0按下式计算:

p1=p01+pq(3)

p01=0.7(0.5+p10.7p1)(4)

式中 s为土钉水平间距,p1为土钉长度中点所处深度位置上由支护土体自重引起的侧压力, pq为地表超载引起的侧压力,根据图4计算。

图中自重引起的侧压力峰值pm:

对于0.05的砂土和粉土:

pm=0.55kaγH(5)

对于0.05的一般粘性土:

pm=ka(1-γH0.5kaγH)(6)

侧压p1侧压p2

图4侧土压力的分布

对于图3所示的搅拌桩简化计算模型,采用能量法,考虑到搅拌桩的轴力主要为自身重量,并且变形是在开挖之前发生的而不是由于卸土产生的,因此只计算搅拌桩的弯曲能和剪切能,计算公式为:U=dx+kdx(7)

通过第二能量法联立以下公式计算得到各弹簧支座(土钉、土体)反力, 从而求得搅拌桩的内力(弯距和剪力)从而利用图乘法求得搅拌桩的变形。

δ1==,δ2==,δ3==,δn==(8)

2.2 复合土钉墙整体变形(土体变形)

计算复合土钉墙和加固土体组成的墙体,首先假设墙体刚度为无限大,采用刚性桩在横向荷载作用下的受力模型进行水平位移计算。

对于横向受荷桩,单荷载小于或等于横向极限承载力的1/2时,由于土体尚未出现局部屈服,故可假设地基为文克勒地基,把桩侧受力的地基土用一个个单独作用的弹簧来模拟,弹簧之间互不影响,当某一弹簧受力时,仅此弹簧有与力成比例的位移,可以表示为:P=K(z)y(9)

式中 K(z)为地基土水平抗力系数(kN/m3);y为水平位移值(m)。引用m法,地基土水平抗力系数随深度线性增加,即:

K=mz(10)

主动侧土压力由朗肯土压力理论求得,开挖面以上为三角形分布,开挖面以下为矩形分布(如图5)。被动侧由于结构位移产生的抗力另计。

图5 复合土钉墙主动土压力分布简图

计算时,沿开挖面A-截面把墙身截开,取A-截面以下墙体为计算对象,并将作用于A-截面以上部分三角形荷载等效为作用于A-截面上的一个剪力V0和一个弯矩M0,计算简图如图6所示。

图6 复合土钉墙整体变形计算简图

由于假设墙体刚度为无限大,在外力作用下墙体以某一点O为中心做刚体转动。若转角θ0,地面处的水平位移为y0,则墙身任一点的变位可写为:

y=y0-θ0z(11)

由式(1)～(3)可得被动区土的水平抗力:

P=K(z)y=mzy=m(y0z-θ0z2)(12)

沿墙身纵向取单位长度1m,若z点处墙身正截面的剪力和弯矩分别为VZ和MZ,则由静力平衡条件可得:

∑Fx=V0+ez-Vz-p=0(13)

∑Mx=M0+z2+V0z-Mz-p(z-ξ)dξ=0(14)

对于一般的刚性桩,可以认为桩尖处(z=HD时)剪力和弯矩都等于零。但对于复合土钉墙这样宽度很大的情况下,墙底反力不能忽略。因此由边界条件,当z=HD时:

Vd=Bc+(W+q1B)tan(15)

Md=KVIBθ0(16)

式中 B,M,q1分别为墙底底面宽度(m)、每延米底墙体重力(kN)和墙顶超载(kPa);c、分别为地基土底粘聚力(kPa)和内摩擦角(°);IB为每延米墙底面底惯性矩(m4);KV为地基土底竖向抗力系数(kN/m3)。

联立式(5)～(8)解方程,得到:

θ0=(17)

y0=+(18)

式中 M'0=M0+V0HD+;V'0=V0+eHD-Vd;e为基坑底面处每延米主动土压力强度(kN/m)。转动点O到坑底的距离为,墙顶位移y0=θ0H。

3结语

3.1由于水泥搅拌桩的超前支护的影响,复合土钉墙的变形曲线与土钉墙不同,土钉墙的最大位移在墙顶,而复合土钉墙的最大位移在基坑中部。

3.2复合土钉墙的变形仍是由剪切变形、弯曲变形和墙体整体变形三部分组成,与土钉墙组成相同。

参考文献:

[1]陈肇元,崔京浩.土钉支护在基坑工程中的应用[M].北京:中国建筑工业出版社.

[2]黄云. 复合土钉墙中的侧向土压力研究[D].武汉:武汉理工大学建筑学院,2003.

[3]CECS96:97,基坑土钉支护技术规程[S].中国工程建设标准协会标准,1997.