应用能量法对微型钢管桩超前支护复合土钉墙作用机理分析

摘 要：微型钢管桩超前支护复合土钉墙在工程中已经得到广泛应用，然而对其作用机理理论研究比较少。本文提出用能量法对其进行研究，并对开挖过程中的受力变形进行了分析，其分析结果对工程实践有一定的指导意义。

关键词：能量法；土钉墙；微型桩

1 引言

微型钢管桩超前支护复合土钉墙的应用越来越广泛，特别是在北京地区应用效果非常不错，但是人们对其微型桩超前支护的作用机理的理论研究并不成熟，可以说理论研究远远落后与实际应用。

目前，对微型钢管桩超前支护的作用机理的认识主要表现为以下几点：

1.1 提高了土体的强度和面层强度

施工工程中在微型钢管桩和桩孔中注入水泥浆液，微型桩附近的土体强度提高，从而增强了开挖过程中土体的自立性，减小了土体的变形。土体的增强使混凝土面层与土体的黏结强度增加，钢管的插入使支护结构的刚度增加，这都会非常有利约束土体的变形。

1.2 钢管桩自身可以承担受力

在开挖过程中，可以承担部分侧面土体压力，并且其刚度比较大，所以变形比较小，从而减小基坑的变形量。

1.3 阻止坑底的隆起、管涌和渗流问题的出现

微型钢管桩以一定长度插入基坑底部一定深度，非常有利的限制坑底的隆起、管涌和渗流问题的出现。

1.4 调动并协调土钉的支护作用

2 能量方法的运用

在自然情况下，土体都积蓄有一定的应变能，在一定条件下，这些应变能可以释放出来做功。在进行微型钢管桩超前支护复合土钉墙开挖时，发生的土移，微型桩、土钉以及面层等构件的受力变形，都是土体应变能量的释放做功的结果。如果土体初始地应力很大，那么它积蓄的应变能量就很大，开挖以后土体的变形或是破坏现象就越强烈；否则，就不强烈。基坑开挖过程中土体释放的能量主要与土体原始状态所处的深度H，土体的重度γ，和土体的自身性质有关。H 越深、γ越大积蓄的能量就越大。

基坑开挖过程中，土体的应变能量主要以三种方式释放：土体的变形、支挡结构的受力变形和消耗散失。可以以公式（1）表示：

Q=Q1+Q2+Q3 （1）

Q-开挖土体释放的应变能量

Q1-土体变形需要的能量

Q2-支挡结构受力变形需要的能量

Q3-开挖过程消耗掉的能量

讨论：

1）如果在开挖时，开挖土体释放的应变能量、土体变形释放掉的能量、开挖过程消耗掉的能量三者比例一定，也就是Q1：Q2：Q3=常数，那么开挖释放的能量大小直接决定着土体的变形和支护结构的变形。随着开挖深度的不断增加，在开挖相同量土体，开挖释放的应变能量，会不断增加，那么引起基坑临空面的土体变形和支护结构的受力不断增大。这与人们在现场监测到的微型桩下部受力要大于上部，下部位移要大于上部位移，开挖下部土体引起的位移变形和变形增量要比开挖上部土体的变化明显等结论是相一致的。

2）开挖下部土体比开挖上部土体引起土体的变形和位移要大，从而调动下部的土体范围也比上部大，使面层后面的土体随深度增加不断向内部延伸。这会造成基坑面层后面下部土体比上部疏松，引起上部土体下降，最终引起上部地面的下沉并不断向后方移动。与实际监测的地面现的现象是一直的。

3）开挖面土体的变形是不相同的，微型桩附近受其约束比较大，土体变形比较小，甚至不会发生应变，即Q1 很小或为0。在同一水平位置的开挖面远离微型桩的土体约束比较小，到一定距离甚至不受约约束，此时Q2=0，也就是说 微型桩在开挖时影响范围是有一定范围的。当开挖时，由于在微型桩影响范围可以吸收一定量的应变能，使能量转化为土体的变形位移的能量减少，最终减小基坑的饿变形，增强开挖过程中的土体自立性。

4）微型桩将自己吸收的能量一部分转化为自己的应变能，同时可将能量传递给面层和土钉，很好的调动各构件发挥作用。

3 结束语

从能量分析来看，微型桩起到了连接土体、面层、土钉等各构件纽带作用，很好的调动各构件功能，增强了整体性。我认为将能量法应用在微型钢管桩超前支护复合土钉墙的研究中是非常必要的。

参考文献

[1]陈懿，张宏朝.能量方法在岩土体支护结构稳定性分析中的应用[J].西部探矿工程，2006（9）：15～16

[2]孙铁成，张明聚.深基坑复合土钉支护模型试验研究[J].岩石力学与工程学报，2004.

[3]魏成国，郭增玉.填土边坡土钉支护的模型试验研究[J].山西建筑，2005.

[4]肖毅，邹勇.钉锚结合支护的模型试验研究[J].武汉水利电力大学学报，1999.

[5]汪班桥，门玉明.土钉墙模型试验研究[J].西安工程学院学报，2002.

[6]李冉，赵燕明.复合土钉支护的有限元分析[J].后勤工程学院学报，2005.

[7]吴琦琪.复合土钉支护结构有限元数值分析[D].杭州：浙江大学.

[8]陈礼建.微型桩配合土钉支护的实践与思考[J].福建建筑，2000.

[9]郑坚，徐刚毅.土钉与桩锚联合支护在基坑工程中的应用[J].铁道建筑，2002（8）.

[10]李夕兵，刘广.预应力锚索和微型桩联合处理深基坑失稳事故[J].工业安全与环境，2005（6）.

作者介绍：夏华宗：男，汉，硕士研究生，工程师，主要从事岩土工程方面工作，河北省地矿局国土资源勘查中心。