石家庄地区土钉支护计算分析方法

　　摘要：根据石家庄地区地质条件，提供一种土钉支护土体滑裂面形状和土压力分布模式，并进行极限平衡分析。
　　关键词：土钉支护，滑动面，土压力
　　1概述
　　目前土钉支护作为一种经济可靠、快速简便的基坑支护技术已在城市建设基坑开挖施工中得到广泛应用。
　　石家庄地区20m深度范围内典型的土层分布情况为：第四系黄土状粉质粘土、粉土厚度0-3m，fk=100~120kPa；黄土状粉土、粉质粘土，厚度3-12m，fk=130~160kPa；粉细砂、中砂，厚度0.5-4m，fk=160~250kPa；粉土、粉质粘土，厚度4-15m，fk=180~280kPa。地下水位埋深在30m以上，水文地质与工程地质条件较好，大量工程实践经验证明，使用国家规范进行设计过于保持，造成一定程度的浪费。经过本地区工地现场观察，本文介绍一种设计计算分析方法，以供设计人员参考。
　　2土钉支护内部稳定性分析
　　2.1土钉支护计算方法
　　目前，土钉支护以稳定分析来控制设计。稳定分析的内容主要包括两方面：内部稳定分析，包括土钉结构体内土钉局部稳定性验算及整体稳定性分析，还有外部稳定分析，包括土钉结构整体抗滑移、抗滑动、抗倾覆、抗隆起计算。石家庄地区水文地质和工程地质条件较好，土钉结构内部稳定分析是石家庄土钉支护设计的控制条件，当内部稳定条件得到满足时，外部稳定条件一般都能得到满足。
　　土钉结构内部稳定分析的核心是确定土钉内力，土钉内力确定后，继而确定土钉长度，必须确定滑裂面和土压力。
　　2.2滑裂面
　　滑裂面即潜在的失稳滑动破坏面，它把经过土钉加固的土体分成滑动体和稳定体，滑动体的下滑力通过支护结构传到稳定土体。土钉的拉力在最危险滑裂面处达到最大值，即最危险滑裂面为土钉最大拉力的连线。
　　目前土钉支护结构的滑裂面大都是建立在土体受剪破坏机理之上，而实际上土体抗拉强度比土体抗剪强度更小，土体应该是更易遭受拉裂破坏，自然边坡坡顶经常出现垂直的张拉裂缝即是证明。对土钉支护边坡来说，土钉的作用之一是通过其抗拉拔力来限制边壁土体张拉裂缝的形成和发展，由于土钉要在土体发生一定的位移条件下才能发挥作用，因此土钉支护上部土体的张拉裂缝也应该是垂直或近于垂直分布。
　　
　　图1滑裂面模型
　　滑裂面的寻找和确定，是土钉结构设计计算和内部稳定分析的最重要内容。石家庄基坑深度一般在5-15m之间，无支护开挖及土钉支护开挖引起边坡破坏的事故，经常发生，根据工程现场观察和测量，破裂面形状大致都是如图1所示。图中H表示基坑深度。z0，B0建议按下列各式计算：
　　(1)
　　(2)
　　式中：
　　c—边坡土粘聚力，kPa；
　　—表示坡土内摩擦角，度；
　　—表示土体容重，kN/m3。
　　图1中z0的物理意义表示地面裂缝开裂计算深度，z0在Rankine理论中常被称为临界深度，可由下式求得：
　　(3)
　　根据表达式(3)，可以发现z0随着土体的c、的增大而增大，经过土钉加固的复合土体的c、都一定程度的增长，故z0也会提高一定幅度，石家庄地区基坑的工程观察和实践表明裂缝开裂深度一般增大1.5倍左右，即系数取3.0。
　　2.3土压力计算
　　土钉支护的侧向土压力可取为四边形分布(见图2)。
　　
　　图2侧向土压力分布图
　　当时
　　(4)
　　当时(5)
　　式中：
　　h—土压力作用点至坡顶的距离，m；
　　H—土坡垂直高度，m；
　　—土体的容重，kN/m3；
　　K—土压力系数，K=l/2(Ko+Ka)，Ko、Ka分别为静止、主动土压力系数；
　　q—土钉支护的侧向土压力，kPa。
　　2.4计算模型的极限平衡分析
　　假定如下：土钉只受轴向拉力；潜在滑裂面是通过坡脚的双直线，滑动面上土体的剪切强度遵守Mohr—Coulomb破坏理论，满足，在潜在滑裂面上同时达到极限状态，并假定土钉和土体都达到极限状态。
　　取单位宽度的滑动体，由静力平衡条件，得：
　　(6)
　　(7)
　　
　　图3力学分析图
　　式中：
　　W1—滑动土体重量，kN；
　　N1—滑动土体受到水平作用土压力，由式（4）与式（5）确定，kN；
　　S1—滑动土体受到侧面的竖向剪力，由条块之间摩擦系数k(=S1/Nl)确定，k只与土质有关，对于非粘性土取0.4，粘性土取0.5。
　　则土体的沿潜在滑面的滑动力：
　　(8)
　　而滑裂面上的抗滑力为(9)
　　式中：
　　LT—滑裂面总长度，m；
　　—各层土体摩擦角加权平均值，度；
　　—底边滑裂面的倾角，取o，度；
　　c—粘聚力，kPa；
　　N1′，N2′—滑裂面上所承受的法向力N1、N2与土钉拉力在此滑裂面上法向拉力TN之和，kN；
　　TT—土钉拉力在滑裂面切向力的分量之和，见图4。
　　
　　图4土钉在滑裂面的分力
　　试算确定，要求不小于1.3。
　　
　　3小结
　　根据石家庄地区典型地质情况，本文提供了一种土钉支护结构内部稳定分析方法，可供本地区或具有类似地质情况的北方地区使用。对缺乏经验的深基坑,应采用多种计算方法来进行验算。
　　参考文献
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　　[2]曾宪明等编．土钉支护设计与施工手册[M]．北京：中国建筑工业出版社，2003
　　[3]孙铁成等．深基坑复合土钉支护稳定性分析方法及其应用[J]．工程力学，2005，22(3)：126-132
　　[4]张明聚．土钉支护工作性能的研究[D]．北京：清华大学土木水利学院，2000
　　

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