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土钉墙的作用机理与工作性能

349 2021-09-01 15:42:53

土钉墙的作用机理

土体的抗剪强度较低,抗拉强度几乎可以忽略,但土体具有一定的结构整体性,当开挖基坑时,土体存在使边坡保持直立的临界高度,当超过这一深度或者在地面超载及其它因素作用下,将发生突发性整体破坏。所采用的传统的支挡结构均基于被动制约机制,即以支挡结构自身的强度和刚度,承受其后的侧向土压力,防止土体整体稳定性破坏。

土钉墙则是由在土体内放置一定长度和密度的土钉体构成的。土钉与土共同工作,形成了能大大提高原状土强度和刚度的复合土体,土钉的作用是基于这种主动加固的机制。土钉与土的相互作用,还能改变土坡的变形与破坏形态,显著提高了土坡的整体稳定性。

试验表明;直立的土钉墙在坡顶的承载能力约比豪土墙提高一倍以上(见图 8,4-1)。更为重要的是,土钉墙在受荷载过程中不会发生素土边坡那样突发性的塌滑(图 8.4-2)。它不仅推迟了塑性变形发展阶段,而且明显地呈现出渐进变形与开裂破坏并存且逐步扩展的现象,直至丧失承受更大荷载的能力,仍不会发生整体性塌滑。

土钉在复合土体中的作用可概括为以下几点; 

1.箍束骨架作用

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该作用是由土钉本身的刚度和强度以及它在土体内的分布空间所决定的。它具有制约土体变形的作用,并使复合土体构成一个整体。

2.分担作用.

在复合土体内。土钉与土体共同承担外部荷载和土体自重应力。由于土钉有较高的抗拉、抗剪强度以及土体无法比拟的抗弯刚度,所以当土体进人塑性状态后,应力逐渐向土钉转移。当土体开裂时,土钉分担作用更为突出,这时土钉内出现弯剪、拉剪等复合应力,从而导致土钉体中浆体碎裂,钢筋屈服。复合土体塑性变形延迟及渐进性开裂变形的出现与土钉分担作用密切相关。

3.应力传递与扩散作用

在同等荷载作用下,由土钉加固的土体内的应变水平比囊土边坡土体内的应变水平大大降低,从而推迟了开裂的形成与发展。

4.坡面变形的约束作用

在坡面上设置的与土钉连成-一体的钢筋混凝土面板是发挥土钉有效作用的重要组成部分。坡面鼓胀变形是开挖卸荷、土体侧向变位以及塑性变形和开裂发展的必然结果。限制坡面鼓胀能起到削弱内部塑性变形,加强边界约束作用,这对土体开裂变形阶段尤为重要。

土钉墙工作性能的试验研究

为了揭示土钉墙的工作性态,并为土钉墙的设计提供有关依据。德国和法国等国对大型土钉墙工程进行了大规模的量测工作.获得了许多有价值的资料。现选取有代表性的几项试验介绍如下∶

1.德国 Stuttgart 一处永久性土钉墙工程实例

该工程的工程概况及土层地质条件如图 8.4-3 所示。表层回填土,φ= 30°,下部为粉质粘土,φ=27.5°,c=10kPa,粘土岩,φ=23°,c=50kPa。面层为厚 0.25m 的挂网喷射混凝土,施工时每步挖深约1.0m。

试验及量测结果表明∶

(1)土钉墙的变形是由剪切变形、弯曲变形以及墙体底部的土体变形所引起(图 8.4- 4),在 M,断面上由测斜仪测得的土钉墙的水平位移如图 8.4-5所示。

(2)最大位移出现在墙顶,向下水平位移逐渐变小,开挖面以下的土体也发生水平位移,开挖面下受影响的深度约为开挖面深度的 20%~60%(图 8.4-6)。

(3)不同开挖深度时的墙体最大位移与当时挖深的比值约在 1‰~3.6‰,平均 2.5‰(图8.4-7)。

(4)离开墙面愈远,墙体内土体的水平位移减小,但在离墙面 7m远处,最大的水平位移仍有13mm。

(5)土钉受拉,其拉力值沿土钉长度方向是中间大,两端小。最大拉力值基本上出现在基坑破裂面处(图 8.4-8)。

(6)土钉拉力随挖深增加而增加,当挖至基坑底面后,土钉拉力值不再增加(图8.4-9)。

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2.法国 CEBTP 的试验

这是法国 Clouterre 研究项目中的三个大型土钉墙试验,在法国 CEBTP(国家建筑与公共工程试验中心)内完成。土体是每隔 20cm 厚夯实堆积而成的,所用砂土的级配均匀,堆积后相当于中密砂,有 φ=30°,c=3kPa,标准贯入击数在1.0m 处为8,6m深处为1.5。这里主要介绍1 号墙的试验(图8.4-10)。

1 号墙用铝管作为土钉的钉体。其参数见表8.4-1。士钉孔,径为63mm,管外低压注浆,土钉的水平间距为 1.15m,竖向间距1.0m,墙体分步修建,每步挖深1.0m。选用铝管作土钉是为了同时能提供拉力和弯矩。为保证发生土钉的强度破坏,设计使土钉有足够长度并将强度的安全系数降到1.1。

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试验结果表明;

(1)自上向下开挖时,随着开挖深度的增加,土钉墙的水平位移也有明显增加(见图 8,4-11)。

(2)由于土体徐变,开挖后三个月测得的各排土钉拉力值要比开挖刚结束时增加 15%。开挖结束时,最下排土钉拉力为零(见图8.4-12)。

(3)土钉内最大拉力沿高度变化见图8.4-13,由图得知,上排土钉拉力接近或超出按静止土压力算出的数值,而下部土钉拉力远低于按主动土压力算出的数值。

(4)土钉墙建造三个月后,进行浸水破坏试验。水从土钉墙顶面加入,逐渐使土体饱和。砂十的粘聚力消失并目自重增加1.然后 十体沿破裂面滑动。面层下沉 0.27r,顶而部水平位移0.09m。下部水平位移0.17m。图 8.4-14 是土体破坏时的变形情况,破坏面与地面相交的点距面层0.35H(2.5m)。

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土钉墙的工作性能

通过对现有国内外实际土钉墙工程的测试资料及大型模拟工程的试验结果的分析,可以将土钉墙的工作性能归纳为以下几点;

(1)土钉墙的变形较小。最大水平位移发生于墙体顶部,越往下水平位移越小。最大水平位移与开挖高度之比一般不大于 3%。这种位移值不会影响工程的适用性和长期稳定性,它对整个土钉墙来说,不构成控制设计的主要因素。土钉墙体内的水平位移随离开墙面距离增大而减小。

(2)土钉内的拉力分布是不均匀的,一般呈现中间大、两端小的规律,即最大拉力出现在临近破裂面处。土体产生微小变位才能使土钉受力,在面板附近土钉受力不大,这表明土钉已将其所受的大部分力传递到土体中去 了。土钉墙位置越往下。土钉最大受力点越往面板处移。

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(3)采用密集土钉加固的土钉墙性能类似重力式挡墙。破坏时明显地带有平移和转动的性质,故设计时除验算土钉墙的内部稳定性(即局部滑动破坏),以保证他们有足够的钉长、钉径及合理的间距外,还必须验算其整体稳定性,即验算土钉墙的抗滑与抗倾覆安全性。

(4)根据大玻足尺试验结果来看.在土钉墙整体破坏以前.并未发现喷射混凝十面板和钉头产生破坏现象。在实际工程中,也未见钉头有任何破坏现象,故设计中不作特殊设计。仅满足结构上的构造要求即可。

(5)墙面后土压力分布接近三角形,在坡角处土压力减少,其合力为库仑土压力的 70%。这种七压力减少可能是七钉将土连接成一个帮体而造成的。经过多次观察测量。发现其土压力值至少降低库仑土压力值的 30%~40%。