土釘支護(hù)強(qiáng)度比與類粘聚力關(guān)系試驗(yàn)研究

喻曉今

（華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西南昌330013）

對(duì)邊坡基坑臨空面附近土體的力學(xué)性質(zhì)有許多研究。關(guān)于土壓力理論，主要還是在朗肯土壓力和庫侖土壓力理論上的發(fā)展與調(diào)試；關(guān)于土體的強(qiáng)度，主要還是以屈斯卡、廣義屈斯卡、米澤斯、廣義米澤斯和莫爾-庫侖等等理論為基礎(chǔ)；而土體穩(wěn)定性則以塑性力學(xué)的極限理論等為主要的依據(jù)［1-2］。對(duì)于邊坡基坑工程的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，有關(guān)方法都基于一定的假定，建立某種實(shí)體模型，故適于某些應(yīng)用范圍。文［3］更具體地列舉了以下主要幾種方法的特點(diǎn)，例如：瑞典圓弧法，以滑弧塊體為對(duì)象，適于某些軟弱淤泥地基；Terzaghi法，采用土體豎直條分，其穩(wěn)定性系數(shù)被廣泛性應(yīng)用，偏于安全，誤差不超過15%；Bishop法用于近圓弧對(duì)象，考慮土條兩側(cè)推力時(shí)，分條數(shù)不宜過大；Janbu法適于任意形狀滑動(dòng)面，豎直條分；Sarma法評(píng)價(jià)各種破壞模式下的邊坡的穩(wěn)定性，條塊的分條是任意的；Morgenstern-Prise法要求垂直條分滑體，充分考慮條間作用力，計(jì)算過程比較復(fù)雜；Spencer法用于圓弧破壞穩(wěn)定性，等寬條分等等。從中可見，土體穩(wěn)定性研究采用平面應(yīng)變問題假定，最危險(xiǎn)的滑弧、滑裂面一般過坡腳，綜合了力、力矩平衡理論，即涉及土體的應(yīng)力、抗剪能力的分析等因素。文［4］將邊坡位移細(xì)分過程計(jì)算，未提出新參數(shù)。文［5-6］爭(zhēng)論焦點(diǎn)在Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則與統(tǒng)一強(qiáng)度理論的本質(zhì)是繼承還是發(fā)展的看法上。文［1-14］未發(fā)現(xiàn)土釘支護(hù)后全面仿照純土體的參數(shù)的概念的演繹。

為尋找土釘支護(hù)工程中簡(jiǎn)便分析方法，同時(shí)又使概念清晰，用于探討土釘支護(hù)后的土體對(duì)于破裂時(shí)的數(shù)據(jù)與土工參數(shù)的對(duì)應(yīng)規(guī)律，以小尺度試驗(yàn)為根據(jù)，提出土釘支護(hù)后的有關(guān)混合體的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，以確定土釘支護(hù)強(qiáng)度比與有關(guān)參數(shù)的比值關(guān)系，具體是土釘支護(hù)強(qiáng)度比與類粘聚力、類破裂角的關(guān)系。

1 土釘支護(hù)試驗(yàn)及數(shù)據(jù)整理

利用現(xiàn)場(chǎng)原位土體進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)場(chǎng)地是挖掘直立面坡腳，土釘支護(hù)采用擊入釘方式。利用地表水平面超載模式，加載采用逐級(jí)加載，直至土體破裂，試驗(yàn)土體側(cè)面視圖見圖1。土體共進(jìn)行了7次試驗(yàn)。其中3 次無支護(hù)加載試驗(yàn)，用以測(cè)定土體的物理力學(xué)性質(zhì)，定性對(duì)比試驗(yàn)效果的可靠性，其余用于土釘支護(hù)試驗(yàn)，以確定相應(yīng)條件下的土釘支護(hù)參數(shù)與土體力學(xué)性質(zhì)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如強(qiáng)度比B與超載值q、滑裂面水平長(zhǎng)度d、滑裂面高度H等等參數(shù)的變化規(guī)律。

表1 試驗(yàn)參數(shù)在破裂時(shí)所得數(shù)據(jù)Tab.1 Data of parameters of experiment at fracture

2 類土體參數(shù)的提出和計(jì)算

鑒于土體在土釘支護(hù)后，其相應(yīng)的抗壓、抗剪強(qiáng)度等土工指標(biāo)比不加支護(hù)者將有較大改變。為了使支護(hù)前后的有關(guān)參數(shù)既有實(shí)際意義又有可對(duì)比性、取得對(duì)這種比較的定量結(jié)論，避免誤讀誤解，這里借用土體物理力學(xué)性質(zhì)的已有概念，在已有名詞的基礎(chǔ)上，定義新的適用于土釘支護(hù)后土體對(duì)應(yīng)的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，即將描述純土體的參數(shù)推廣于土釘支護(hù)后的土體，為與原來的參數(shù)區(qū)別，在原參數(shù)名稱的前面冠以“類”字，參數(shù)符號(hào)右上標(biāo)為“*”。

這樣，對(duì)應(yīng)于土體的破裂角度αf、內(nèi)摩擦角φ、朗肯主動(dòng)土壓力系數(shù)Ka、粘聚力c、單位面積主動(dòng)土壓力pa等，分別提出支護(hù)土體滑裂虛線與水平線夾角為類破裂角度、類內(nèi)摩擦角φ*、類朗肯主動(dòng)土壓力系數(shù)Ka*、類粘聚力c*、類單位面積主動(dòng)土壓力pa*等。另外，滑裂的臨界深度（高度）寫為z0，即等于H，見圖2，圖中h、e分別表示超載和滑裂體的重力中心與滑裂線（虛線）的交點(diǎn)之距離超載地面高度和該點(diǎn)距臨空面水平距離。

試驗(yàn)現(xiàn)象表明，滑塌體幾乎接近三角楔，呈體內(nèi)破壞形式。為計(jì)算便捷，視滑塌體為一整體，看超載和滑塌體的重力中心與正側(cè)面的滑裂線的交點(diǎn)，認(rèn)為此點(diǎn)的強(qiáng)度等參量可代表整體狀態(tài)，考察此處大主應(yīng)力與類粘聚力c*的比值與強(qiáng)度比、類破裂角度的關(guān)系。

圖1 土釘支護(hù)立坡簡(jiǎn)圖Fig1. Straight slope of soil nailing

圖2 土釘支護(hù)滑裂圖Fig2. Slipping fracture of soil nailing supporting

這里土體的滑塌采用朗肯主動(dòng)土壓力假定來分析，求解滑裂高度以其理論中存在超載的情形進(jìn)行計(jì)算，即滑裂面的高度H是由土壓力大于零處而確定的。據(jù)此，以下便是土體釘后相應(yīng)類力學(xué)性質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)的計(jì)算步驟：① 按三角形滑楔體計(jì)算類破裂角度，即以滑裂面水平長(zhǎng)度與滑裂面高度確定滑裂線與水平線的夾角；② 按公式φ=2(αf-45°)計(jì)算類內(nèi)摩擦角φ*；③ 以公式Ka=tan2(45°-φ/2)計(jì)算類朗肯主動(dòng)土壓力系數(shù)Ka*；④ 按臨界深度公式計(jì)算類粘聚力c*；⑤ 計(jì)算超載和滑裂體的重力中心與滑裂線交點(diǎn)處的土壓力，公式是pa=(q+γ·z)Ka-2c，z值取h；⑥ 計(jì)算大主應(yīng)力σ1=σ3tan2(45°+φ/2)+2c·tan(45°+φ/2)。按以上步驟的計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 試驗(yàn)類參數(shù)計(jì)算結(jié)果Tab.2 Computing results of experimental parameters

3 強(qiáng)度比等參數(shù)關(guān)系的擬合

測(cè)取、計(jì)算有關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)的多元線性回歸擬合，模型為y=b0+b1x1+b2x2，令其中y為大主應(yīng)力與類粘聚力之比σ1/c*，x1為強(qiáng)度比B，x2為類破裂角。得到的回歸方程為

σ1/c*=-6.016+0.162B+0.146

4 土釘支護(hù)實(shí)例回歸值與定義值

文［8］中基坑為直立面，坑深9.0 m，土釘支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)為：土釘水平和垂直間距分別為SH，SV，SH=SV=1.5 m，土釘鋼筋為4 Φ 28，土體重度是18 kN·m-3，地面超載為50 kPa，支護(hù)工作正常。按一般穩(wěn)定安全系數(shù)取1.2 計(jì)，取坑深失穩(wěn)深度與正常支護(hù)深度比值為1.2，預(yù)計(jì)其在現(xiàn)狀時(shí)的破裂線高度H，則得H=10.8 m，按以上類參數(shù)定義的計(jì)算步驟和公式進(jìn)行計(jì)算，并按回歸公式算得該例有關(guān)參數(shù)的有限個(gè)取值見表3。

表3 土釘支護(hù)實(shí)例的計(jì)算值與回歸值的比較Tab.3 Comparison of computing values and regression values of a case

5 結(jié)論

1）適應(yīng)土體在土釘支護(hù)后的變化，借用土工參數(shù)，擴(kuò)展為“類”參數(shù)，既說明問題，又不被誤解。以朗肯主動(dòng)土壓力假定來分析計(jì)算陡坡基坑土釘支護(hù)的類物理力學(xué)參數(shù)、存在超載的情況求解滑裂高度時(shí)，其滑裂面的高度H是對(duì)應(yīng)土壓力等于零處的臨界深度，找到了類粘聚力c*等參數(shù)用于描述被支護(hù)土體。

2）若以相同重度、不相同超載的土釘支護(hù)土體實(shí)例計(jì)算結(jié)果而論，在γ約為18 kN·m-3，φ約為24°的粉砂質(zhì)土條件時(shí)，本試驗(yàn)結(jié)果的大主應(yīng)力與類粘聚力的比值、強(qiáng)度比、類破裂角之間關(guān)系的回歸值對(duì)應(yīng)實(shí)例中的破裂角為80°的情形，可以回歸公式來作為土釘支護(hù)預(yù)期破裂數(shù)據(jù)的依據(jù)之一。

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