土釘支護(hù)工作機(jī)理和應(yīng)力分析

石超

【摘 要】本文通過對(duì)土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞形式的分析，從兩個(gè)方面對(duì)土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的工作機(jī)理進(jìn)行了闡述，對(duì)工程界在進(jìn)行土釘支護(hù)抗拔穩(wěn)定性和整體穩(wěn)定性驗(yàn)算時(shí)具有一定的參考價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】土釘支護(hù)；破壞形式；工作機(jī)理

Soil nailing mechanism and stress analysis

Shi Chao

（Spring of Hebei Construction Engineering Co.， Ltd Handan Hebei 056000）

【Abstract】Based on the failure mode of soil nailing structure analysis， from two aspects of working mechanism of soil nailing structure are described， for engineering during soil nailing pullout when checking the stability and overall stabilityIt has a certain reference value.

【Key words】Working Mechanism；Failure mode；Soil nailing

1. 土釘支護(hù)技術(shù)的概述

（1）土釘支護(hù)技術(shù)是近幾十年發(fā)展起來的，用于土體開挖和邊坡穩(wěn)定的一種新的擋土技術(shù)。由于其經(jīng)濟(jì)可靠，施工快速簡便，已在大量工程中得到應(yīng)用，成為繼排樁支護(hù)，地下連續(xù)墻支護(hù)等傳統(tǒng)的支護(hù)方式之后的又一項(xiàng)新的支護(hù)技術(shù)。據(jù)有關(guān)資料顯示，土釘支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用在各種支護(hù)中已占據(jù)重要的地位。

（2）所謂“土釘”（Soil Nail）就是置入現(xiàn)場土體中以較密間距排列的細(xì)長桿件，如鋼管或鋼筋等，通常還外裹水泥沙漿或水泥凈漿漿體（注漿釘）。土釘?shù)奶攸c(diǎn)是沿通長與周圍土體接觸，以群體起作用，與周圍土體形成一個(gè)組合體，在土體發(fā)生變形的條件下，通過與土體接觸面的粘結(jié)力，使土釘被動(dòng)受拉，并主要通過受拉工作給土體以約束加固或使其穩(wěn)定。土釘?shù)脑O(shè)置方向與土體可能發(fā)生的主應(yīng)變方向大體一致，通常接近水平并向下呈不大的傾角。國內(nèi)亦有資料稱土釘?shù)摹安褰睢保↖nsertbar），錨釘?shù)取?/p>

2. 破壞形式

土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的可能破壞形式主要有兩種：體外破壞和體內(nèi)破壞。體外破壞是指破壞面完全在土釘加固區(qū)外。體內(nèi)破壞是指破壞面完全或部分穿過土釘加固區(qū)。

2.1 體外破壞。

2.1.1 體外破壞是發(fā)生在土釘加固區(qū)域之外的破壞，此時(shí)密集的土釘與周圍土體形成一個(gè)異性復(fù)合整體，猶如一個(gè)重力式擋堵，可能發(fā)生三種失穩(wěn)：

（1）沿底面滑動(dòng)；

（2）繞面層底端傾覆：

（3）深部滑移。

2.1.2 這三種可能的破壞形式中，前兩種與重力擋土墻在主動(dòng)土壓力作用下失穩(wěn)相同，作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)背部的是主動(dòng)土壓力，后一種形式與一般的邊坡失穩(wěn)相似，在普通擋土墻設(shè)計(jì)中也要考慮，所以均可按重力擋土墻加筋土擋墻設(shè)計(jì)中的方法進(jìn)行驗(yàn)算。

2.2 體內(nèi)破壞。

此時(shí)可能的破裂面發(fā)生在土釘結(jié)構(gòu)內(nèi)部，穿過土釘加固區(qū)域的全部或部分，邊坡被破裂面分成穩(wěn)定區(qū)和不穩(wěn)定區(qū)兩部分。體內(nèi)破壞還包括土釘復(fù)合體的局部稱定破壞，可能發(fā)生的三種類型的土釘破壞，一是土釘在穩(wěn)定區(qū)內(nèi)由于抗拔力不足而被拔出，二是土釘在最大拉力處被拉斷，三是土釘端頭與面板連接處破壞或面板破壞。

3. 土釘結(jié)構(gòu)的工作機(jī)理

目前，一般認(rèn)為土釘支護(hù)機(jī)理是以新奧法理論為基礎(chǔ)，在土釘體作用下，把潛在滑裂面之前的主動(dòng)區(qū)的復(fù)合土體視為具有自承能力的穩(wěn)定土體，以阻止土體側(cè)向位移，支承未加筋區(qū)域土體的側(cè)壓力，保證土坡的穩(wěn)定性，即認(rèn)為經(jīng)過加筋的土體形成了類重力式擋土墻——土釘墻，土釘?shù)淖饔脵C(jī)理類似于擋土墻的機(jī)理。這種觀點(diǎn)對(duì)于解釋土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的外部整體穩(wěn)定性（抗滑、抗傾覆、支護(hù)結(jié)構(gòu)底部土體極限承載力）是合理的，然而卻無法解釋支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部穩(wěn)定性與釘土相互作用有關(guān)的許多問題。實(shí)際上土釘支護(hù)機(jī)理極其復(fù)雜，它與許多因素有關(guān)，例如土體的物理力學(xué)指標(biāo)，土釘本身的強(qiáng)度、幾何尺寸、布置方式等。因此，許多學(xué)者從摩擦加筋機(jī)理、增強(qiáng)機(jī)理等方面進(jìn)行研究。

3.1 摩擦加筋機(jī)理。

圖1 摩擦加筋機(jī)理

（1）圖1為土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖，其中AB為潛在的滑裂面，潛在滑裂面將支護(hù)結(jié)構(gòu)分成主動(dòng)區(qū)和穩(wěn)定區(qū)兩個(gè)區(qū)域，主動(dòng)區(qū)ABC產(chǎn)生的水平推力通過與土釘間的相互作用與面層AC一起在土釘中形成拉力，有將土釘從穩(wěn)定區(qū)拔出的趨勢(shì)，穩(wěn)定區(qū)的土與十釘間的摩阻力卻阻止土釘被拔出。如果主動(dòng)區(qū)土體的水平推力為穩(wěn)定區(qū)釘土之間的摩阻力所平衡，則整個(gè)土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)部穩(wěn)定性就可以得到保證。

（2）隨著基坑開挖的進(jìn)行，土體所受的周圍應(yīng)力逐漸減小，有可能發(fā)生剪切破壞，剪切破壞是通過土粒的剪切滑動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，具體表現(xiàn)為跳過或剪斷相鄰的土顆粒，置入土釘體后，土顆粒與土釘之間產(chǎn)生摩擦阻力，使土釘阻礙土粒的剪切移動(dòng).可以通過取一個(gè)土釘?shù)奈⒃蝸矸治鲠斒恐g的摩擦力，如圖1（b）。垂直作用在寬度為b 的土釘體上的垂直力為Ν ，則作用在長度dl 土釘體上下兩側(cè)所受的垂直力為2Νb×dl ，由土的水平推力在該微分段所引起的拉力為dT =T1-T 2，土顆粒與土釘體之間的摩擦系數(shù)為f 如果2N fb dl>dT cosβ則釘土之間就不會(huì)產(chǎn)生相互滑動(dòng)，如果每一層拉筋均能滿足此要求，則整個(gè)土釘結(jié)構(gòu)的內(nèi)部抗拔穩(wěn)定性就得到了保證，從而也就不會(huì)出現(xiàn)圖1（ a ）中的滑裂面AB 。工程界在進(jìn)行土釘支護(hù)抗拔穩(wěn)定性和整體穩(wěn)定性驗(yàn)算時(shí)一般均基于該理論。

3.2 增強(qiáng)機(jī)理。

3.2.1 邊坡土體的應(yīng)力是隨著土體的開挖而變化的。土體未開挖時(shí)，土中側(cè)向應(yīng)力σ3 = k0σ1，0k為靜止土壓力系數(shù)，摩爾圓如圖2中的a 圓，隨著土體的開挖，3σ減小，摩爾圓左移，當(dāng)3f01σ=kσ時(shí)，土體達(dá)到朗肯主動(dòng)狀態(tài)，aK為主動(dòng)土壓力系數(shù)，此時(shí)摩爾圓與強(qiáng)度包線相切，土體破壞（圖2 中的b 圓）。因此，阻止側(cè)向應(yīng)力3σ的減小，或提高土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，都可以使土體不發(fā)生破壞。

圖2 土體的應(yīng)力變化

（1）附加側(cè)向壓應(yīng)力。

土釘?shù)脑鰪?qiáng)機(jī)理之一就是在釘間土中產(chǎn)生了附加側(cè)向壓應(yīng)力3Δσ。土釘邊坡支護(hù)后的土體可以看成是各向異性的復(fù)合材料，通常土釘?shù)睦畈捎娩摻?，其彈性模量遠(yuǎn)大于土體。在土體發(fā)生變形的條件下，土釘與土體的相互作用將在界面上產(chǎn)生摩阻力，土釘中產(chǎn)生拉力，因而相當(dāng)于在土單元中產(chǎn)生附加側(cè)向壓應(yīng)力3Δσ，限制土的側(cè)向膨脹。附加的側(cè)向壓應(yīng)力使摩爾圓右移而遠(yuǎn)離強(qiáng)度包線，從而使土體保持平衡（圖3），由此可以看出，土體與土釘之間的摩擦性能是土釘加強(qiáng)土體的基本因素。

圖3 附加側(cè)向壓應(yīng)力

圖4 附加粘聚力

（2）附加粘聚力（見圖4）。

x

3.2.2 由此可見，土釘置入一方面使摩爾應(yīng)力圓右移，減小土體承受的剪應(yīng)力，另一方面土與土釘組成的復(fù)合體使土體強(qiáng)度提高，使彈性域增大，破壞區(qū)域上移，并隨著土體位移的增大，土釘發(fā)揮的作用越大，土與土釘協(xié)調(diào)作用，利用復(fù)合土體自身的整體強(qiáng)度與剛度.通過改善并調(diào)整其應(yīng)力分布，達(dá)到安全穩(wěn)定的目的，這與傳統(tǒng)的被動(dòng)制約支擋體的作用原理不同。被動(dòng)制約提供了側(cè)向平衡力，使摩爾應(yīng)力圓右移，減小了土體中的剪應(yīng)力，但并未使土體強(qiáng)度提高，破壞區(qū)域并不能上移。

4. 結(jié)束語

土釘支護(hù)技術(shù)是近年來剛發(fā)展起來的一種新型支護(hù)技術(shù)，己得到廣泛的應(yīng)用。土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的工作機(jī)理一般可以用摩擦加筋機(jī)理、增強(qiáng)機(jī)理等方面來解釋。土釘和土體的界面摩阻力使釘土之間不會(huì)產(chǎn)生相互的滑動(dòng)，從而提高了土釘結(jié)構(gòu)的內(nèi)部穩(wěn)定性。以附加粘聚力的形式則一方面可以減少土體承受的剪應(yīng)力，另一方面土與土釘組成的復(fù)合土體使土體強(qiáng)度提高，使彈性域增大，破壞域上移，并隨著土體位移的增大，土釘發(fā)揮的作用越大，土與土釘協(xié)調(diào)作用，利用復(fù)合土體自身的整體強(qiáng)度與剛度，通過改善并調(diào)整其盈利分布，達(dá)到安全穩(wěn)定的目

的。

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[文章編號(hào)]1619-2737（2015）05-22-360