土钉墙开挖性状的有限元分析

土钉墙是粉砂土、黏性土等地区基坑开挖围护的主要形式之一。采用ABAQUS有限元软件建立土钉-面层-土体的相互作用模型,土体应用Mohr-Coulomb本构模型,土体与土钉间的接触性质为摩擦小滑移,在此基础上,得到了土体深层水平位移、面层位移、面层土压力和土钉轴力的分布形式和基本规律。计算结果表明：深层土体水平位移的最大值发生在墙顶靠下或者墙顶的位置;坑底水平位移从坡脚向坑中逐渐变小,在基坑开挖深度范围内,减小的速率较大,以后趋于某一稳定值;土钉轴力两头较小,中间较大,作用在面层上的作用力值远小于土钉轴力,该力与作用在面层上的作用力之和等于土钉轴力;土钉墙的面层土压力随着深度的增加,先增加到最大值后,再逐渐减小,每开挖一步面层土压力就会增加,且最大值向下移动。     

土钉支护施工阶段土钉轴力的计算分析

土钉支护的形成过程对其受力和变形有直接影响。结合土钉支护边开挖、边支护且开挖在前的施工特点,定义开挖影响面以反映土体开挖时边坡滑动趋势的变化,与开挖影响面相交处的土钉在土体开挖时轴力增加最多。开挖土压力表示以开挖影响面为边界的土块体产生的土压力,由相邻两步开挖土压力之差求得挖土引起的不平衡力。增加的土钉轴力在平衡此不平衡力的同时,维持着边坡稳定。据此,以开挖影响面及其土钉轴力增量为主要研究对象,提出了施工阶段土钉轴力的分析方法。该方法在求得土钉轴力最大值及其作用位置的同时,还给出了土钉轴力沿钉长方向的分布。应用此方法对法国CLOUTERRE项目1号墙足尺试验进行了计算,结果表明：计算与测试结果吻合良好。     

土钉墙面层土压力的计算分析

在目前的土钉墙设计中,面层通常被当作构造处理而不参与计算,墙后的主动土压力全部由土钉承担。实际上,土钉墙面层承受一部分土（水）压力。文中把土钉墙面层看作是弹性地基上的有限长梁,基于试验,推导了成层地基上土钉墙面层在土钉拉力作用下的挠曲线、转角、弯矩和剪力方程,并与实测数据进行了比较分析,验证了模型的合理性,得到的解析解基本上可以反映土钉墙面层土压力的分布。在此基础上,探讨了不同土性土层中土钉墙面层土压力的分布。面层土压力在土层的分界面上,位移连续,土压力发生突变;软弱土层分布的面层土压力较硬土层为大;上软下硬型较上硬下软的土层分布更能使面层土压力得到充分发挥,同时计算了面层土压力换算成荷载与土钉拉力的比值,其值随着开挖深度的增加越来越大,面层对于土压力的作用随着深度的增加表现得愈加明显,并提出针对不同地区、不同深度和不同土性条件下应给出比值的建议值,以使土钉墙的设计更符合其真实的作用机制,得到的结论和上述比值的计算方法对于进一步研究土钉墙的作用机制及设计中如何充分发挥面层的作用等具有重要的理论意义和实际应用价值。     

刚性桩复合地基的主动土压力分析

桩足够长、桩间距不大于6倍桩径的刚性桩复合地基中,在桩间土内部的剪切力和桩土间摩擦力共同作用下,桩顶段桩间土压力仅在一定深度范围内有所增加,且随深度迅速衰减,而桩顶段桩身轴力随深度增加。基于刚性桩复合地基的这一特点,紧邻刚性桩复合地基开挖基坑且基坑底高于刚性桩桩底时,得出刚性桩复合地基上的附加荷载作用在支护结构上的主动土压力可以简化为倒三角形,最大主动土压力作用在刚性桩桩顶平面与支护结构相交处,随深度增加,主动土压力迅速衰减至0。实践表明该计算方法比较符合工程实际。     

杆系有限元法求解复合土钉支护结构的位移

复合土钉支护位移计算尚未有成熟的分析方法。本文采用杆系有限单元法,结合支护土钉滞后的施工动态分析,来求解施工超前桩墙的复合土钉支护结构的水平位移。坑外侧主动土压力,由于受到密集土钉作用和坡角的影响,考虑折减计算。本分析方法简便,易于计算机编程。通过工程实例计算和分析,结果表明水平位移计算值与实测值较为接近。      

土钉基坑支护的空间效应研究

利用三维弹塑性模型研究了土钉基坑支护的空间效应,着重对深基坑工程中的阴角、阳角及分段分层开挖等问题进行了计算分析。结果表明,基坑的阴角能大大降低基坑位移和土钉轴力,其影响范围大于开挖深度,直立开挖面的阴角效应比放坡开挖面时的要大;阳角处的位移及土钉轴力明显增大,其影响范围延伸至3倍基坑开挖深度;分段分层开挖支护能充分利用土钉支护的空间效应,其影响范围接近于基坑开挖深度。     

预应力锚索复合土钉支护的现场测试研究

结合北京熊猫环岛地铁车站深基坑支护工程,通过对预应力锚索与土钉联合使用条件下土钉轴力随时间变化、土钉轴力沿长度的分布、土钉轴力最大值的分布、锚索预应力的变化等现场测试及分析,从力学机制上研究了预应力锚索复合土钉的工作机理,研究表明:(1)土钉受力具有时间效应及开挖效应;(2)土钉轴力形成和空间分布与基坑潜在滑动趋势有关;(3)预应力锚索对作用范围内土钉轴力空间分布有一定影响;(4)预应力锚索可减小坡体位移,使得各土钉轴力相对减小,改善坡体应力状态;(5)工作状态下,土钉和预应力锚索的受力状态变化相互影响较小,各自发挥作用。     

基于联合强度的黄土主动土压力公式与计算比较

土压力计算问题虽然是岩土工程中的传统研究课题之一,但对于结构性黄土而言,抗剪强度和抗拉强度是结构性黄土强度特性的两个方面,因此,黄土抗拉强度在黄土土压力计算中存在的影响需要进行合理的评价。基于建立的可综合考虑黄土抗拉和抗剪特性的联合强度理论,开展了主动极限应力平衡分析,推导了主动土压力新的计算公式,对该计算公式进行了验证并与朗肯主动土压力进行了比较。研究结果表明:在主动土压力计算与比较中,基于黄土联合强度确定的主动土压力比基于传统的Mohr-Coulomb理论确定的朗肯主动土压力要大,且墙后填土拉张区开裂深度相对要小。由于Mohr-Coulomb强度理论高估了黄土的抗拉强度,导致朗肯主动土压力计算值偏小,而基于黄土抗拉强度建立的联合强度可以合理地评价黄土的主动土压力。     

黄土高边坡土钉-预加固桩复合支护体系性状分析

土钉-预加固桩复合支护技术已在基坑及边坡工程中取得了大量应用,但在黄土高边坡开挖中的应用相对较少。基于详细的现场监测数据并辅以有限元数值计算,分析了边坡开挖过程中支护体系受力及变形随时间和空间的变化规律。结果表明：预加固桩的水平位移随着时间的推移与开挖深度的增加呈增大趋势,并最终趋于稳定,同时,桩身剪力及弯矩亦随开挖的进行而不断增大;剪力最大值的位置不断下移,说明边坡的潜在滑动面有不断向下扩展的趋势。与深基坑支护桩的土压力分布相比,土钉-预加固桩复合支护体系中桩后土压力随开挖呈不断减小的趋势,但桩前土压力随着开挖深度的增加,有增有减。随着施工开挖深度的增加,土钉所测得的应力有着明显的增大,说明土钉对抑制坡体变形起到了一定作用。在预加固桩的影响下,桩上方坡体的最危险破裂面为圆弧状,其剪出口位于预加固桩桩顶处。开挖深度较浅时,土钉对整体稳定性的贡献较大,而随着开挖深度的变大,预加固桩的加固效果开始占主导地位。     

黏性土的非极限主动土压力计算方法研究

经典土压力理论只能计算挡土墙位移达到极限状态时的土压力。为了更贴近工程实际,需要发展非极性土压力理论,但以往的研究仅限于砂土。对于黏性土的非极限主动土压力,在已有成果的基础上,从黏性土的应力莫尔圆出发,推导了介于初始状态和极限主动状态之间的中间状态时,黏性土的内摩擦角? 随墙体位移变化的关系公式;同时考虑了墙土接触面上外摩擦角? 和黏聚力cw的影响,根据黏性土应力莫尔圆的几何关系得到了土体黏聚力c与墙体位移的关系;最后应用水平分层法求得了非极限状态时黏性土的主动土压力计算公式。与模型试验数据的对比分析表明,理论计算值和试验实测值基本吻合。研究表明,计算方法对于计算黏性土在非极限状态时的主动土压力具有一定的理论意义,在实际工程中也具有相应的实用价值。     

曲线滑裂面下有限宽度填土主动土压力计算

开展了刚性挡墙平动变位模式情况下墙后有限宽度土体破坏试验。试验结果表明,在墙后填土宽度较小情况下,土体破坏面为通过墙踵及某一固定点的曲面,由此基于变分极限平衡法,导得滑裂面曲线的具体方程式为对数螺旋曲线。在此基础上,结合薄层单元法,得到了墙后有限宽度土体的主动土压力合力及土压力强度的分布。与室内观测结果及库仑土压力值的对比表明,该方法相比经典土压力方法更接近于实测值。分析了不同填土宽高比n下的主动土压力分布规律,结果表明,主动土压力随n增加而逐渐增加,但n达到0.55时趋于稳定,因此,该值可作为墙后土体有限宽度的界限值。     

斜支撑支护基坑与相邻地下室有限土体土压力反演分析

为探讨斜支撑支护基坑与相邻地下空间有限土体土压力分布规律,对某基坑现场监测数据进行反演分析。研究基于试算法改进后的三次样条法,运用Matlab软件进行反演计算得到支护结构弯矩值和桩后土压力值,结果表明:受有限土体位移模式、非极限状态、边界条件的影响,有限土体主动土压力在开挖面以上,呈现明显的"R"字形分布,比经典土压力计算值小约16.3%;被动土压力与主动土压力差值在开挖面以下,呈现近似矩形分布,比经典土压力计算值小约65%,分析结果可为该类工程支护设计及计算提供依据和参考。      

相邻基坑有限宽度土条主动土压力的计算

同步开挖的相邻基坑间有限宽度土条不同于以往的邻近既有建筑基坑的有限土条,其破坏方向未知,破坏形式多样,土条两侧的主动土压力计算不能沿用以往的研究成果来扩展应用。借鉴筒仓受力原理应用于相邻基坑间的土条分析计算,通过力学平衡分析和微分方程求解,得出基坑开挖中两侧均为支护结构的有限宽度土条（砂土和黏性土）的主动土压力计算公式,该公式输入参数少、假设条件少,使用方便。对比朗肯主动土压力计算公式和有限元数值模拟计算结果,该计算公式与有限元模拟计算结果基本一致,在相同深度处计算的土压力远小于朗肯土压力。     

改进的主动土压力计算方法

墙背土压力分布与挡土墙的位移大小和转动模式密切相关。针对绕墙底向外转动的刚性挡土墙,基于土压力形成机制的分析及已有的研究成果,建立挡土墙位移与墙背土体内摩擦角发挥值之间的关系式,反映了墙背土体内摩擦角随着挡土墙位移的增加而渐进发挥的过程。在此基础上,提出一种改进的考虑位移影响的主动土压力计算方法。计算结果表明,随着挡土墙位移的增大,墙背土压力由静止土压力逐步减小。当挡土墙位移达到临界值后,相应的墙背土压力均收敛于库仑主动土压力。墙底背面土压力也是随着挡土墙位移的增长而逐步收敛于库仑主动土压力。与模型试验结果对比表明,理论计算值与试验实测值基本吻合。     

某围护结构上土压力实例分析

对某公路大桥超深锚锭基础围护结构上实测的土压力、孔隙水压力分布及其位移变化规律进行了详细分析。围护结构上土压力的实测值远小于计算的主动土压力值,且随开挖加深而不断减少,变化规律也随土层分布的差异而有所不同,围护结构上的侧向位移随开挖加深不断减少,孔隙水压力的变化受坑外水位影响较大。     

不同地层条件下复合土钉墙轴力的研究

复合土钉墙是一种新型的支护技术,不同于传统的土钉支护。本文将复合土钉墙支护技术分别应用于饱和黄土地层和粉喷桩复合地层,并通过有限元模拟计算,对其在不同地层条件和不同开挖阶段的轴力情况进行了分析研究。可以看出,复合土钉所受的轴力不仅随地层条件的不同而不同,而且随基坑开挖深度的增加而增大。这些结论将为以后设计复合土钉墙和进行基坑开挖过程中事故的防范提供重要参考      

均质土体中土钉受力的极限分析上限法

土钉支护是加固机制上的锚固机制,土钉支护的受力和变形是随施工过程逐步变化的。采用追踪施工过程的增量计算方法,并将稳定性分析与土钉轴力计算相统一,根据稳定性要求来计算土钉受力,是土钉支护中土钉受力计算的合理途径。考虑到土钉支护中土与土钉共同作用以及潜在滑移面处土钉受力的特点,在土钉支护的稳定性分析中可以采用极限分析上限方法。根据上限方法中的相容速度场以及土钉受力与位移的关系,可确定在上限分析中每一开挖工况下土钉轴力增量的比例关系。应用上限方法的能量方程进行每一开挖工况下土钉支护稳定性的计算,即可优化求解出每一开挖工况下的土钉所需提供的能量耗散,而后依据上述确定的增量比例系数,即可求得该开挖工况下的土钉轴力增量,而各开挖工况下土钉轴力增量的积累即为最终土钉轴力。通过工程实例计算表明,上述方法是准确和有效的。     

土钉墙面层位移和内力的计算分析

面层对于土钉墙的稳定以及通过土钉把土压力传递到稳定的土体中去具有非常重要的意义。土钉墙面层承受一定比例的水土压力已是不争的事实,然而,在目前的土钉墙设计中往往把面层按照构造进行配筋而不作计算,因此设计中没有体现到面层应有的作用。对土钉墙面层的受力情况进行了简化分析,把面层看作是文克尔地基上的有限长梁,将土钉作为作用在面层上的集中力系,得到了土钉墙面层位移和内力的解析解。计算结果表明,面层位移的最大值不在坡顶,而是在坡顶靠下的位置,其位置随着基坑开挖深度的增加而下移,呈现出中间大两头小的变化规律,与实测结果较为相近;位移的大小对土体的内摩擦角和黏聚力较为敏感,因此在基坑开挖过程中应做好降水工作,以防止水渗透到土体中,降低土体的物理力学性质指标。解析解也揭示了土钉墙面层内的弯矩和土压力的分布特征：面层内的弯矩随着基坑深度的增加而增加,但靠坡顶增加平缓,而在坑底稍上弯矩曲线斜率增大,同时达到最大值,且呈现出中间大两边小的现象,而靠近坑底的位置渐渐演变成为负弯矩,其原因是坑底被动区面层上作用有较大的被动土压力;而面层内的土压力分布性状与位移具有相似的分布规律和性状特征。以严谨的弹性力学理论为基础提供了研究土钉墙的实用方法,得到的结论为土钉墙的设计提供参考,并加深对土钉墙支护结构的理解和认识。     

基于明德林解的土钉内力计算方法

土钉内力计算是土钉墙设计计算的关键指标,通过虚拟开挖应力模拟土钉墙开挖状态,假定面层受力为0,提出了钉土剪力在潜在滑动面两侧沿土钉方向呈双三角形分布的计算模型,推导了钉土剪力和土钉轴力的计算公式。利用Mindlin应变解,得到在虚拟开挖应力和钉土剪力共同作用下潜在滑动面位置土体及土钉端部土体侧向位移,根据钉土剪力分布模型计算得到土钉在潜在滑动面位置的弹性变形。根据钉土剪力在潜在滑动面位置等于0的特点,得到钉土相对位移在潜在滑动面位置为0的结论,结合潜在滑动面位置两侧土钉轴力大小、相等方向相反,可以得到钉土剪应力计算公式中未知系数,从而得到土钉轴力和钉土剪力。通过与法国CEBTP大型试验1号墙实测数据的对比分析,初步验证了基于Mindlin解的土钉内力计算方法的合理性和可行性。     

土钉支护中土钉力和位移的计算问题

土钉支护是一种比较经济的支护方式,工程实践中已广泛应用,但其设计理论则相对缺乏。针对目前土钉支护设计中存在的主要问题,即土钉力和土钉支护位移的计算分析,以工程实测资料为背景,根据侧壁主动土压力与总土钉力相等的原则,考虑施工过程的影响和增量法的思想,提出了基于经验和理论相结合的土钉力计算公式。按照弹性力学理论,对由于土的开挖引起支护的土体侧移提出了简易的位移计算公式。通过工程实测检验了公式的正确性。这些计算公式简便,其结果较符合实际,较好地解决了土钉支护设计的主要问题,可为工程设计提供参考。