深基坑土钉支护现场测试及优化设计

根据深基坑施工过程中形破裂观察资料，位移监测资料以及土钉应变测试资料，对土钉支护的作用机制作了初步探讨。     

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。     

土钉加固边坡稳定性分析与计算

在公开发表资料的基础上,对有关文献中提出的考虑土钉抗剪作用的分析方法进行了探讨,并利用圆弧滑动法分析了影响土钉加固边坡稳定的若干因素。     

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。     

土钉抗拔承载力计算方法

土钉抗拔承载力是影响土钉设计的关键指标,规范给出的计算方法具有较大的随意性。土钉的极限抗拔承载力受到钉土界面强度、土钉周围土体强度、上部土压力以及土钉杆体材料等因素的影响,本文根据不同情况把土钉拉拔的破坏方式分为4种:(1)沿钉土界面上发生的圆柱形剪切破坏;(2)沿土钉周围土体内部发生土体形剪切破坏;(3)破坏面部分位于钉土界面部分位于土钉周围土体的复合剪切破坏;(4)由于土钉杆体材料屈服发生的破坏。基于摩尔库伦准则,假定土体中侧向压力沿土钉杆体方向线性变化,本文推导了发生土体剪切破坏、复合剪切破坏时的土钉抗拔极限承载力计算公式,通过计算实例表明在大多数粘性土中土钉极限抗拔的破坏方式为土体剪切破坏。     

基坑支护中土钉内力计算方法对比分析

大量足尺模型试验和实地监测结果表明,土钉支护中土钉内力具有开挖效应,土钉最大拉力出现在基坑中部,上部和下部内力均较小.规范《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120-99）及《基坑土钉技术规程》 （CECS 96∶97）的设计计算理论均不能准确反映土钉墙现场原型观测中实际土钉力,以上问题给合理确定土钉长度带来困难,使计算土钉力及确定长度更多依靠经验,造成土钉力设计偏于不安全或偏于保守.通过分析现行规程计算土钉力与实测土钉力的不一致性,指出现行规程计算方法存在的缺陷,进而分析研究土方开挖对土钉力的影响,讨论了基于增量法的土钉内力简化计算方法.     

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。     

土钉支护现场测试及三维数值模拟分析

在进行土钉轴力和边坡位移测试的基础上 ,进行了土钉支护的三维数值模拟研究 ,对边坡位移、土钉轴力、塑性区分布等分别作了较为深入的探讨 ,认识到土钉与土体相互作用形成了一个完整的支护体系 ;基坑失稳破坏并非传统意义上的土体和土钉的破坏 ,而是土钉支护体系的整体性破坏 ;土钉支护体系的形成正是通过土钉的分担作用、应力传递与扩散作用来实现的 ,这是土钉支护作用的实质.     

土钉墙模型试验分析

通过土钉墙模型试验,研究土钉的分布对上钉墙成形整体的作用,超载对土钉墙的影响。     

注浆体对土钉受力特性的影响研究

基于土钉抗拔力学模型的解析解,结合现场土钉抗拉试验工程实测数据,分析了水泥注浆体弹性模量Eg及钉土剪切变形系数K的变化对土钉受拉力学特性的影响。结果表明,随着Eg的增大,最大荷载下钉头位移逐渐减小,浅部钉土间相对位移和剪力有所减小,而深部则有所增大。Eg越大,钉土间相对位移和剪力沿钉身的变化越小,各部分侧阻分布趋于均匀。随着K的增大,最大荷载下土钉沿钉长各处的相对位移均减小,且减小比率逐渐降低,注浆对土钉的影响逐渐趋弱。相同变化率下K对土钉荷载-位移曲线的影响要大于Eg,而对钉土间剪力的影响则不及Eg的影响大。     

离心场中土体图像采集与位移测量系统的研制与应用

以存储前移为主要思路,开发了离心场中高质量图像高速采集与位移非接触测量系统。该系统由图像采集、数据存储、通讯控制、分析处理和辅助制样5个子系统组成,能够克服高速旋转的离心场的干扰,在离心模型试验过程中高速采集高质量图像。该系统能够对多点同时进行测量,从而得到土体表面任意时刻、任意区域的位移场,并具有对土体无干扰、测量精度高、前期准备工作量小、自动化程度高等优点。使用该系统对土坡破坏离心模型试验中的土坡变形过程进行了测量,结果表明,土坡的破坏过程可分为均匀变形、应变局部化和破坏后变形3个阶段,加载过程中首先在坡顶和坡脚产生应变局部化。     

填料粗粒含量对筋土界面拉拔性状的影响

基于可视化拉拔系统及数字照相量测技术,针对5种不同粗粒含量 （粒径>5 mm颗粒的质量百分数）的粗粒土开展拉拔试验,探讨了粗粒含量 对筋土界面强度指标、颗粒位移演化及土工格栅应变等的影响。研究表明：界面黏聚力c与界面摩擦角 随 增加呈不同程度增加; 从20%增长至35%后,土工格栅末段出现应变及拉拔力峰值时所对应的格栅拉拔位移均减少,但各段土工格栅应变量增加;随着 的增加,筋土界面粗粒土颗粒位移矢量方向逐渐趋于水平,其位移量显著减小。同时,筋土界面空洞明显减少; 增加使筋土界面的粗粒土颗粒位移减小,而间接影响区范围扩大,使一定高度范围内的粗粒土颗粒被间接带动,在宏观上使界面似黏聚力增加; 增加后,位于筋土界面V3处的土颗粒最大位移速度减小。位于间接影响区的V1、V2处的土颗粒最大位移速度因受间接影响区范围扩大,颗粒扰动加强而有少量增大。     

负温条件下激光位移传感器的标定

在使用激光位移传感器测试冻土位移中,由于测试现场环境条件恶劣,厂家给出的传感器线性度会降低,因此,需要对所有传感器在使用前应模拟使用时的环境条件重新进行标定。为验证激光位移传感器在冻土测试中的适用性,依据德国森萨帕特FT-50RLA220型激光位移传感器的结构、使用特点、技术指标,设计了由控温箱、标定支架、激光位移传感器、量块及数据采集装置组成的标定的装置,进行了不同负温条件下对激光位移传感器标定,并依据标定试验结果进行拟合参数修正,得到不同环境温度下的试验结果的线性度和迟滞特性。试验结果表明：不同的环境温度下,两个激光位移传感器与标准厂家测试曲线存在差异,不同负温条件下标定的两个激光位移传感器的拟合优度R²分别为0.999和1;线性度最大值分别为0.88%FS和0.32%FS。     

基坑全过程开挖及邻近地铁隧道变形实测分析

根据邻近已运营地铁隧道的基坑工程监测数据,对基坑开挖全阶段施工过程的深层土体侧向位移与邻近地铁隧道变形之间的规律展开研究,探讨基坑开挖的施工危险节点与重点影响区域。研究发现,基坑开挖前期围护结构施工和降水均对地层和邻近地铁产生了不容忽视的初始位移影响,围护结构长时间无支撑暴露是基坑侧移快速增长的危险时段;基坑开挖具有空间效应,中部侧向变形要大于边角,且单向开挖易造成后挖区土体的位移场和应力场叠加,引起邻近隧道的最大变形向后挖区偏移;基坑开挖深度与邻近地铁埋深相近时,隧道结构产生显著的水平位移和“横鸭蛋”式收敛变形,竖向位移波动不大;深层土体侧移曲线表现为“阶梯鼓肚形”,土体最大水平位移与隧道变形在小范围内呈线性关系,但随着侧移量的增大,隧道变形发生偏离拟合曲线的超线性增长,在工程中应值得关注。     

Analysis of piles subjected to lateral soil movements using a three‐dimensional displacement approach

An analytical approach using the three‐dimensional displacement of a soil is investigated to provide analytical solutions of the horizontal response of a circular pile subjected to lateral soil movements in nonhomogeneous soil. The lateral stiffness coefficient of the pile shaft in nonhomogeneous soil is derived from the rocking stiffness coefficient that is obtained from the analytical solution, taking into account the three‐dimensional displacement represented in terms of scalar potentials in the elastic three‐dimensional analysis. The relationship between horizontal displacement, rotation, moment, and shear force of a pile subjected to lateral soil movements in nonhomogeneous soil is obtainable in the form of the recurrence equation. For the relationship between the lateral pressure and the horizontal displacement, it is assumed that the behavior is linear elastic up to lateral soil yield, and the lateral pressure is constant under the lateral soil yield. The interaction factors between piles subjected to both lateral load and moment are calculated, taking into account the lateral soil movement. The formulation of the lateral displacement and rotation of the pile base subjected to lateral loads in nonhomogeneous soils is presented by taking into account the Mindlin equation and the equivalent thickness for soil layers in the equivalent elastic method. For lateral movement, lateral pressure, bending moment, and interaction factors, there are small differences between results obtained from the 1‐D and the 3‐D displacement methods except a very flexible pile. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

夹硬层土中单桩贯入挤土效应的数值模拟

桩贯入土体产生的挤土效应问题较为复杂。利用ABAQUS软件建立了单桩贯入夹硬层土和均质土的二维轴对称有限元模型,经过分析比较,得出了单桩贯入夹硬层土体所特有的位移场及应力场的变化规律。分析表明：桩贯入夹硬层土过程中,软硬土层交界处土体水平位移变化剧烈;硬土层的存在,会使土体水平及竖向位移受到约束;夹硬层土的水平挤压应力要远大于均质土情况;与水平应力相比,竖向挤压应力在硬土层处明显偏小。     

基于数字图像的砂土压缩变形模式的试验研究

基于数字图像处理技术,利用图像分析程序包PhotoInfor分析了侧限压缩条件下砂土各加荷阶段土体位移的产生、发展与演化全过程,发现砂土的位移场类似于抛物线形状,位移等值线呈轴对称分布,位移量最大的区域总是发生在上透水石的下底面中心处。单调加荷条件下,位移增量主要集中在局部变形带附近,其范围有继续延展和贯通的趋势,顶部、中部测点的土体位移与整体压缩量基本呈同步增长;顶部的土体位移量始终大于中部,加荷的中后期差别更加明显。与粉质黏土位移场进行对比试验分析,砂土内部的应力传递、变形模式以及荷载的影响范围均表现出明显的差异。上述研究为深入探讨基底压力的分布规律,利用宏观试验现象研究砂土细观结构变化的定量模型提供了新的思路。     

被动桩侧土体位移场的透明土模型试验

常规室内模型试验中,土体侧向位移作用下桩身变形特性能够获得,而桩周土体内部的位移很难量测。因此,结合透明土材料、粒子图像测速(PIV)技术和光学测量系统,设计了侧向位移作用下被动桩桩周土体变形测量试验系统。通过非插入式测量,得到桩不同埋置深度下桩周土体的位移场。试验结果表明:相同侧向位移模式下,桩埋置深度越大,桩对桩前土体的遮拦效应越明显,中间与两侧土体的相对位移越大。基于模型试验的结果建立了数值模型,参数敏感分析表明土体侧向位移形状对桩前土体位移遮拦效应的影响程度依次为矩形、抛物线形和三角形,且遮拦效果随着桩径的增加而更加明显。     

充气截排水渗流与变形耦合数值模拟

为了探究坡体充气时土体渗流与变形之间的变化规律,利用有限元软件建立厚12m、长100m的二维边坡模型,进行渗流-变形的非完全耦合数值模拟,得到对坡体采取充气截排水方法降低地下水位时坡体内充气非饱和区的形成过程,以及坡体表面土体竖向位移的变化过程。结果表明:一个完整稳定的非饱和区形成过程可分为充气初始阶段、非饱和区扩大水位抬升阶段、不稳定两相流阶段和非饱和区稳定阶段,充气压力过大或过小都无法形成稳定完整的非饱和区;当充气压力为100kPa时,坡体表面土体的竖向位移均随时间呈现先增大后减小的规律,与土体中非饱和区的发展具有一定的协同性;不同充气压力下,偏向充气点上游的坡体表面土体竖向位移随充气压力的增大而增大,偏向充气点下游的坡体表面土体竖向位移的变化具有不确定性。     

A multidirectional semi‐analytical method for analysis of laterally loaded pile groups in multi‐layered elastic strata

A semi‐analytical method for calculating the response of single piles and pile groups subjected to lateral loading is developed in this paper. Displacements anywhere in the soil domain are tied to the displacements of the piles through decay functions. The principle of virtual work and the calculus of variations are used to derive the governing differential equations that describe the response of the piles and soil. The eigenvalue method and the finite difference technique are used to solve the system of coupled differential equations for the piles and soil, respectively. The proposed method takes into account the soil surface displacement along and perpendicular to the loading direction and produces displacement fields that are very close to those produced by the finite element method but at lower computational effort. Compared with the previous method that considered only the soil displacement along the loading direction, accounting for the multi‐directional soil displacement field produces responses for the piles and soil that are closer to those approximated by the finite element method. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.