试析土钉支护工作性能及设计方法研究

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1、北京工业大学博士学位论文土钉支护工作性能及设计方法研究姓名：张钦喜申请学位级别：博士专业：结构工程指导教师：霍达;张延庆20040401摘要土钉支护技术是近些年发展起来的用于深基坑支护、岩土体边坡加固的新技术，因成本低、工期短、适应性强等优点得到广泛应用，但对其作用机理、工作性能的认识尚不够深入，设计和计算方法不够完善，在一定程度上影响和限制了其发展和应用。本文采用国际通用岩土工程数值分析软件FLAC，利用数值模拟的方法，详细分析了土钉支护的工作性能，包括土钉内力的大小、分布规律、影响因素；面层的变形、受力特点；地表沉降及地表水平位移的

2、变化和发展规律，为土钉支护设计方法的研究提供科学的依据。其次，针对局部稳定分析中关键的土钉内力计算问题，在对现有国内、外计算方法进行分析的基础上，指出其存在的问题，提出了基于极限平衡理论的滑楔法，并通过实例将该方法与现行规程方法进行了对比分析，迸一步说明了规程方法中的不足和明显不合理之处。第三，针对目前土钉支护整体稳定分析方法存在的计算公式不统一、现行确定性分析法的安全系数不能真实反映支护边坡的安全性的问题，在对土钉受力进行全面分柝，从理论上证明稳定性计算中土钉刚度、抗剪能力的作用非常小、勿需考虑的基础上，提出了土钉支护整体稳定分析的统

3、一表达形式，建立了进行支护边坡破坏概率分析的方法，运并用该方法进一步说明了确定性分析法存在的安全系数相同而破坏概率可能相差巨大的问题。最后，介绍了研究工作中完成的三个土钉支护工程土钉内力现场测试资料，以及实测数据与本文方法、现行规程方法的对比，作为对本文土钉内力计算滑楔平衡法的验证。本文取得的创新性成果和获得的主要结论有：1、通过数值模拟，得出了土钉内力及其影响因素的规律，分析了面层的作用，得出了地表沉降及地表水平位移的分布、发展规律：(1)、影响土钉内力的主要因素是土的强度参数，其次是边坡的坡度；土钉倾角对土钉内力的影响较小。总体而言

4、，土钉内力随深度增加而增大，但首排土钉由于受支护变形的影响．其内力大予第二排土钉，最下面一排土钉内力很小。(2)、土钉内力沿土钉长度呈中部大、两头小的分布形式，随着基坑}干挖，土钉中最大内力所在的位置逐渐后移。(3)、面层变形呈锯齿状，土钉钉头处变形小于土钉之间的变形，反映出土钉对面层变形的约束作用；面层的弯矩、剪力随深度的增加而增大，反映出面北京工业大学：【：学博士学位论文层受力也是随深度的增加而增大。因此，越是靠近下部的土钉越应加强与面层的连接。(4)、土钉支护的侧向变形的分布与边坡坡度有关，直立边坡坡顶侧向位移最大；随坡度变缓，最

5、大侧向位移所在的位置下移。(5)、在基坑深度较小时，土钉支护的地表沉降随距离基坑距离的增大近似呈线性减小，坡边的沉降最大；在基坑深度较大时，土钉支护的地表沉降在土钉长度范围内随距离基坑距离的增大近似呈线性减小，到达土钉末端处时，有少量增加，之后再近似呈线性减小，出现双极值现象，但沉降最大点仍在坡边。(6)、地表水平位移随距离基坑距离的增大近似呈线性减小，到达土钉末端时水平位移会有突然减小，这是由于土钉长度范围内的钉土复合体和土钉长度范围外的天然土体的刚度不同而造成的。2、指出了动极限分析法中的错误，提出了土钉内力计算的滑楔平衡法，编制了

6、计算程序。通过实例，与现行规程方法进行比较，发现和指出了其不足之处。3、通过对土钉受力、变形的全面分析，从理论上证明了土钉刚度、抗剪能力对土钉支护的整体稳定的作用极小、计算中可以忽略，为建立土钉支护整体稳定分析方法时合理考虑土钉的作用提供了依据。4、提出了基于极限平衡理论的整体稳定性分析的统一化表达形式，这对于今后统一安全系数的计算公式，规范土钉支护设计有一定的实际意义。5、建立了土钉支护整体稳定概率分析的方法，编制了计算程序；通过对比分析。证明了土性参数的变异性对土钉支护的安全性有重大影响，传统的确定性安全系数分析法不能真实反映土钉支

7、护的安全性。提出了今后应当将提高勘察设计和土工测试的水平、降低土性指标的变异性作为提高设计可靠性，降低设计风险、减少工程事故的重要途径之一。6、完成了三个工程土钉内力的现场实测研究：通过实测数据与现行土钉技术规程、基坑技术规程和本文滑楔法的对比分析，表明本论文提出的滑楔法计算结果与实测结果最为接近。可以较好的预测土钉在工作中的受力。关键词：土钉支护：数值模拟；工作性能；设计方法：可靠性分析lIAbstractABSTRACTThesoilnailingretainingsystem，whichdevelopedinrecentyears

8、，hasbeenwidelyusedindeepexcavation，reinforcementofslopesoilsandsoon．foritsadvantagesofIowerprice，shortp