土钉墙支护结构土压力调整系数研究

来源:用户上传      作者:

　　摘要：本文针对规程《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120－2012）中土钉轴向拉力调整系数ƞj进行研究。结果表明：规程JGJ120－99对于粘性土算得的土钉轴力偏小，对于砂土算得的土钉轴力偏大。新规程中引入调整系数ƞj后，土钉轴力分布更合理。工程实例表明：合理的ƞb取值可使计算结果和实测值很接近。
　　关键词：轴力分布；土钉拉力；调整系数；
　　Study on the Earth Pressure Adjustment Coefficient of the Soil Nailing Wall Supporting Structure
　　 ZHU Xian-rongYAO Xu-wei
　　(Hebei University of Engineering , Handan 056038, China)
　　Abstract: This paper mainly studies the axial tension adjustment coefficient ƞj on the basis of Technical specification for retaining and protection of building foundation excavation. (JGJ120－2012)．The results show that ：Incohesivesoil ，the soil nail axial force standard value is smaller under the guidance of code JGJ120－99 , but in sandy soil, the result is the opposite. Soil nail axial force distribution is more reasonable, when New rules introduced in adjusting coefficient ƞ j. Engineering practice shows that assigning reasonable values of ƞb can make the calculation values very close to the measured values.
　　Key words: Axial force distribution; soil nail tensile; adjustment coefficient
　　中图分类号： TU3 文献标识码： A
　　0前言
　　深基坑支护中土钉支护以其优越的经济效益已成为目前较主要的一种支护形式。因此合理的土钉轴力计算显得尤为重要。有关土钉轴力的计算, 规程JGJ120－99中采用土钉力按面积分担的经典朗肯土压力, 其土压力分布为三角形, 该法得到的土钉力沿基坑深度方向呈线形递增。很多工程实例表明按原规程计算的土钉轴力与实测值偏差较大，最后一层土钉拉力的实测值基本上是计算值的60%-70%，而按土钉规程CECS96:97计算的土钉轴力偏于保守。规程JGJ120－2012在原规程中引入了土钉轴向拉力调整系数ƞj，本文就ƞj进行详细讨论，以期解决土钉拉力计算不合理的问题。
　　1新规程中土钉拉力的计算
　　土压力沿墙面的分布形式，原规程直接采用朗肯土压力线性分布。原规程施行后，根据一些实际工程，人们发现按朗肯土压力线性分布计算土钉承载力时，往往土钉墙底部的土钉需要很长才能满足承载力要求，而工程实例表明土钉墙底部土钉很长并不一定合理。虽然简化增量法[3]考虑施工过程的影响，作用于土钉上的土压力仍为朗肯土压力（)，但土压力分布形式与土钉施工过程有关，得出的土钉轴力分布模式与很多实测结果较吻合，但计算过于复杂。由于土钉墙墙面是柔性的，且分层开挖裸露面上土压力是零，建立新的力平衡使土压力向周围转移，墙面上的土压力则重新分布（即考虑施工过程的影响）。因此，新规程在原规程的基础上引入了土钉轴向拉力调整系数ƞj。每根土钉的调整系数ƞj值是不同的，每根土钉乘以ƞj后，土钉轴力分布形式不再呈线性递增。为方便讨论，将新规程中的系数引用如下：
　　
　　
　　式中： ηj──土钉轴向拉力调整系数；
　　zj──第j层土钉至基坑顶面的垂直距离(m)；
　　 h──基坑深度(m)；
　　ΔEaj──作用在以sxj、szj为边长的面积内的主动土压力标准值(kN)；
　　ηa──计算系数；
　　ηb──经验系数，可取0.6～1.0；
　　n──土钉层数。
　　 分析以上公式有:当ƞb=1时，ƞa=1,则ƞj=1。当ƞb=1时也就是原规程的线性递增情况，即原规程结果。当ƞb≠1时，ƞa>1,每排土钉的ƞj均不同，土钉拉力分布将发生变化。为方便讨论，下面通过对土性因素进行分析，得出不同类土中ƞj系数的变化规律。
　　
　　3土性参数分析
　　 土钉支护中, 导致土钉拉力变化的因素较多，本文主要考虑土性参数( c、φ)对土钉拉力的影响。
　　3.1.1粘聚力c对土钉轴力的影响
　　简单算例中,设计5排土钉。考虑c的变化对土钉轴力的影响，结果如：图1
　　
　　 第一道土钉 第二道土钉
　　
　　第五道土钉
　　图1粘聚力c变化对土钉轴力的影响
　　3.1.2内摩擦角φ对土钉轴力的影响
　　 简单算例中,设计5排土钉。考虑φ的变化对轴力的影响，结果如：图2
　　
　　 第1排土钉 第2排土钉
　　
　　第5排土钉
　　图2 内摩擦角φ变化对土钉轴力的影响
　　图1、图2中因第2排到第4排土钉拉力分布规律相同，所以省略3、4排。由上图可得：（1）不同类土中（砂土、粘性土）土钉轴力：随c的增大而变小；随φ的增大而变小；（2）当c、φ值较小时（砂土）原原规程计算的结果偏小，当c、φ值较大时（粘性土）原规程计算的结果偏大。这一点与文献[5]中图表反映的现象：砂土原规程计算的结果偏小，粘性土原规程计算的结果偏大，相吻合；（3）最后一排土钉，无论是砂土还是粘性土原规程计算的土钉轴力均偏大。
　　土钉轴向拉力调整系数ƞj随c、φ的变化规律见表1-2。
　　砂土中因原规程计算的土钉轴力偏小，但最后一排土钉计算的轴力偏大。所以ƞj系数，呈现出沿坑深依次减小的趋势。即对上排土钉轴力增大(ƞj>1)，最后一排土钉轴力折减(ƞj<1)；粘性土中因原规程计算的土钉轴力偏大，所以ƞj系数，呈现出沿坑深依次减小的趋势，且ƞj<1，即对每排土钉轴力均折减。最后一排土钉轴力调整系数ƞj：当c、φ值较小时（砂土）ƞj较大，当c、φ值较大时（粘性土）ƞj较小，当ƞb=0.6时ƞj大致为0.6-0.7。
　　每排土钉，砂土中ƞj随着c、φ值增大无变化，粘性土中ƞj随着c、φ值增大亦无变化。这主要是因为ƞj与土钉的设置情况有关。土钉疏时ƞj相对较大，土钉密时ƞj相对较小。由此也可以看出：当坑深一定，土钉设置一定，砂土、粘性土中的ƞj相对不变，即ƞj只与土的类别有关。
　　表1土钉轴力调整系数ƞj随φ的变化规律（ƞb=0.6，c=15kPa）
　　土钉 0° 5° 10° 15° 20° 25° 30° 35°
　　1 2.35 2.36 2.36 3 0 0 0 0
　　2 1.93 1.93 1.93 1.93 0.85 0.85 0.86 0.86
　　3 1.53 1.53 1.53 1.53 0.77 0.77 0.78 0.77
　　4 1.13 1.13 1.13 1.13 0.7 0.7 0.7 0.7
　　5 0.73 0.73 0.73 0.73 0.62 0.62 0.62 0.62
　　
　　表2土钉轴力调整系数ƞj随C的变化规律（ƞb=0.6，φ=20°）
　　土钉 0kPa 5kPa 10kPa 15kPa 20kPa 25kPa
　　1 2.3 2.34 2.32 0 0 0
　　2 1.93 1.94 1.93 0.85 0.87 0
　　3 1.53 1.53 1.53 0.77 0.77 0.77
　　4 1.13 1.13 1.13 0.7 0.7 0.7
　　5 0.73 0.73 0.73 0.62 0.62 0.62
　　
　　4简单算例分析
　　 本节以两种土性为主来讨论上述因素对土钉轴力的影响。为分析方便，本文只考虑单层土情况。土1是砂土，c=0kP,φ=35°。土2是c、φ都居中的粘性土，c=15kP,φ=25°, ,设计6排土钉。土钉拉力分布图见：图3，具体拉力值见：表3
　　
　　 3(a) 砂土3(b)粘性土
　　图3土钉轴力沿坑深分布规律
　　由图可得：砂土中当ƞb≠1时，土钉拉力分布将发生变化，上部土钉拉力增大，下部拉力变小。随着ƞb的减小土钉拉力呈现中间大、两头小的分布形状，即在图中中部外凸明显。粘性土中随着ƞb的减小每层土钉均折减，且最后一排土钉折减最多。从砂土和粘性土土钉拉力分布规律可以看出，新规程中引入ƞj调整系数后土钉拉力分布更合理。
　　表3ƞb取不同值对应的土钉轴力变化规律
　　 土1 (砂土) 土2 （粘性土）
　　土钉 ƞb=1 ƞb=0.8 ƞb=0.6 ƞb=1 ƞb=0.8 ƞb=0.6
　　1 14 26.5 39 0 0 0
　　2 24.9 42.1 59.3 7.2 6.7 6.3
　　3 37.3 55.7 74.1 27 24.5 22
　　4 49.7 64.3 78.9 47 41.2 35.4
　　5 62.1 67.9 73.2 67.1 56.7 46.3
　　6 71.9 64.2 56.5 83.9 68.3 52.7
　　 259.9 320.7 381 232.2 197.4 162.7
　　 由3表可得：砂土中，ƞb越小，越大，粘性土中，ƞb越小，越小。所以新规程条纹说明中有，每根土钉乘以轴向拉力调整系数ƞj后，各土钉轴向拉力之和与调整前的各土钉轴向拉力之和相等。在此，不要理解为绝对意义上的相等，只能是调整前后近似相等。
　　 结论
　　砂土原规程计算的土钉拉力偏小，粘性土原规程计算的土钉拉力偏大。所以，砂土中ƞb≠1时，上部土钉拉力增大(ƞj>1)，下部拉力变小(ƞj<1)；粘性土中ƞb≠1时，每排土钉均折减(ƞj<1)。但无论是砂土还是粘性土中最后一排土钉拉力均折减，ƞb=0.6时ƞj大致为0.6~0.7
　　经验系数ƞb取值时需要考虑的因素较多，本文只是针对部分因素展开了讨论。因工程实际比较复杂，只有在理论上不断完善，在实际工程中加强对土钉支护结构的观测，取得丰富的实测资料，才能对ƞb有更深刻的认识，使ƞb取值更合理，使计算结果与工程实际更接近。
　　
　　
　　参 考 文 献
　　[1] 建筑基坑支护技术规程JGJ120－2012 [S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2012.
　　[2] 陈肇元,崔京浩,等.土钉支护在基坑工程中的应用[M]. 第2版. 北京:中国建筑工业出版社,2000.
　　[3] 杨光华, 黄宏伟. 基坑支护土钉力的简化增量计算法[ J]. 岩土力学, 2004, 5 ( 1): 15- 191
　　[4] 张明聚，郭忠贤. 土钉支护工作性能的现场测试研究[ J].岩土工程学报，2001,23（3）：
　　[5] 吴雄志, 吴瑞智. 土钉拉力计算方法的探讨[J] . 河北煤炭, 2004（2）：5- 7
　　
　　
　　
　　
　　作者简介：朱显荣，男1986年生，硕士

转载注明来源:https://www.xzbu.com/2/view-4821713.htm