砂土基坑土钉支护研究赵晓峰

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1、砂土基坑土钉支护研究赵晓峰(中国有色金属工业西安勘察设计研究院，陕西西安710054)摘要：本文从砂土基坑侧壁的稳定性计算、非饱和砂土的似粘聚力、超前花管或超前微型桩等方法在砂土基坑支护中应用、砂土基坑边坡摩擦力自锁条件、砂土与击入式土钉侧摩阻力等方面，对如何在砂土基坑中应用土钉支护方法进行了系统研究，拓宽了土钉支护的应用范围，从而发挥了土钉支护的诸多优点。关键词：砂土；基坑；土钉支护土钉支护是近三十年来发展起来的一种用于土体开挖和边坡稳定的新型挡土结构，由于有造价低、施工迅捷、施工现场文明、能够适用多种地质条件等优点而在基坑支护和边坡加固中得到了广泛的应

2、用。土钉支护一般适用于土有一定自稳能力，这样当分层开挖过程时能够保持边坡的暂时稳定，使土钉结构能够顺利设置。砂类土为无粘性土，由于期粘聚力c=0，其自立高度为0，这使土钉在砂土基坑边坡支护中的应用受到了很大的限制。本文将从砂土基坑侧壁的稳定性计算及潜在滑动面的形状、非饱和砂土的似粘聚力的利用、超前花管或超前微型桩等方法在砂土基坑支护中应用、砂土基坑边坡摩擦力自锁条件的利用、击入式土钉的侧摩阻力等方面，对砂土基坑土钉支护进行了系统地研究与阐述。一、砂土基坑侧壁的稳定性计算对于砂土基坑边坡，砂土土颗粒属于粗颗粒土，有时也称为无粘性土土坡。由于非饱和砂土颗粒间存

3、在基质吸力及“似粘聚力”等，因此情况要复杂一些。这里的稳定性计算我们仅对水位以上的干坡及完全水位以下的饱和且无渗流的水下无粘性土坡进行理论分析。（一）砂土的天然休止角要使无粘性土坡稳定，只要坡面上的土颗粒在重力作用下能够保持稳定，整个土坡就能处于稳定状态。对于砂土可通过漏斗在地面上堆砂堆，无论砂堆多高，所能形成最陡的1坡角是一定的，这个坡角就是土坡处于极限平衡状态时的坡角，也称为砂土的天然休止角。同样在水下也可以进行这样的测试，所测的最大坡角称为水下休止角。一般情况下测出的天然休止角比水下休止角要大，他们三者的关系为α湿>α干>α饱和，此关系式表示非饱和湿

4、砂土、干砂土及水下完全饱和砂土休止角之间的数量关系。以上测试的砂土天然休止角，其值等于砂在松散状态下的内摩擦角，当砂土经过一定的压密作用后，其内摩擦角会相应增大。砂土的天然休止角应当是原位砂土层内摩擦角的下限值。原位砂土层的内摩擦角的测试一般采用原位剪切试验的方法进行测试，工程界也常用标准贯入试验等原位测试方法按经验公式间接确定砂土的内摩擦角。（二）砂土边坡的稳定性分析1.坡面质点极限平衡分析[1]从坡面取一小块土体作为质点来分析它的稳定条件（如图-2所示）。设质点的重量为W，W没坡面的滑动力T=Wsinβ。垂直于坡面的正压力N=Wcosβ，正压力产生摩擦

5、阻力，阻抗土体下滑称抗滑力，基值为R=Ntanφ=Wcosβtanφ，定义稳定系数Fs为：抗滑力RWcosβtanφtanφF====s滑动力TWsinβtanβ式中，φ——土的内摩擦角（°）；β——土坡的坡角（°）。很显然，分析的质点无论在坡面上的哪一个高度，都能得到上述结果，因此稳定系数Fs代表了整个边坡的安全度。TNWα图-2坡面质点受力分析2.契形体平面滑动假定分析[2]沿土坡长度方向截取单位长度土坡作为平面应变问题来分析。假定滑动面形状为平2面，并将滑动面以上土体作为刚体进行受力分析。如图-3所示，已知土坡的高度为H，坡角为β，土的重度为γ，土的

6、抗剪强度τ=σtanφ。假定滑动面是通过坡脚A的平面AC，AC的倾角为α，则可计算滑动土体ABC沿AC面上滑动的稳定系数Fs的值。BCTHNWβαA图-3砂土边坡平面滑动稳定计算已知滑动体ABC的重力为：W=γ×(ΔABC)；W在滑动面AC上的法向分力及正应力为：NWcosαN=Wcosα，σ==ACACW在滑动面AC上的切向分力及剪应力为：TWsinαT=Wsinα；τ==ACAC土坡的稳定系数定义为：WcosαtanφτfσtanφACtanφF====sττWsinαtanαAC对于砂土其滑动面与水平面夹角α与砂土的内摩擦角相等，即当β=α，时tan

7、φtanφtanφtanφ==1，边坡处于极限平衡状态；当β>α时，<=1，边坡处于tanβtanαtanβtanαtanφtanφ不稳定状态；当β<α时，>=1，边坡处于稳定状态。为了直观表示，通常tanβtanαtanφ将砂土土坡和稳定系数表示为：F=。同样也得出了砂土边坡的稳定性与边坡的高stanβ度是无关的结论。3.考虑土钉抗拔作用的契形体平面滑动分析如图-4所示，增加了土钉后，在计算稳定性时考虑了土钉的抗拔作用和滑动面上抗剪3强度的增加等因素。BCθRTHNβWαA图-4考虑土钉作用的稳定系数计算WcosαHtanφ+Rcos(α+θ)+c()H

8、sinα()τfσtanφ+Rcos(α+θ)+c⋅ACsinαF