年4月19日水泥土樁復合土釘支護體系結構設計與穩定性分析文檔僅供參考，不當之處，請聯系改正。目錄摘要 ⅠAbstract Ⅱ第1章緒論 11.1前言 11.2土釘支護技術的發展概況 11.3復合土釘支護技術的研究現狀 21.4水泥土樁復合土釘支護體系的概念和發展 31.4.1水泥土樁復合土釘支護體系的概念 31.4.2水泥土樁復合土釘支護體系研究與應用中存在的問題 41.5本文的主要研究內容 4第2章水泥土樁復合土釘支護體系的受力機理分析 62.1土釘支護受力機理分析 62.1.1土釘抗拔作用機理分析 62.1.2土釘抗剪作用機理分析 112.1.3釘土相互作用分析 132.2水泥土樁復合土釘支護受力機理分析 132.2.1水泥土樁復合土釘支護體系的支護作用原理 132.2.2水泥土樁復合土釘支護體系中樁的作用分析 142.2.3水泥土樁復合土釘支護體系變形特性分析 162.3本章小結 18第3章水泥土樁復合土釘支護體系的結構設計 193.1土壓力的分析計算 193.2土釘的設計計算 213.2.1土釘承載力計算 213.2.2土釘構造設計 233.3面層設計計算 243.4水泥土樁設計計算 243.4.1樁體抗滲設計 243.4.2樁體嵌固深度計算 253.5本章小結 25第4章水泥土樁復合土釘支護結構穩定性分析 274.1規范中的復合土釘穩定性分析方法 274.1.1《建筑基坑支護技術規程（JGJ120-）》的整體穩定分析方法 274.1.2《復合土釘墻基坑支護技術規范（GB50739-）》的整體穩定分析方法 284.1.3兩種規范的差異 314.2兩種計算方法的對比分析 324.2.1粘聚力c≠0的情況 324.2.2粘聚力c=0的情況 374.2.3不同土質條件下兩種規范計算方法對比分析 414.2.4樁的分擔作用隨c，φ值的變化規律 454.3本章小結 46第5章工程實例計算 475.1基坑工程概況 475.2工程地質條件 475.3基坑支護方案 485.4基坑整體穩定性計算 495.5本章小結 51結論與展望 52致謝 54參考文獻 55作者簡介 58第1章緒論1.1前言近30年來，中國城市建設及城鎮化發展迅速，隨著高層建筑工程的逐漸增多，地下空間的開發規模也越來越大，如廣深港鐵路客運專線深圳福田火車站基坑長近1000m，寬近80m，深度達到32m，是當前國內最大的地鐵客運車站。北京國家大劇院基坑工程總開挖面積達到近8萬m2，基坑深度最深處達到了32.5m。天津市117大廈基坑開挖面積近9.6萬m。基坑尺度的大深化已經成為基坑工程發展的新特點。當前，城市中的高層建筑主要分布在市區較為繁華的地段，這些地區建筑物較多，而且周圍一般都埋設有通信以及市政排水等各種地下管線，某些地區甚至與市區已有的道橋設施相聯系，環境條件特別復雜，在有些地質條件較為特殊的地區，地下水以及軟弱土質對基坑開挖和支護要求更為嚴格，在這些地區的基坑支護設計和施工過程中，不但要保證基坑本身的安全，還要綜合考慮基坑周邊的環境和地質條件，以不影響基坑周邊的環境和設施的正常使用為基本原則，因此控制基坑工程的變形顯得尤為重要。近年來，基坑工程的理論研究以及工程應用都得到了極大的發展，為了盡量減小基坑施工對環境的影響，在實際應用中也發展出了多種支護形式，這些基坑支護形式主要包括以下幾種：水泥土樁復合土釘支護；錨拉式排樁墻支護；地下連續墻結合內撐式支護；排樁結合內撐式支護以及組合型的基坑支護方式等。對某些支護方式，實際工程應用要先于理論研究，這對工程技術人員對基坑工程的設計及施工也提出了更高的要求，一方面要在施工過程中逐步積累經驗，另外也要加強理論方面的研究，以進一步深化對新型組合支護結構的認識，使其更好的應用于工程實踐。隨著基坑開挖深度和規模的擴大，基坑工程的難度也更加突出。這在地質勘查、設計計算、施工與監測等方面均對基坑工程的進一步發展提出了挑戰。1.2土釘支護技術的發展概況基坑土釘支護技術產生于20世紀后期，這種技術由于施工較為簡便，而且工程成本較低，因此，在這項技術出現之后，其工程應用較多，土釘支護的基本方法是在基坑按一定的坡度先開挖到一定深度，然后在土中以一定的傾角成孔，將螺紋鋼筋插入預先做好的孔中，再向孔內注入水泥漿，從而將鋼筋和周圍土體粘結在一起。在某些土質較軟或地層含水量較大而成孔較困難時，能夠直接將一定規格的鋼管插入土體內，再經過鋼管向土體內注入水泥漿，與周圍土體粘結，形成土釘體，起到加固土體的作用，用鋼筋網將坡面上的土釘端頭連接成一個整體，并在坡面噴射混凝土[1][2]。因為土釘體與周圍土體之間有摩擦力的存在，這樣施做的土釘墻就成為一個復合土體，它的力學強度得到了很大的提高，而且隨著基坑開挖深度的增加，土體變形時能將滑動力傳遞到土釘體，土釘體再將這些力逐步傳遞到深層土體，這樣就達到了限制基坑邊坡變形的目的[3][4]。土釘支護技術在國外的應用較早，在20世紀中期，德國法蘭克福地鐵隧道基坑支護工程就采用了這項技術，之后在20世紀70年代，法國凡爾賽附近的鐵路拓寬工程也采用了土釘支護的技術。雖然當時土釘支護在實際工程中的應用較多，但由于條件限制，對土釘支護工作機理的研究并不深入，更多的是根據工程經驗，設計和施工隨意性都較大。一直到20世紀末期，前西德才第一次對土釘支護的工作性狀和作用機理進行了研究，這個工程就是歷史上著名的“Bodenvernagelung”，工程對足尺土釘墻進行了測試試驗和整體穩定性等方面的研究。與此同時，法國為了制定本國的土釘支護規范，由Schlosser教授親自領導，對土釘支護工作機理進行試驗研究，模擬了土釘墻土釘拉斷或拔出以及基坑超挖等情況，分析由于這些因素造成土釘支護結構失穩時土釘的拉力分布情況。同一時期，德國、英國及美國等國的工程技術人員也都對基坑土釘支護的工作機理進行試驗研究，對土釘支護技術的發展做出了較大的貢獻[5][6][7]。中國在20世紀末期開始逐步在基坑工程中使用土釘支護技術。1982年，太原煤炭設計研究院的王步云首次成功地在工程中使用這一基坑支護技術，該工程即為山西晉中柳彎煤礦調度房的黃土邊坡加固。在道路、橋梁以及隧道的施工過程中，土釘支護也發揮了較大的作用，這方面也有很多成功的工程實例[8][9][10]。從20世紀90年代開始，中國城市發展越來越快，許多市政工程的建設都需要開挖基坑，土釘支護由于其施工及成本的優勢而得到了長足的發展，同時，對土釘支護工作機理的研究也在同步進行。1.3復合土釘支護技術的研究現狀在土釘支護技術廣泛應用于工程實踐的過程中，人們逐漸發現在某些情況下，土釘支護也有其弊端，比如：（1）單純土釘支護沒有隔水措施，在地下水位較高或者土質較軟的情況下，土釘支護難以施工或者穩定性達不到規范要求；（2）對基坑底部的土體，常規土釘支護是無法加固的，因此也就不能解決基坑底的隆起、流砂以及管涌等工程地質災害；（3）由于常規土釘施工之前必須先將基坑開挖到一定深度，因此基坑邊坡必須要有一定的自立高度，這在軟土地區是不能應用的，而且即使土體能夠自立，一般水平位移也會比較大，這對基坑支護變形控制是非常不利的；（4）常規土釘支護對基坑深度是有一定要求的，基坑太深或者土質較軟時，土釘支護就難以達到穩定性要求。為了解決這些問題，工程技術人員在實踐過程中提出了很多種組合形式的復合土釘支護，如水泥土樁止水帷幕+土釘支護、微型樁+土釘支護、上部土釘墻+下部樁錨的支護方式、預應力錨桿結合土釘墻的支護形式等[11]。復合土釘支護是在土釘支護的基礎上發展起來的，當前人們對土釘支護的研究還不是特別透徹，對復合土釘支護結構的工作機理的研究更少，而且復合支護結構非常復雜，周圍土體的性質又有其不確定性，因此對這一技術的理論研究遠落后于工程實踐，但工程技術人員對此也做了很多工作，其中的一些成果對工程實踐也具有很好的指導意義。在對復合土釘支護結構工作機理進行研究的過程中，有些成果非常具有研究和應用價值，比如在對土釘墻超前支護的研究中，屠毓敏[12]對超前錨管對土體的抗滑作用進行了深入分析研究，這一研究是基于Ito和Matsui所做的對作用于排樁上的土壓力理論的研究成果，屠毓敏提出了超前錨管復合土釘支護結構的穩定性計算方法，而且經過實際工程各項數據對其進行了驗證。在對土釘支護結合止水帷幕的研究過程中，李象范、徐水根等人提出采用水泥土樁復合土釘支護的形式[13][14][15]，具體施工方法是先施工單排或雙排水泥土攪拌樁，待樁體達到一定強度形成止水帷幕后再施做土釘，這種支護形式既能解決基坑止水防滲的問題，又使基坑邊坡有一定的自立高度，便于土釘施工，同時也減小了基坑變形。水泥土樁復合土釘支護的計算主要包括樁體嵌入深度、土釘長度及桿體截面的確定以及整體穩定性的驗算等，對于這種支護形式的整體穩定性驗算，當前工程界一般的做法是將水泥土樁的抗滑作用作為安全儲備而不予考慮，而實際上這種做法是不符合實際情況的，本文將在以下章節中對這一問題進行詳細闡述。1.4水泥土樁復合土釘支護體系的概念和發展1.4.1水泥土樁復合土釘支護體系的概念水泥土樁復合土釘支護體系是指以水泥土攪拌樁作為止水帷幕和超前支護，在水泥土樁施工完成并達到一定強度后再施工土釘。這種復合支護體系的特點有以下幾個方面[16]：（1）水泥土樁止水帷幕形成封閉的開挖空間，基坑內部降水不影響周邊地下水位，有利于保護基坑周邊環境；（2）止水帷幕同時又是超前支護，對開挖面土體位移起到限制作用，提高土體自立臨空高度，且有利于減少水平位移；（3）水泥土樁形成相對干燥的開挖面，有利于提高噴射混凝土面層的施工質量；（4）水泥土樁插入基坑底部開挖面一定深度，增加了邊坡的抗滑移能力，提高了基坑底部的抗隆起穩定性和抗管涌穩定性。1.4.2水泥土樁復合土釘支護體系研究與應用中存在的問題復合土釘支護的工程應用實踐是先于理論的，水泥土樁復合土釘支護體系亦是如此，由于理論研究相對于工程實踐的滯后，在實際工程應用中也面臨諸多問題[17]。（1）理論研究落后于工程實踐，因而不能很好的指導設計與施工。水泥土樁與土釘支護相結合而成的復合支護體系內部各構件的相互作用非常復雜，基坑周邊的地質條件又具有不確定性，因此對復合支護體系的研究難度非常大。（2）設計計算方法尚不系統，不統一，沒有完善的技術標準，設計無所遵循。對復合土釘支護結構的設計計算，當前常見的方法是基于疊加原理的，但實際上復合支護結構中各種構件之間以及各構件與土體之間的相互作用并不是簡單的疊加，而是一種復雜的耦合作用。然而當前并沒有這方面的較為成熟的研究成果來作為指導基坑工程設計和施工。（3）關于水泥土樁的作用，現行規范規定不明確。現行的《建筑基坑支護技術規程（JGJ120-）》雖然新增加了復合土釘墻的內容，但對水泥土樁的擋土作用在支護結構整體穩定性驗算時并未定量考慮，而是當做安全儲備，這種做法雖然保證了基坑工程的安全性，但很容易產生基坑支護設計偏于保守的問題，而且在某些情況下不計水泥土樁的擋土作用是不利于復合土釘支護結構的工程應用的。1.5本文的主要研究內容從當前復合土釘支護技術的研究現狀以及應用狀況來看，復合土釘支護技術已經被越來越多的應用于工程實踐，特別對于水泥土樁復合土釘支護體系這一支護形式來說，由于兼具技術和經濟方面的優勢，故其應用更是非常廣泛，可是當前關于這種支護形式的理論研究遠遠落后與工程實踐，對其工作性能和受力機理仍需進一步深入研究，逐步完善設計理論和方法，以推動這項技術繼續發展，為此，本文主要做了以下研究工作：（1）對水泥土樁復合土釘支護體系的工作性狀和受力機理進行深入分析，探討水泥土樁在復合支護體系中的作用機制；（2）對水泥土樁復合土釘支護體系的結構設計進行分析研究，進一步明確復合支護體系中各部分構件的設計計算方法；（3）對水泥土樁復合土釘支護結構的整體穩定性計算方法進行了深入探討，根據計算過程中是否考慮水泥土樁的擋土作用，分別用兩種方法進行計算，計算采用了理正深基坑支護設計軟件以及理正巖土-超級土釘支護設計軟件。（4）對計算得到的數據進行分析研究，總結得出在水泥土樁復合土釘支護結構的整體穩定性計算時，應當適當考慮水泥土樁的擋土作用。第2章水泥土樁復合土釘支護體系的受力機理分析2.1土釘支護受力機理分析土釘支護結構的工作機理因其與周圍土體的相互作用而復雜多變，因此現場試驗的方法是當前研究土釘受力機理的最重要的方法，理論分析、數值計算和數值模擬只能作為輔助研究方法，而且很多理論分析和數值模型的建立都是經過現場試驗研究來實現的，對土釘支護結構的變形和位移的計算更是如此。當前，經過試驗研究土釘支護結構作用機理已經成為基坑工程研究領域中不可或缺的一個方面，這些試驗主要包括：室內的直剪試驗、現場的土釘抗拉拔試驗、離心模型試驗以及對足尺土釘墻的試驗等[18][19]。由于受各種條件限制，當前國內主要還是經過室內的直剪試驗以及現場的土釘抗拉抗拔試驗來研究土釘支護結構的工作性狀和受力機理，而對離心模型試驗和足尺土釘墻的試驗則進行的很少，也很少在國內的文獻中見到這方面的研究成果。2.1.1土釘抗拔作用機理分析土釘的抗拔作用機理是經過土釘的抗拔試驗來分析研究的，土釘單位長度的抗拔力即是經過此試驗來確定的，試驗得到的參數能夠作為土釘支護結構設計計算的依據，而且土釘的施工質量好壞也能夠經過此試驗來界定。對土釘抗拔力進行試驗研究，確定土釘的應力應變關系以及土釘拉力與位移的關系，在實際工程中也能夠作為土釘支護結構合理設計的依據。當前，工程技術人員在對土釘支護結構所受的剪力進行分析時，一般認為剪力沿土釘全長是均勻分布的，由抗拔試驗所得出的結果，用式（2-1）計算最大剪應力[20]：(2-1)式中：——土釘端頭拉力；——土釘的半徑；——土釘的長度；——土釘平均深度處的垂直應力；——釘土切向剪切面處的粘聚力（kPa）；——釘土切向剪切面處的內摩擦角（）。上式所得出的剪應力即為整體剪應力。Schlosser和Guillious（1984）[21]提出了土釘抗拔作用時的最大剪應力（極限抗剪強度）的計算公式如式（2-2）：(2-2)式中：——土釘橫截面周長；——釘土作用面處的似摩擦系數；——土釘半徑；——土體粘聚力；——土釘平均深度處的垂直應力。土釘支護結構的工作性狀和作用機理是非常復雜的，上述公式并不能詳細描述土釘抗拔作用時土釘的受力情況，另外，對土釘抗拔作用造成影響的因素也比較多，場地土質條件、土釘體的剛度和強度、土釘與周圍土體的接觸面處的特征以及構件接觸面各種介質的應力應變關系等都會對土釘抗拔作用產生影響。Guilloux等人對土釘抗拔作用進行了試驗研究[22][23][24]，試驗表明，當土釘與周圍土體之間的相對位移達到0.6-3.0mm的時候，它們之間極限剪切應力達到最大，土釘所受的剪切應力隨著釘土之間位移的增大而呈明顯增加的趨勢，同時，極限剪應力的大小并不像以上兩式中所描述的那樣呈線性變化，和土釘埋入深度的關系也并不明顯。從試驗結果能夠看出，對土釘抗拔作用機理的研究應當從應力應變之間的關系方面來考慮。（1）土釘抗拔荷載的傳遞機理在分析土釘抗拔荷載的傳遞機理時，認為土體首先將拉力施加于土釘體的拉拔端[25]，此時，土釘拉拔端會受到拉伸作用而產生向基坑內側的變形，這樣，土釘錨固體的側表面會受到周圍土體的摩擦力，在摩擦力的作用下，土釘體將端頭所受的拉力逐漸傳遞到與其相接觸的土體中，這就造成了土釘錨固體的軸向拉伸變形隨土釘長度遞減。隨著基坑開挖深度不斷增加，下部土釘體會受到更大的拉力的作用，土釘體的變形和位移都會逐漸增大，這時，土釘體全長的摩擦阻力都被調動起來，周圍的土體也越來越多的參與受力，當土釘體的摩擦阻力達到極限狀態時，土體被剪壞，位移將明顯增加，土釘也會被均勻拔出。從以上對土釘抗拔荷載傳遞機理的分析能夠看出，土釘體的位移和軸向拉力是向內逐漸遞減的，而且周圍土體的摩擦阻力也是在基坑施工過程中被逐步調動起來的。（2）土釘抗拔作用的力學模型土釘抗拔試驗的剪應力-位移關系能夠簡化為圖2-1所示的實線部分[3]。圖2-1土釘抗拔試驗的剪應力-位移關系Fig.2-1Soilnailpullouttestsofshearstress-displacementrelationship經過分析土釘抗拔試驗的剪應力-位移關系曲線來剪力土釘抗拔作用的力學模型。抗拔作用下土釘的剪應力-位移曲線可簡化為圖2-1所示的OP段和PQ段。土釘體剪應力與位移的關系為在OP段隨位移的增加而線性增加，土體具有彈性體的性質；PQ段說明當土釘體與周圍土體之間的相對位移達到后，釘土之間的剪應力將保持不變，土釘體被均勻拔出，土體已經發生剪切破壞[4]。根據圖2-1，可得到下面的表示式：當時(2-3)當時(2-4)式中，——峰值剪應力；——峰值剪應力時土體的位移；——土釘斷面處的位移；——剪切變形系數。假定在土釘體端頭處作用有拉力P，土釘長度為l，以土釘體端頭位置為坐標原點，以土釘體軸線為坐標軸建立如圖2-2所示的坐標系。沿著坐標軸的方向，在距離坐標原點為x處取長度dx的單元，對該單元進行分析，取x方向作為正方向，根據單元的平衡條件可得式（2-5）：(2-5)式中，——土釘體的直徑；——截面處土釘體的軸向拉力。（（a）（b）（c）圖2-2（a）土釘抗拔計算簡圖；（b）土釘單元應力圖；（c）土釘單元變形示意圖Fig.2-2(a)Soilnailpulloutcalculationdiagram;(b)Soilnailunitstressdiagram;(c)Schematicdeformationofsoilnailingunit根據土釘的拉伸變形與軸力的關系，有：(2-6)斷面處的軸力為：(2-7)上式中，為有效土釘模量，、分別為鋼筋的彈性模量與土釘的漿體模量，、分別為鋼筋的截面積與土釘的漿體截面積。根據斷面處力的平衡條件可得式（2-8）：(2-8)即：(2-9)土釘體任一截面處的位移量等于土釘體的剛體位移與土釘體的拉伸變形兩者之和，則斷面處土釘的總位移為：(2-10)式中，為土釘斷面處的拉伸變形量，為土釘剛體位移。因為土釘體末端沒有受到拉力的作用，因此末端沒有產生拉伸變形，土釘體的位移即為土釘的剛體位移。上式對求一階導數得：(2-11)將(2-9)式代入上式得：(2-12)上式對求一階導數得：(2-13)上式可寫成下面的形式：當(2-14)當(2-15)式(2-14)的通解為：(2-16)式(2-15)的通解為：(2-17)上式中，，表示土釘對土體的相對剛度，其量綱為長度。在土體未發生剪切破壞前，土釘拉拔端的位移最大，位移由拉拔端向尾端逐漸減小到零。因此當時，，土釘的位移最大。而在土釘體被拔出的過程中，土釘體各點處的位移是相同的。將式(2-17)代入式(2-9)得：(2-18)只要確定系數，以及土體剪切變形系數，就能夠計算出軸力、位移以及剪力沿土釘體的軸向分布規律。根據式（2-19）和式（2-20）的邊界條件確定。（1）當時，，代入式(2-18)得：(2-19)（2）當時，，代入式(2-18)得：(2-20)上面兩個邊界條件還不能完全確定的值，因此需要再找到一個條件，即根據土釘體某個斷面已知的位移或軸力的表示式，并結合式(2-19)和式(2-20)來確定的值，在實際工程施工過程中，一般要對土釘體拉拔端處的釘頭位移進行測量，以下僅對這種情況進行分析，如果土釘體某點的位移和軸力已經測得，其分析方法是相同的[18]。假設土釘釘頭處的位移實測值為，將時，代入式(2-17)得：(2-21)令，由式(2-19)、(2-20)、(2-21)解得：2.1.2土釘抗剪作用機理分析土釘抗剪作用機理一般經過大型直剪試驗來完成[26]。模擬土釘作用機理的大型直剪試驗裝置如圖2-3所示：圖2-3直剪試驗裝置圖Fig.2-3Figureofdirectsheartestdevice這一試驗裝置是由上、下兩部分組成的，分別用兩個圓柱形的半剪力盒，試驗過程中為避免土體發生轉動，將下面的半剪力盒固定到臺板上，然后用千斤頂對土體施加垂直方向的應力，同時為保證水平剪力經過試樣的中心，要在上、下兩個半剪力盒的對稱平面處用液壓千斤頂沿水平方向對試樣施加水平方向的剪應力。Pedley和Briddle等人曾利用大型直剪試驗研究過土釘的抗剪作用，不過當時土釘是用條形插筋來代替的[27][28][29]。對試驗得到的數據進行分析可得加筋土試樣的剪切阻力要比未加筋土試樣的剪切阻力大，而且當剪切位移到達一定值時，加筋土的抗剪強度會達到峰值，然后隨著剪切位移的繼續增加而有所減小，這就說明加筋土的抗剪強度和剪切位移是有密切關系的。從這個試驗也能夠得出土釘的剪切變形大致能夠分為四個階段，即線性變形階段、塑性變形階段、漸進性變形階段和破壞階段[30]。每個階段的變形特性和受力機理能夠歸納如下：（1）線性變形階段：在這個階段，由剪力引起的土體位移較小，因此此時的加筋土和未加筋土的抗剪強度基本是相同的，土體中的土釘對土體的影響幾乎為零，抗剪強度主要還是有土體來承擔的；（2）塑性變形階段：進入這個階段，因為在土體中插入土釘，土中應力就會逐漸的向土釘轉移，土釘體逐漸開始發揮作用，土釘體經過應力傳遞作用將附近土體的應力擴散到周圍的土體中，調動周圍土體一起參與受力，從而使周圍土體進入到塑性狀態，是塑性階段逐漸延長；（3）漸進性破壞階段：在這一階段，土體的剪切位移會逐漸增大，周圍土體發生剪脹，土體塑性應變增加，剪應力就會隨之減小，土釘與周圍土體之間的相對位移達到極限值，就會引起土釘與土體產生局部滑動，這種情況將導致剪切應力想土體內部傳遞。然而這一階段的土體依然能夠保持較好的完整性，因為其還具有一定的殘余強度；（4）破壞階段：剪切破壞面逐漸增加，當到達一定值后加筋土的強度就不再發生變化，此時在土體中就會形成一個貫穿試樣的剪切面，加筋土的強度是經過在土體中插入插筋來提高的，插筋的作用不但是傳遞應力，還包括其抗彎剛度。從以上分析能夠看出，土釘軸力的發揮是經過周圍變形的土體與土釘的相互作用來完成的。當剪切荷載施加到土體上時，土體將產生變形，提高土體的抗剪能力。土釘周圍的土體由于應力擴散作用的影響也產生變形。當土釘周圍較為粗糙而且土釘的軸向與土體的剪切應變的增量方向一致時，土釘對于其鄰近土體的變形會產生較大的限制作用，從而會引起土體的主應力方向發生旋轉，使得土釘及其周圍土體達到新的平衡狀態。2.1.3釘土相互作用分析土釘打入地層中并經過注漿體與周圍土層形成復合受力體。由于土釘的強度和剛度都遠遠大于土體，故復合受力體所受的拉力和剪力會向土釘集中。土釘將承擔絕大部分拉應力，而且將以彎折的形式抵抗土坡內的剪應力。要清楚的區分土釘與土體受力的分擔比例是很困難的。但根據土質特點，一般能夠認為當復合體內存在拉力時，全部由土釘承擔；當復合體內沿潛在滑裂面產生剪應力時，首先發揮作用的是土體，土體的抗剪強度接近充分發揮時，不足的部分才由土釘承擔。由上述土釘支護的變形受力特性，土釘受力在不同階段發揮不同的作用[4]。基坑在開挖的初期，由于深度較淺，發生整體滑移的可能性較小，這時土釘以拉力的形式限制、約束土體的水平位移。基坑開挖后期，坑深接近設計深度，這時土釘拉力峰值后移至潛在滑裂面附近，土釘將與土體共同抵御由滑動土體自重產生的下滑力，土釘承受剪力。潛在滑裂面由于土釘的加固作用，并不是真正的會發生滑移的滑裂面，真正危險的滑裂面后移到土釘的末端部。危險滑裂面后移，使得滑移曲線變得平緩，滑裂面面積增加，調動更多的土體參與抗滑作用，因此使基坑邊坡變得安全。2.2水泥土樁復合土釘支護受力機理分析2.2.1水泥土樁復合土釘支護體系的支護作用原理一般，土釘-水泥土攪拌樁-預應力錨桿是應用較為廣泛的一種復合土釘支護形式，這種復合土釘支護體系在受力方面的優點主要包括以下幾個方面[17]：（1）利用土釘的抗拔作用來調動土體淺部滑裂面的潛能，土釘在水泥土樁復合土釘支護體系中起主要作用，經過充分發揮土釘的荷載傳遞和應力擴散作用，使土體和外部超載產生的應力擴散到周圍土體中；（2）利用預應力錨桿施加的預應力來調動土體的深部潛能，土釘的作用長度有限，超過一定長度，土釘軸力的傳遞就會受到限制，而錨桿的作用深度要遠大于土釘，經過對其施加預應力，能夠將外部荷載傳遞到更深層的土體中，調動更多的土體一起參與受力；（3）水泥土樁起到了控制基坑開挖過程中土體的側向位移的作用，使基坑邊坡具有了一定的自立高度，既便于土釘及錨桿的施工，又減小了變形。另外，水泥土樁分擔荷載的作用體現在其可提高支護體系的抗彎剛度、抗傾覆能力和抗剪能力，分擔一部分土壓力荷載，控制開挖過程中的側向位移，提高基坑邊坡的穩定性。水泥土樁的另外一個重要作用就是作為止水帷幕，起到止水防滲的作用，當周圍土體含水量較大時，提前設置水泥土樁止水帷幕，能夠有效的保護基坑施工的安全行，同時也保護了工程周邊的環境，另外，在噴射混凝土面層時，普通土質邊坡若含水量較大，混凝土面層與土體的粘結強度較低，很容易脫落，對基坑的安全不利，經過設置水泥土樁，能夠將面層混凝土直接噴于水泥土樁表面，粘結強度就會很好，再次，水泥土的力學強度要比原狀土強很多，在軟土地區，當水泥土樁置于基坑底以下一定深度后，對抵抗基坑隆起和管涌都會起到非常重要的作用[31][32]。基坑邊坡經過土釘注漿體的滲透和擠壓，改變了原土體的摩擦角、粘聚力和彈性模量等參數，使土體的物理力學性質與原狀土體明顯不同，而成為一種新的地質體，這種地質體的強度較高，能夠滿足土釘及預應力錨桿的施做要求。預應力錨桿經過施加預應力限制基坑的位移，并把土壓力及外部荷載傳遞到基坑深部的穩定地層中，土釘-水泥土攪拌樁-預應力錨桿緊密的聯系在一起，共同承擔荷載，使邊坡穩定并減小位移。2.2.2水泥土樁復合土釘支護體系中樁的作用分析水泥土樁復合土釘支護體系的工作機理甚為復雜，當前對這一支護形式的認識還很不全面，這也是當前沒有統一的設計計算理論的原因。復合支護體系中由于水泥土樁的存在，使得體系在受力變形等方面與土釘支護都有了很大的不同。文獻[17]較為完善的分析了水泥土樁的作用機制。（1）提高自立臨空高度一般土釘支護中，最大無支護開挖臨空面的高度是特定的，不可超挖，否則可能引起工程事故，另外，從限制基坑位移的角度出發，也要求無支護臨空面高度不宜過大。對于水泥土樁復合土釘支護體系來說，一般能夠認為其自立臨空面高度不受土質條件的限制，每一開挖工況下參與維持基坑邊坡穩定的因素除了土體與土釘外都有水泥土樁的作用。水泥土樁經過樁-釘-土間的結構作用調動基坑內側被動區土壓力的作用。另外，樁土間的摩擦阻力對基坑邊坡穩定也有貢獻。因此該復合體系的自立臨空高度能夠得到很大的提高。（2）摩擦傳力機制水泥土樁復合土釘支護體系中，水泥土樁在硬化過程中與原位土體形成了良好的粘結作用，兩者之間存在著發揮較大摩阻力的潛能。經過對多個實際工程監測數據的分析，靠近樁側的土體的沉降明顯小于遠離樁的土體沉降，這是因為樁與其周圍的土體之間存在摩擦力的作用，這種作用使地面的最大沉降點后移。土體的重力和外部荷載是誘發邊坡不穩定的最根本、最直接的因素，而樁與樁側土體的摩擦阻力使被支護土體的部分重力及外部荷載直接傳遞至深部土層，使作用在支護結構上的土壓力有所減少。（3）側向位移曲線的整合機制δ一般土釘支護結構的側向位移曲線是發散型的，最大的側移位置發生在基坑頂部，如圖2-4所示：δ圖2-4土釘支護側移曲線示意圖Fig.2-4Soilnailinglateralcurvediagram土釘支護水平側向位移模式的形成與土釘的施工過程有很大的關系，土釘為自上而下施工，每向下開挖一層就會引起上部土體的位移，使已經施工完成的土釘參與受力，與周圍土體共同構成支護體系，并最終積累成如圖2-4所示的側向位移移曲線。而水泥土樁復合土釘支護的側移曲線是“鼓肚”型的，如圖2-5所示。水泥土樁復合土釘支護中具有一定強度和剛度的水泥土攪拌樁和土釘之間存在著較好的結構作用，能夠將水泥土攪拌樁理解為以土釘為支點的連續梁[33]。隨著支護向下進行，上部已設置的土釘的支點作用已經有效地約束了土體的變形，并促使土體的變形趨于均勻，隨著開挖的進行，下部土體的側向位移變形就顯得更加突出，最終形成了如圖2-5所示的側移曲線：圖2-5水泥土樁復合土釘支護側移曲線示意圖Fig.2-5Cementpilecompositesoilnailinglateralcurvediagram（4）最危險滑裂面前移機制理論和實踐均表明，土釘支護結構中土釘最大拉力的位置與被支護土體的最危險滑裂面的位置基本一致，一般在土釘支護結構中，直接作用于面層上的土壓力較小，這樣傳遞給土釘的拉力也較小，這樣土釘與其周圍土體的摩擦力要經過一定的距離后才能達到最大拉力的位置，因此土釘支護中最危險滑裂面的位置要比無支護土體的最危險滑裂面位置靠后。而水泥土樁復合土釘支護體系中，因為水泥土樁后土壓力較大，因此傳遞給土釘端頭的拉力也較大，這樣土釘就能經過較短的傳力距離而達到最大拉力位置，因此水泥土樁復合土釘支護體系的最危險滑裂面相比一般土釘支護來說有前移的趨勢。2.2.3水泥土樁復合土釘支護體系變形特性分析水泥土樁復合土釘支護體系的變形較為復雜，而且與普通土釘支護有很大的不同，文獻[34][35][36]對此進行了研究，以下將從地表沉降、基底隆起、坡面水平位移和邊坡內土體水平位移等方面分別加以分析。2.2.3.1地表沉降特性分析（1）同一次開挖支護完成后，水泥土樁復合土釘支護邊坡的地表沉降相對于無支護邊坡和土釘支護邊坡是最小的。在這一過程中，土釘起到了兩個重要的作用，一是對基坑邊坡的錨固作用，二是減小土體在垂直方向上的位移的作用。對水泥土樁復合土釘支護邊坡而言，由于同時具有了土釘對邊坡的錨固作用和水泥土樁對土體的阻擋作用，基坑邊坡內土體的強度得到了明顯增加，基底隆起值也降到最低，地表沉降量顯著減小。（2）最大沉降量所處的位置不同。在土釘支護施工過程中，地表沉降一般比較容易出現在支護面處，在此之外，地表沉降隨著與支護面距離的增加而趨于減小。對水泥土樁復合土釘支護而言，最大地表沉降出現在支護面后部，與支護面有一定的距離，而且隨基坑開挖深度的增加而逐漸增大，地表變形呈明顯上凹曲線形。水泥土樁復合土釘支護由于土釘與水泥土攪拌樁聯合作用，調動大范圍土體參與支護，從而使地表沉降在基坑支護范圍內減到最小。（3）在支護結構分界面處，地表垂直位移變化的形式不同。一般土釘支護的邊坡在該處都會出現較為明顯的突變現象，即在土釘支護范圍外側的垂直位移較大，而支護范圍內側的垂直位移則較小。水泥土樁復合土釘支護邊坡在支護結構分界面處并沒有明顯的突變現象發生。（4）一般情況下，水泥土樁復合土釘支護結構在基坑開挖深度較小時能起到抵抗基坑邊坡土壓力的作用，但隨著基坑深度的逐漸增大，復合支護結構各構件已不足以抵抗土體的側壓力，這時，基坑支護面處的水平位移和基底隆起量就會明顯增加，地表沉降也就相應增加，從而使水泥土樁復合土釘支護邊坡的地表沉降接近或達到了普通土釘支護邊坡的沉降值。2.2.3.2基底隆起分析基坑在開挖過程中，邊坡內土體處于連續加載過程中，坡腳處應力不斷增加。這種情況下極易產生因為基坑邊坡底部承載力不足而引起的失穩破壞。這種情況下的隆起值也較大，對于水泥土樁復合土釘支護而言，基坑底部土體的承載力由于水泥土樁的作用而有所增強，同時，土釘在這一過程中也具有一定的抗彎作用，因此此時的基坑底部隆起值較小。2.2.3.3坡面水平位移分析理論和實踐均表明，在同一時刻，無支護邊坡支護面水平位移量最大，普通土釘支護的居中，復合土釘的最小。而且隨著時間延長，無支護邊坡支護面的水平位移增長最快，普通土釘支護的次之，水泥土樁復合土釘支護的最緩。土釘和水泥土樁聯合工作后，對減小坡面水平位移有明顯作用。2.2.3.4邊坡內土體的水平位移分析（1）每次開挖支護完成后，基坑的最大水平位移都會出現在支護面處，離支護面距離越遠，土體的水平位移量就越小。（2）在基坑的同一個開挖工況中，常規土釘支護邊坡和水泥土樁復合土釘支護邊坡在相同位置處的土體垂直斷面水平位移衰減的形式也有所不同。對普通土釘支護而言，一般其最大水平位移發生在地表處，而水泥土樁復合土釘支護的水平位移較多的發生在基坑的中部偏下的位置，而且隨著基坑深度的增加而逐漸減小。2.3本章小結本章在查閱文獻及已有研究成果的基礎上，分別闡述了土釘支護結構和水泥土樁復合土釘支護結構體系的工作性狀和受力機理。第一節從土釘的抗拔作用、抗剪作用以及釘土的相互作用等方面詳細分析了土釘支護體系的受力機理，由于傳統的土釘支護結構在軟土地區的應用受到很大的限制，特別在地下水較為豐富的地區，土釘支護結構無法獨立的完成基坑支護工作，需首先將水位降到基坑底一定深度，或配合止水帷幕共同工作，因此在實際應用中越來越多的被水泥土樁復合土釘支護這一新的支護形式代替。第二節對水泥土樁復合土釘支護體系的受力機理，特別對水泥土樁的作用進行了詳細分析，并對復合支護結構的變形進行了研究，指出了水泥土樁在復合支護結構設計計算時的重要性。第3章水泥土樁復合土釘支護體系的結構設計3.1土壓力的分析計算土壓力是指擋土構件后的填土因土體自重或外部施加的荷載作用對擋土結構產生的側向壓力。土壓力的計算非常復雜，它涉及到土體、地基以及擋土構件之間的共同作用，因此影響土壓力性質和大小的因素較多，一般包括擋土構件的位移、高度、土體的性質等[37]。根據擋土構件的位移方向和大小，可將作用在其上的土壓力分為主動土壓力、被動土壓力和靜止土壓力，其中，主動土壓力最大，它是指擋土結構受土體的作用離開土體方向偏移至土體達到極限平衡狀態時所作用在的擋土構件上的土壓力；被動土壓力最小，它是指擋土結構受外力作用發生向土體方向的偏移至土體達到極限平衡狀態時所作用在擋土構件上的土壓力；而靜止土壓力大小介于兩者之間。經典的土壓力理論包括郎肯土壓力理論和庫倫土壓力理論兩種[38][39]：（1）郎肯主動土壓力理論郎肯土壓力理論是在1857年由英國學者郎肯（W.J.M.Rankine）提出的。郎肯理論假設擋土結構物后的主動與結構物前的被動土壓力。在基坑工程設計中，一般均采用郎肯理論計算土壓力。它的計算簡圖如圖4-1所示：圖3-1粘性土主動土壓力分布Fig.3-1Cohesiveactiveearthpressuredistribution郎肯主動土壓力的計算公式如式（3-1）(3-1)式中，——主動土壓力；——主動土壓力系數；——土的重度；c——粘聚力。（2）庫倫主動土壓力理論當墻后土體表面傾斜，或墻背傾斜，或考慮墻背與土之間的摩擦時，計算土在極限平衡狀態下的土壓力，可用庫倫土壓力理論。該理論假定土體內的滑動面是平面，考慮該平面與墻背平面之間所夾的剛性楔形土體的靜力平衡，搜索對應于極值土壓力的滑裂面，就能夠計算出墻上的主動或被動土壓力。庫倫土壓力的計算簡圖如圖（3-2）：圖3-2庫倫土壓力計算示意圖Fig.3-2SchematicCoulombearthpressurecalculation庫倫主動土壓力的計算公式如式（3-2）(3-2)式中各符號的含義同式（3-1）。（3）規范采用的土壓力計算方法《建筑基坑支護技術規程（JGJ120-）》[40]對作用在支護結構上的土壓力的計算有如下規定：（1）對地下水位以上或水土合算的土層(3-3)(3-4)(3-5)(3-6)式中，——支護結構外側，第層土中計算點的主動土壓力強度標準值（kPa）；當時，應取；——分別為支護結構外側、內側計算點的土中豎向應力標準值（kPa）；——分別為第層土的主動土壓力系數、被動土壓力系數；——分別為第層土的粘聚力（kPa）、內摩擦角（）；——支護結構內側，第層土中計算點的被動土壓力強度標準值（kPa）。（2）對于水土分算的土層(3-7)(3-8)式中，——分別為支護結構外側、內側計算點的水壓力（kPa）。3.2土釘的設計計算3.2.1土釘承載力計算一般土釘所受最大拉力或設計內力按下式計算[40]：(3-9)式中，——第層土釘的軸向拉力標準值（kN）；——第層土釘的傾角（o）——墻面傾斜時的主動土壓力折減系數；——第層土釘軸向拉力調整系數；——第層土釘處的主動土壓力強度標準值（kPa）；——土釘的水平間距（m）；——土釘的豎向間距（m）。式（3-9）中的主動土壓力折減系數可按下式計算：(3-10)其中，——土釘墻坡面與水平面的夾角（o）；——基坑底面以上各土層按厚度加權的等效內摩擦角平均值（o）。式（3-9）中土釘軸向拉力調整系數按下列公式計算：(3-11)(3-12)其中，——第層土釘至基坑頂面的垂直距離（m）；——基坑深度（m）；——作用在以為邊長的面積內的主動土壓力標準值（kN）；——計算系數；——經驗系數，可取0.6～1.0；每層土釘的長度應該由計算來確定，以確保在各種荷載的作用下土釘不被拔出：(3-13)式中，——位于滑裂面以內的第層土釘長度，即土釘的軸線與圖3-4所示傾角等于（）的斜線的交點到土釘端頭的距離；——第層土釘的軸向拉力標準值（kN），按式（3-9）確定；——位于滑裂面以外的第層土釘長度；——土釘注漿體與地層土體之間界面單位面積摩阻力；——土釘注漿體的直徑；——土釘局部穩定性安全系數，可取1.2～1.4。樁體樁體滑裂面圖3-4復合土釘支護計算簡圖Figure3-4Calculationdiagramcompositesoilnailing3.2.2土釘構造設計（1）土釘的形式土釘布置應選擇與地層情況相適應的形式，一般包括螺紋鋼筋和鋼管等。螺紋鋼筋作為土釘材料必須先鉆孔，將鋼筋插入孔中，再經過兩次注漿，將土釘與周圍土體粘結成整體；當地層中含有粉土、粉砂等易流動的土質時，成孔較困難，且成孔過程中極易造成水土流失，從而引起地表的下沉。此時可用鋼管來代替鋼筋，施工時將鋼管直接擊入，再由管內向地層注漿構成土釘體。經過鉆孔注漿的方法施工而成的土釘，由于注漿較充分，因此抗拔力也較大。只要地層比較容易成孔，應當優先選擇此類土釘。用錨管作土釘，一般用直徑Φ48mm，壁厚為3.5mm的鋼管。（2）土釘的直徑土釘要有足夠截面積，使之不被拉斷。土釘直徑可按下式計算：(3-14)式中，——土釘受拉屈服強度；——土釘鋼筋直徑；——鋼筋抗拉強度標準值，按《混凝土結構設計規范（GB50010-）》[41]取用。（3）土釘的間距一般在土釘支護過程中土釘主要發揮一下幾個方面的作用：=1\*GB3①經過向土體內注漿來加固土體；=2\*GB3②對作用在支護結構面層上的水土壓力承擔傳力作用，將其傳遞到深部土體[42]；=3\*GB3③減小基坑邊坡土體的變形。在確定土釘間距時，應綜合考慮以上因素。土釘的承載面積是按土釘水平間距和豎向間距的乘積來計算的。在某些地區，由于含水量較大，或者土質條件較為特殊，這種情況下土體所能提供的抗剪強度就會比較低，而此時水土壓力又比較大，則土釘間距宜取較小值，即1.0～1.2m。土釘的豎向間距能夠和水平間距相同，也能夠不同，一般情況下能夠使土釘豎向間距比水平間距略大，這樣就能夠減少分層開挖土層數。（4）土釘傾角土釘傾角一般情況下以向下10o—15o為宜，傾角太大，人工成孔就比較困難；傾角太小，或水平鉆孔，則向孔內注漿就比較困難。最下面一排土釘一般宜采用較大的傾角（20o～25o），旨在對深部土體進行加固。3.3面層設計計算面層是指由鋼筋網片和向面層噴射的混凝土組成的鋼混結構層[9][43]。面層的主要作用為：（1）阻止土體的局部坍塌，以確保在基坑施工過程中邊坡的穩定性；（2）承受水土側向壓力，并將壓力傳遞到土釘結構上；（3）將邊坡土釘體連接成整體，當水泥土攪拌樁墻發生局部斷裂時，面層內的鋼筋網片可將斷裂部分兜住，防止發生涌土破壞。面層是土釘支護體系中的重要組成部分，一般按構造設置，按強度進行驗算。鋼筋網片一般設計為Φ6.5@150mm，雙向布設，或Φ8@200mm，雙向布設。噴射混凝土面層厚度一般為80—100mm，分成兩次噴射，其強度為C20。在面層的計算過程中一般能夠將其看作是以土釘為支點的多跨連續梁，其荷載為水土側向壓力和外部超載引起的側向壓力，一般情況下按抗彎構件來復核強度及配筋。3.4水泥土樁設計計算3.4.1樁體抗滲設計水泥土樁止水帷幕的形式與工程所處地層地下水位及地層滲透性等因素有密切關系，設計時需要綜合考慮各種影響因素，以確定水泥土樁各部分的幾何尺寸等。一般水泥土樁的設置可分為以下幾種情況[44][45]：（1）基坑開挖深度小于3m，而且工程地質條件較好，土體的滲透性較小，因基坑施工造成的地表變化對周圍的地下管線以及各類建（構）筑物的影響較小時，可不設置水泥土樁止水帷幕，而直接采用常規土釘支護；（2）基坑開挖深度大于3m而小于6m，工程地質條件一般，土體的滲透性較大，基坑降水對周圍的地下管線以及各類建（構）筑物的影響較大時，應當采用水泥土樁作為止水帷幕，一般情況下采用單排水泥土樁即可滿足要求；（3）基坑開挖深度大于6m而小于7m，由于水泥土樁復合土釘支護結構對支護高度有一定的要求，此時對較軟弱土質宜采用雙排水泥土樁，帷幕體的主要作用一是止水，二是作為超前支護提高基坑支護結構的整體穩定性。為了保證水泥土樁的防滲效果，一般在工程中，水泥土樁的水泥摻入比大于10%，這種情況下，水泥土墻體的抗滲性可達到10-5～10-8cm/s。另外，在施工時還要保證水泥土樁相互搭接良好，一般經過控制鉆機施工時的垂直度和提鉆速度就能夠實現，因此對施工現場的嚴格管理是非常重要的。3.4.2樁體嵌固深度計算復合土釘支護結構樁體嵌入深度由下列公式計算[46]，并取其中最大值：(3-15)(3-16)式中，——復合土釘支護結構基坑外側和內側土層水平土壓力之和；——底部土釘的水平投影長度；——作用于滑裂面上的第土條的自重、地面及地下荷載；——土條的圓弧滑裂面切線與水平面夾角；——土條的寬度；——土條的圓弧滑裂面所在處的第層土的粘聚力和內摩擦角；——坑底土體粘聚力和內摩擦角；——第排土釘提供的最大抗力，按和中的最小值確定；——第排土釘水平間距；——第排土釘軸線與該破壞面切線之間的夾角；——整體安全系數，應根據經驗確定，當無經驗時可取1.3。另外，為保證止水效果，帷幕樁體插入深度還應滿足以下條件[47]：（1）盡量將止水帷幕插入到滲透性較小的土質中至少1m以上，以確保隔水效果；（2）當受各種條件限制而使其深度無法到達隔水層時，應當對土體中的動水壓力進行分析，同時也應當分析產生涌土和流砂的可能性，最大限度的保證基坑支護施工的安全。3.5本章小結本章介紹了水泥土樁復合土釘支護體系結構設計的過程，即土壓力的計算、土釘承載力的計算、土釘的構造、面層的設計以及水泥土樁的抗滲設計和嵌固深度的計算，系統的分析了復合支護結構的設計計算方法，并給出相應的計算公式。其中水泥土樁的抗滲設計和嵌固深度計算是核心內容，復合支護體系中的水泥土樁兼具止水和擋土的作用，因此本章第3.4節著重對水泥土樁的適用范圍以及各種土質條件下樁的布置形式進行了介紹，進一步闡述了在某些土質條件下復合支護體系中樁的重要性。第4章水泥土樁復合土釘支護結構穩定性分析4.1規范中的復合土釘穩定性分析方法根據前面所述復合土釘支護體系受力變形特性分析，復合土釘支護體系的開挖及支護施工過程和土釘支護基本相同，即在水泥土樁施工完成并達到一定強度后分層開挖分層支護，因此復合土釘支護穩定性也包括開挖和支護的每一步驟和最終工況均處于穩定狀態，才能說復合支護體系處于穩定安全狀態。復合土釘穩定性分析需按工況進行，如第i排土釘設置之前和設置之后都需進行穩定性分析。進行穩定性分析的方法很多，如簡單圓弧條分法、Bishop法、對數螺旋曲線法等，國內的《建筑基坑支護技術規程（JGJ120-）》[40]以及《復合土釘墻基坑支護技術規范（GB50739-）》[48]均采用簡單圓弧條分法來分析。所不同的是，前者在進行復合土釘支護整體穩定性計算時采用了與土釘支護完全相同的計算公式，即沒有考慮水泥土樁及預應力錨桿的作用；而后者在對復合土釘支護體系進行穩定性計算時將水泥土樁、微型樁以及預應力錨桿的作用以分項系數的形式全部考慮進去。4.1.1《建筑基坑支護技術規程（JGJ120-）》的整體穩定分析方法在設計領域因為圓弧滑動條分法編程較為方便，故該方法是當前較為流行的一種計算土釘支護的整體穩定性分析方法。整體穩定分析的實質是穩定因素和非穩定因素的比較，即由土體自重和施工超載引起的滑動力矩之和的比較。滑動力矩包括：原狀土體強度產生的抗滑力矩；土釘產生的抗滑力矩，表現為滑裂面以外的土釘長度產生的抗滑力矩。《建筑基坑支護技術規程（JGJ120-）》的整體穩定分析方法是基于滑裂面假定為圓弧狀，并考慮土釘的加固作用。采用傳統的圓弧滑動條分法（圖4-1），按式（4-1）和式（4-2）計算：(4-1)(4-2)式中，——圓弧滑動穩定安全系數；對于安全等級為二級和三級的土釘墻，其值分別不應小于1.3和1.25；——第個圓弧滑動體的抗滑力矩與滑動力矩的比值；——分別為第土條滑弧面處土的粘聚力和內摩擦角，——第土條的寬度；——第土條滑弧面中點處的法線與垂直面的夾角；——第土條的滑弧長度，；——第土條上的附加分布荷載標準值；——第土條的自重；——第層土釘或錨桿在滑動面以外的錨固段的極限抗拔承載力標準值與桿體受拉承載力標準值的較小值；——第層土釘或錨桿的傾角；——滑弧面在第層土釘或錨桿處的法線與垂直面的夾角；——第層土釘或錨桿的水平間距；——計算系數，可取；——第層土釘或錨桿與滑弧交點處土的內摩擦角。1111432:圖4-1復合土釘支護整體穩定性驗算1—滑動面；2—土釘或錨桿；3—噴射混凝土面層；4—水泥土樁或微型樁Fig.4-1Compositesoilnailingoverallstabilitychecking1-Slidingsurface;2-Soilnailsorbolts;3-Sprayedconcretesurface;4-Cementpileormicropiles4.1.2《復合土釘墻基坑支護技術規范（GB50739-）》的整體穩定分析方法《復合土釘墻基坑支護技術規范（GB50739-）》中的整體穩定驗算計取了水泥土樁、預應力錨桿及微型樁的作用，而且指出，若不計這些構件的作用，設計將過于保守，不但與事實不符，且有些情況下設計計算很難達到一定的安全度，人為的限制了復合土釘墻技術的應用。當然也不能過高估算這些復合構件的作用，公式中經過設置組合折減系數，限制了這些復合構件的作用程度。計算模型如圖4-2：1111432圖4-2復合土釘支護整體穩定性驗算1—滑動面；2—土釘或錨桿；3—噴射混凝土面層；4—水泥土樁Fig.4-2Compositesoilnailingoverallstabilitychecking1-SlidingsurfaceChina;2-Soilnailsorbolts;3-Sprayedconcretesurface;4-Cementpile計算公式如下：(4-3)(4-4)(4-5)(4-6)(4-7)式中，——整體穩定安全系數，對應于基坑安全等級一、二、三級分別取1.4、1.3、1.2；——整體穩定分項抗力系數分別為土、土釘、預應力錨桿和水泥土樁產生的抗滑力矩和土體下滑力矩的比值；——第個土條在滑弧面上的粘聚力和內摩擦角；——第個土條在滑弧面上的弧長；——第個土條的重量，包括作用在該土條上的各種附加荷載；——第個土條在滑弧面中點處的法線與垂直面的夾角；——土釘、預應力錨桿和水泥土樁組合作用折減系數；——第根土釘與相鄰土釘的水平間距；——第根預應力錨桿的水平間距；——第根土釘在穩定區（即滑裂面外）所提供的摩阻力；——第根預應力錨桿在穩定區（即滑裂面外）的極限抗拔力；——第根土釘與水平面之間的夾角；——第根預應力錨桿與水平面之間的夾角；——第根土釘或預應力錨桿與滑弧面相交處，滑弧切線與水平面的夾角；——第根土釘或預應力錨桿與滑弧面交點處土的內摩擦角；——假定滑裂面處相應齡期水泥土樁的抗剪強度標準值，根據試驗結果確定；——單位計算長度內水泥土樁的截面積。同時，組合作用折減系數的取值還應符合以下規定：（1）宜取1.0；（2）≤300kN時，宜取0.5～0.7，隨錨桿抗力的增加而減小；（3）水泥土樁與土釘墻復合作用時，宜取0.3～0.5，水泥土抗剪強度取值較高、水泥土墻厚度較大時，宜取較小值；（4）第根土釘在穩定區（即滑裂面外）所提供的摩阻力應符合式（4-8）的規定：(4-8)4.1.3兩種規范的差異下面就兩種規范對土釘支護的整體穩定驗算公式進行對比分析。首先將《建筑基坑支護技術規程》中土釘支護的整體穩定驗算公式變形如下：(4-9)其中是計算系數，，將其代入式（4.1）可得：(4-10)能夠看到，此安全系數由三部分組成，第1部分表示由土體抗剪強度產生的抗滑力矩與土體下滑力矩比；第2部分和第3部分表示由土釘所產生的抗滑力矩與土體下滑力矩比。《復合土釘墻基坑支護技術規范（GB50739-）》中，在不考慮預應力錨桿、水泥土樁及微型樁的情況下，其整體穩定驗算公式如下：(4-11)(4-12)(4-13)其中，根據規定取1.0。將（4.11）、（4.12）和（4.13）合并可得：(4-14)由式（4.14）能夠看出，經過變形的復合土釘支護整體穩定驗算公式也可分為三部分，而且各部分所表示的含義同式（4.10）相同。將式（4.10）和式（4.14）對比不難發現，兩個公式的第1部分和第2部分相同，而第3部分不同，此部分表示土釘作用力在滑動圓弧法線方向所產生的摩擦阻力，《建筑基坑支護技術規程（JGJ120-）》對此的規定為，而《復合土釘墻基坑支護技術規范（GB50739-）》對此部分的規定為，兩者相差一倍。另外，《復合土釘墻基坑支護技術規范（GB50739-）》還綜合考慮了預應力錨桿和水泥土樁止水帷幕的擋土作用，并以組合作用折減系數的形式對其所發揮的作用程度加以限制，使得在穩定安全系數滿足規范要求的前提下，設計方案不再過于保守。4.2兩種計算方法的對比分析下面經過實例計算，分析由《建筑基坑支護技術規程（JGJ120-）》（以下簡稱《規程》）所規定的不考慮錨桿和樁作用的穩定性計算方法和《復合土釘墻基坑支護技術規范（GB50739-）》（以下簡稱《規范》）中考慮錨桿和樁作用的計算方法所得出的穩定安全系數的差異。計算將分別采用理正深基坑7.0設計軟件（對應《規程》）和理正巖土6.0PB1版中的超級土釘模塊（對應《規范》），為便于對計算結果進行對比分析，計算過程均假定場地為單一土層，無超載，且不考慮地下水的作用。4.2.1粘聚力c≠0的情況（1）土層及支錨信息如表4-1、4-2和4-3：表4-1土層信息Table4-1

The

information

ofsoil序號土類型層厚(m)重度(kN/m3)飽和重度(kN/m3)粘聚力(kPa)摩擦角(°)1粘性土12.60020.00020.00020.000表4-2土釘信息Table4-2

The

information

ofsoilnailing序號材料水平間距(m)豎向間距(m)入射角(°)鉆孔直徑(mm)長度(m)配筋1鋼筋1.4001.80015.0001106.0001D162鋼筋1.4002.80015.0001107.0001D223鋼筋1.4001.40015.0001107.0001D22表4-3錨桿信息Table4-3Theinformationofanchorarm序號類型水平間距(m)豎向間距(m)入射角(°)總長(m)錨固長(m)錨固體直徑(mm)1錨桿1.4003.20015.00015.00010.000150計算簡圖如圖4-3：圖4-3水泥土樁復合土釘支護結構計算簡圖Fig.4-3Calculationdiagramofcementsoilpilecompositesoilnailingstructure（2）《規程》的計算結果各工況計算簡圖如圖4-4所示：圖4-4各工況計算簡圖Fig.4-4Calculationdiagramofcase各工況計算結果匯總如表4-4：表4-4整體穩定安全系數計算表Table4-4

Calculationtableofoverallstabilitysafetyfactor工況號安全系數是否滿足規范要求（1.3）圓心坐標x（m）圓心坐標y（m）半徑（m）12.039滿足-6.54611.91210.11521.669滿足-7.81212.20812.23431.456滿足-9.70510.54113.33241.303滿足-11.2119.11714.45051.516滿足-13.0279.95516.396（3）《規范》的計算結果根據《規范》5.3.2條5.3.5條，驗算基坑整體穩定性：各工況計算簡圖如圖4-5所示：圖4-5各工況計算簡圖Fig.4-5Calculationdiagramofcase各工況計算結果匯總如表4-5：表4-5整體穩定安全系數計算表Table4-5

Calculationtableofoverallstabilitysafetyfactor工況號安全系數K1安全系數K2是否滿足規范要求（1.3）圓心坐標x（m）圓心坐標y（m）半徑（m）12.7231.388滿足-4.30310.5037.63221.8361.374滿足-5.27610.2589.21831.4821.249滿足-7.25311.10312.27541.3121.179滿足-5.68515.59616.60051.4591.351滿足-8.51421.99123.582注：表中，表示土體、土釘及錨桿組合作用的安全系數，規范要求（4）計算結果分析如表4-6：表4-6各工況整體穩定安全系數Table4-6Theoverallstabilityfactorofdifferentworkingconditions工況安全系數12345《規程》Ks2.0391.6691.4561.3031.516《規范》K13.0272.1821.6681.5221.795《規范》K22.0431.7881.4561.3901.662《規范》η3Ks30.9840.3940.2120.1320.133注：η3Ks3——水泥土樁部分對基坑整體穩定安全系數的貢獻值。（下同）圖4-6兩種計算方法所得安全系數對比圖Fig.4-6Twocalculationmethodsresultingsafetyfactorcomparisonchart由表4-6及圖4-6分析可知，對支護方式完全相同的基坑分別用兩種方法進行計算，當用《規程》方法（不考慮水泥土樁作用）計算所得穩定安全系數剛好滿足規范要求時，用《規范》方法（考慮水泥土樁作用）計算所得的穩定安全系數已經遠遠超過了規范所要求的1.3。另外，從表中數據也能夠看出，水泥土樁部分所承擔的作用隨基坑開挖步驟的進行而逐漸減小，這也說明水泥土樁復合土釘支護有一定的適用范圍，超出這個范圍，樁的擋土作用就不再明顯了。4.2.2粘聚力c=0的情況對于粘聚力c=0的砂土，其計算過程如下：（1）土層及支錨信息如表4-7～表4-9：表4-7土層信息Table4-7

The

information

ofsoil序號土類型層厚(m)重度(kN/m3)飽和重度(kN/m3)粘聚力(kPa)摩擦角(°)1細砂12.60020.0000.00020.000表4-8土釘信息Table4-8

The

information

ofsoilnailing序號材料水平間距(m)豎向間距(m)入射角(°)鉆孔直徑(mm)長度(m)配筋1鋼筋1.2001.20015.0001209.0001D222鋼筋1.2002.40015.0001209.0001D223鋼筋1.2001.20015.0001209.0001D224鋼筋1.2001.20015.0001206.0001D22表4-9錨桿信息Table4-9Theinformationofanchorarm序號類型水平間距(m)豎向間距(m)入射角(°)總長(m)錨固長(m)錨固體直徑(mm)1錨桿1.2002.40015.00015.00010.000150計算簡圖如圖4-7：圖4-7水泥土樁復合土釘支護結構計算簡圖Fig.4-7Calculationdiagramofcementsoilpilecompositesoilnailingstructure（2）《規程》的計算結果各工況計算簡圖如圖4-8所示：圖4-8各工況計算簡圖Fig.4-8Calculationdiagramofcase各工況計算結果匯總如表4-10：表4-10整體穩定安全系數計算表Table4-10

Calculationtableofoverallstabilitysafetyfactor工況號安全系數是否滿足規范要