微型钢管桩超前支护复合土钉墙模型试验研究

夏华宗，刘昕光

(1.河北省地勘局国土资源勘查中心，河北 石家庄 050081；2.河北水文地质工程地质勘察院，河北 石家庄 050021 )

0 引言

微型钢管桩超前支护复合土钉墙[1-2]是在土钉支护基础上发展起来的一种应用越来越广泛的岩土工程加固支护方法，它是土钉支护与岩土工程其它方法有机结合的产物。北京地区多次成功将微型钢管桩超前支护复合土钉墙应用在基坑支护中，但是，其理论研究落后于应用实践，迄今为止某些理论尚不成熟，仍然处于发展、完善的过程中。围绕微型钢管桩超前支护复合土钉墙研究的记载资料也比较少，主要集中在一些现场监测或是计算机数值模拟方面。林希强等人对广州将新E1-1地块项目某基坑的微型光管桩超前支护复合土钉墙进行了钢管桩的受力、土体压力以及位移的现场监测，并对数据进行了详细分析和作用机理的研究[3]。高凤怀[4]结合厦门银聚祥邸基坑实例，对微型钢管桩超前支护与锚杆相结合的复合土钉墙进行了数值模拟，并与普通的土钉墙进行了比较。笔者研究了一套试验装置模拟微型钢管桩超前支护复合土钉墙的实际开挖过程。

1 模型试验研究

本次模型试验在长2.0m，宽1.5m，高1.5m钢制模型箱内进行。模型箱以角钢做支架，内衬钢板密封焊接而成，四周加肋，两侧用两个牛腿侧向约束。前面钢板从上而下安装四块钢板(四块宽度共1.0m)，可以拆装。模型土采用现场取土，捣碎过筛后分层铺设，每层虚土30cm，夯实后为25cm。在不同深度采集土样进行参数测定，土体容重18.77Kn/m3，含水率17.5%，粘聚力22.46kPa，内摩擦角27.14o。在模型箱顶部焊接长1.5m，宽1.2m ,高0.3m的钢板槽，槽内堆积沙子加载4.0kPa.支护结构如图1所示。基坑开挖深度1.0m,钢管桩采用Ф12mm，厚1mm，长1.2m的不锈钢管,间距为140mm。采用预先埋设Ф25mm的PVC管，拔出成孔，灌入水灰比0.5的水泥浆，在桩顶用横向帽梁连接各钢管桩。土钉采用Ф3mm，长1.0m的钢筋，纵向间距210mm,横向间距140mm,倾角10°，采用小洛阳铲成孔。面层厚度20mm，用水泥砂浆代替混凝土，用铁丝网作内筋，加强筋用宽6mm,厚1mm的不锈钢片，并钻孔与土钉用螺栓连接。

采用半桥法粘贴电阻应变片测量钢管桩的弯矩、土钉拉力及加强筋受力变化。采用YT-200型土压力计测量土压力。读数仪器均为XL2118B应力&应变综合参数测试仪。模型土铺设固结50天后，加荷载，共分五次开挖，第一次0.25m，第二、三、四次均为0.21m，第五次开挖0.12m。

2 试验数据处理

试验工程持续时间731H，实施时间段见表1。

图1 支护方案和测点布置(单位:mm)

项目加载开挖0.25m开挖0.46m开挖0.67m开挖0.88m开挖1.0m时间60h159h291h443h583h731h

2.1 土压力变化曲线

图2为土压力P与时间t变化曲线图，图3为土压力 P随深度h的变化曲线。可见土压力随时间不断调整，并在开挖面附近发生突变。加载以后土压力值从上而下都增大，开挖以后，T-1测点在第一、二次开挖以后有先减小后增大的调整以后，逐渐减小的变化，其余各点都在开挖以后都减小的趋势。随开挖深度的增大，影响深度不断加深。尽管每次开挖都引起土压力的变化，但是土压力沿深度方向总是先增大后先减小，然后再增大，最大值保持在深1.10m附近，并不按照朗肯土压力理论分布，这与文献[3]现场测得的土压力变化基本相似。

图2 P-t曲线图

图3 P-h变化曲线

2.2 土钉拉力变化曲线

图4为土钉拉力F与土钉延长L的变化曲线。土钉的受力随开挖深度和时间的变化不断进行调整，土钉受力也不断向里面延伸。每次开挖后的拉力最大值不断变化，位置不断向里面移动。第二排土钉施工结束后端部的受力随时间不断增大，呈现放射状。开挖后端部拉力减小，中间部位拉力不断增大，最后形成中间大两端小形状。从图5中可以 明显的分析出，土钉的最大拉力的位置发生在土体滑动面附近,与文献5得到的结论相一致。

图4 F-L变化曲线

图5 土体滑动面示图

2.3 钢管桩变化曲线

图6为钢管桩各测点弯矩M随时间t的变化规律曲线图。每次开挖以后都会引起钢管桩弯矩的变化，并且随时间不断调整，钢管桩的弯矩变化经常以逐渐调整和突变的方式发生。弯矩值有正负之间的变化，而土压力不可能减小为负值，由此可见钢管桩弯矩的变化在一定程度上不受土压力的影响，和土压力存在双向调整的过程，这点已经在实际监测中得到了证明[3]。图7为钢管桩弯矩沿深度的变化规律曲线。随开挖深度增加，对钢管桩的影响不断向下延伸，弯矩值不断增大，并且最大值的位置不断变化，最后开挖稳定以后最大值发生在距离顶部约1/3范围内。上半部分的弯矩明显大于下半部分的弯矩，并且以受正弯矩为主。

图6 M-t曲线图

图7 M-h曲线图

2.4 加强筋变化曲线

图8为面层内加强筋表面应变随时间的变化曲线。第二排加强筋的表面应变先增大，在第四次开挖以后迅速减小，其余三排都是在开挖以后表面应变都呈现增大的趋势，特别是第四排加强筋在开挖结束以后迅速增大，并成为最大值。图9为开挖结束稳定后土压力与加强筋表面应变曲线的对比，可以明显地得到加强筋的受力在开挖结束以后主要受土压力大小的影响。

图8 加强筋应变曲线

图9 加强筋与土压力曲线对比

2.5 桩顶位移曲线

图10为桩顶水平和垂直位移随时间的变化规律曲线。桩顶水平位移开挖后迅速增大，随时间的变化有减小趋势，第二、三次开挖变化不大，第四、五次开挖以后迅速增大，最大位移发生在开挖结束以后，约为0.27mm。桩顶垂直位移最大值发生在第一次开挖结束后，随开挖深度和时间的变化都呈现减小的趋势。

图10 桩顶位移变化曲线

3 结论

本次模型试验可以得到以下结论:

1) 本次模型试验装置(包括测试装置)设计合理,能够较准确地模拟基坑的开挖过程和采集各种数据。

2) 土压力和钢管桩弯矩随开挖深度和时间的变化不断进行调整,经常发生突变,两者存在双向调整的过程.土压力沿深度不按照朗肯土压力理论分布;开挖结束后钢管桩最大弯矩发生在中上部。

3) 每次开挖土钉的拉力都发生变化,不断向内部延伸,最终呈现中间大两端小的现象.土钉的最大值随开挖深度的增加向里面移动,并且最大值发生在土体的滑动面附近。

4) 开挖结束后,加强筋受力与土压力大小的影响为主.桩顶的水平位移和垂直位移在第一次开挖后都迅速增大.垂直位移出现最大值,然后有减小变化;水平位移在开挖结束后增大为最大值。

[1] 孙铁成，张明聚，杨 茜.深基坑复合土钉支护模型试验研究[J].岩石力学与工程学报，2004，23(15)：2585-2592.

[2] 杜云鹤，李世民，曾宪明，等。降雨前复合土钉支护填土边壁(坡)相似模型试验研究[J].岩石力学与工程学报，2006，25(增1)：2833-2840.

[3] 林希强.基坑复合土钉支护全过程内力及变形研究[D].湖北：中国地质大学(武汉)，2003.

[4] 高凤怀.厦门银聚祥邸基坑复合图钉支护的数值模拟与稳定性分析[D].吉林：吉林大学，2006.

[5] 贾金青，张明聚.深基坑土钉支护现场测试分析研究[J].岩土力学，2003,24(3)：413-416.

[6] 杨茜，张明聚，陈建国.复合土钉支护作用机理研究[J].地下空间与工程学报，2005,1(3)：409-413.

[7] Juran, I. & Elias, V. Ground Anchors and Soil Nails in Retaining Structures. Foundation Engineering Handbook, Chapter 26, Fang. H.Y.(Ed), Van Nostrad Beinhold Pub, 1991：868-906.