疏排桩-土钉墙组合支护结构离心模型试验研究——稳定性与破坏模式

疏排桩-土钉墙组合支护结构离心模型试验研究——稳定性与
破坏模式
杨敏;孙宽;古海东;刘斌
【摘要】疏排桩-土钉墙组合支护是疏排桩与土钉墙相结合的一种新型支护形式,它不但充分利用了排桩抗弯能力强的优点,同时有效地克服了疏排桩桩间距受桩间土体失稳的限制和土钉墙变形难以控制的缺点.这一新型组合支护结构目前在工程中已有广泛应用,但是对于疏排桩-土钉墙组合支护结构的加固机理和破坏模式还有待于深入研究.采用同济大学中型岩土离心机进行了7组疏排桩-土钉墙组合支护基坑的离心机模型试验.离心机模型试验结果表明,疏排桩-土钉墙组合支护基坑的整体稳定性较疏排桩支护和土钉墙支护都有显著提高.疏排桩-土钉墙组合支护结构中土钉的长度和布置间距,以及排桩间距对支护基坑的稳定性影响非常显著.%Scattered row piles-soil-nailed wall protection is a new support form which combined soil-nailing wall and sparse row piles. It not only takes full advantages of the bending ability of row piles, but also effectively overcomes the disadvantages of the piles spacing restricted by the instability of soil between piles and the difficulty of displacement of control for soil nailing. The new protect structure of compound soil-nailing wall with sparse row piles has been widely used in engineering practices. However, the reinforcement mechanism and the failure mode of scattered row piles-soil-nailed wall protection structure is still poorly understood. A centrifuge study of scattered row piles-soil-nailed wall protection pit foundation was carried by Tongji University. Results of seven groups tests performed on the centrifuge at Tongji University show that the stability of
pit foundation has significantly increased compared scattered row piles-
soil-nailed wall protection technology to scattered row piles and soil nailing protection technology. Not only the length and spacing of nail in scattered row piles-soil-nailed wall protection pit, but also the spacing of the piles have significantly impact on the stability of a pit.
【期刊名称】《结构工程师》
【年(卷),期】2012(028)001
【总页数】6页(P94-99)
【关键词】疏排桩;土钉墙;稳定性;破坏模式;离心机模型试验
【作者】杨敏;孙宽;古海东;刘斌
【作者单位】同济大学地下建筑与工程系,上海200092;同济大学岩土及地下工程
教育部重点实验室,上海200092;同济大学地下建筑与工程系,上海200092;同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室,上海200092;同济大学地下建筑与工程系,上
海200092;同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室,上海200092;同济大学地
下建筑与工程系,上海200092;同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室,上海200092
【正文语种】中文
1 引言
疏排桩支护结构具有排桩抗弯能力强的优点，但桩间距受到桩间土体滑移失稳的限制;土钉墙支护技术施工简便、经济高效，但其变形难以有效控制，支护深度有限。

将疏排桩与土钉墙组合，形成的疏排桩－土钉墙组合支护结构，即应用土钉墙支护疏排桩桩间土体，可以结合排桩与土钉墙的优点，提高疏排桩间土体的稳定性，同时从土钉墙的应用角度来讲，设置排桩可以减小土钉墙的变形，拓展了土钉墙的支护深度。

目前，疏排桩－土钉墙组合支护结构已在工程实践中广泛应用，但是其加固机理、荷载传递路径以及破坏模式还有待深入研究［1-6］。

本文通过1组无支护基坑、1组排桩支护基坑和5组疏排桩－土钉墙组合支护基坑的离心机模型试验，研究了疏排桩－土钉墙组合支护基坑的破坏模式;分析了土钉长度、布置间距、排
桩间距对疏排桩－土钉墙组合支护基坑稳定性和破坏模式的影响。

2 离心机模型和试验方法
离心机模型试验在同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室中的TLJ－150复合型岩土离心机上进行。

试验用土取自上海杨浦区五角场的砂质粉土，该土样的级配曲线如图1所示。

图1 试验用土级配曲线Fig.1 Distribution curve of test soil
通过击实试验得到该土样的最优含水率为18%，最大干密度为1.53 g/cm3，对应的密度为1.8 g/cm3，本次离心机试验制备含水率为18%的非饱和土，土样的物
理力学性质如表1所示。

在1 g(g为重力加速度)状态下，在净空为700
mm×440 mm×700 mm(高)的模型箱中，完成模型制备。

在填土前，模型箱两侧用凡士林粘贴双层特夫龙以减小侧壁摩擦。

模型箱底部铺设厚度为50 mm的粗砂用来排水，填土分层击实至标高距离模型箱底600 mm，
每层填土27.72 kg，按照密度为1.8 g/cm3击实至厚度50 mm。

模型中所用的
桩采用外径为20 mm、内径14 mm的铝管，桩表面打磨后的外径为18 mm，
桩长400 mm，土钉选用直径为1 mm的钢丝，打磨后先涂抹AB双面胶，然后
粘上土颗粒，粘上土颗粒后的土钉直径约为2 mm。

土钉墙的面板采用厚度为0.3 mm的整体铝片(面积为440 mm×200 mm)杨氏模量为70 GPa，填土时将排桩
预先埋入土中。

模型简图如图2所示。

表1 土样的物理力学特性Table 1 Soil properties?
试验时，将制备好的离心机模型调入离心机吊篮，进行模型固结试验(模型比例尺为60)，试验开始后离心加速度以10 g为一级，每级加速度下运转3 min，最后在60 g的离心加速度下运转36 min(相当于实际工程中的3个月)，固结完成的判断标准为模型地表沉降趋于稳定(因土样含水率较低，无法通过孔隙水压力传感器读数来判断固结是否完成)。

固结结束后将模型箱调出，开挖成高度为200 mm，坡角为90°的竖直基坑，拆开模型箱侧壁，在模型基坑侧面用长度为1 mm的彩色大头针布置标记点，如图1所示。

标记点布置完毕后重新组装模型箱后，再将模型箱吊入离心机吊篮，待模型箱中的位移传感器、土压力盒以及桩身应变片等接线通道调试完毕后，开启离心机，先在10 g加速度下运转3 min，观察离心机是否运转正常，待一切正常后从30 g离心加速度开始以每5 g为一级，每级加速度下运转15 min，如果模型在这一级加速度下破坏，或者在期间的任意加速度下破坏，试验即告结束，停机进行试验后位移和裂缝测量。

如果加速度达到60 g时基坑没有失稳，则提高离心加速度继续试验直到基坑破坏为止，如果当离心加速度达到120 g时基坑仍没有失稳，也将离心机停下来，防止离心机因加速度过大而损坏或出现其他意外情况。

图2 基坑离心机模型(单位:mm)Fig.2 Centrifuge models of construction pit foundation(Unit:mm)
3 疏排桩－土钉墙组合支护基坑离心机试验结果及分析
表2总结了7组离心机模型试验结果。

图3显示了无支护基坑、排桩支护基坑、土钉墙支护基坑以及4组疏排桩－土钉墙组合支护基坑离心机试验后照片。

图4为离心模型试验后模型1～3以及模型5和模型6的滑裂面素描图，模型4和模型7因试验时没有破坏故没有给出滑裂面素描图。

3.1 疏排桩－土钉墙组合支护与排桩支护、土钉墙支护效果的比较
通过对无支护基坑模型、排桩支护基坑模型、土钉墙支护基坑模型和疏排桩－土钉墙组合支护基坑模型4的实验结果进行对比分析。

无支护基坑模型在离心加速度
为50 g时破坏，最大水平位移为1 mm;排桩支护基坑模型在55 g时桩间土破坏;土钉墙支护基坑模型在90 g时发生外部破坏(土钉没有被拔出)，破裂面近似呈圆
弧形，最大水平位移为37 mm;疏排桩－土钉墙组合支护基坑模型4在100 g时
仍无破坏。

由试验结果分析可知:排桩支护虽然能提高基坑的稳定性，但是由于桩
间土体受桩间距的限制，容易失稳;土钉墙支护基坑的整体稳定性较好，但是基坑
变形较大，破坏呈延性特征;疏排桩－土钉墙组合支护基坑的稳定性较排桩支护和
土钉墙支护都有显著提高。

表2 离心机模型试验结果Table 2 Results of centrifuge model tests?
图3 离心机模型试验后基坑形态Fig.3 Construction pits after centrifuge model test
3.2 桩间距对疏排桩－土钉墙组合支护基坑稳定性的影响
模型5和模型6的土钉参数完全相同，桩间距不同，模型5的桩间距为120
mm(6倍桩径)，模型6中的桩间距为80 mm(4倍桩径)。

通过分析模型5和模型
6的试验结果可知，虽然模型5和模型6都在100 g离心加速度下破坏，但是模
型5破坏的程度要比模型6大很多:模型5面层完全塌落，土钉完全被拔出，桩间
土破坏成拱形破坏形态，最大拱高45 mm，坡顶面裂缝较多，裂缝影响范围为距离坡面260 mm处;模型6破坏时土钉部分被拔出，桩间土破坏成拱形破坏形态，最大拱高为10 mm，坡顶面裂缝较少，裂缝的影响范围为距离坡面100 mm处。

对于疏排桩－土钉墙组合支护基坑，桩间距的减小，有利于控制基坑的破坏范围和程度，同时也有利于控制基坑的坡面变形和坡顶裂缝的产生。

3.3 土钉间距对疏排桩－土钉墙组合支护基坑稳定性的影响
模型4和模型6的土钉长度和桩间距完全相同，土钉间距不同。

模型4的土钉水平间距为20 mm，竖向间距为25 mm;模型6的土钉水平间距为40 mm，竖向间距为50 mm。

模型6在离心加速度为100 g时发生破坏，而模型4在离心加速度为120 g时仍无破坏，可见，土钉间距对疏排桩－土钉墙组合支护基坑的稳定性有显著影响。

图4 试验后模型破裂面素描图Fig.4 Failure surface sketch of models after test 3.4 土钉长度对疏排桩－土钉墙组合支护基坑稳定性的影响
模型6和模型7中桩的参数完全相同，土钉间距也完全相同，土钉长度不同，模型6中的土钉长度为66.7 mm(等于基坑开挖深度的三分之一);模型7中的土钉长度为200 mm(等于基坑开挖深度)。

通过模型6和模型7的试验结果分析表明，模型6在离心加速度100 g时发生土钉拔出破坏，基坑距离坡面100 mm范围内有裂缝产生;模型7在离心加速度为120 g时无破坏，基坑坡顶表面无明显裂缝。

由此可见，土钉长度的增加对疏排桩－土钉墙组合支护基坑的稳定性有显著提高，并且增加土钉长度，有利于坡顶裂缝控制。

4 结论
本文通过离心机模型试验重点研究了疏排桩－土钉墙组合支护基坑的稳定性和破坏模式及其影响因素。

关于疏排桩－土钉墙组合支护结构的承载性能、土拱效应以及土钉墙与排桩的承载分担比等内容将在另文中详细探讨。

本文研究主要得出以下结论。

(1)疏排桩支护能一定程度上提高基坑稳定性，但当排桩间距在4倍桩径以上时，单独采用排桩支护桩间土很容易失稳，支护效果不是很明显。

土钉墙支护能提高基坑的整体稳定性，破坏时呈延性破坏，并且破坏时坡面裂缝范围较大，基坑变形较大。

疏排桩－土钉墙组合支护能显著提高基坑的稳定性，支护效果比单独使用排桩和单独使用土钉墙支护效果好很多。

(2)排桩间距对疏排桩－土钉墙组合支护基坑的稳定性影响显著，随着桩间距的减小，基坑的破坏范围和程度都显著减小，桩间破坏土拱的拱高显著减小，同时有利于控制坡顶裂缝的产生和发展。

(3)土钉间距对疏排桩－土钉墙组合支护基坑的稳定性也有显著影响，随着土钉间距的减小，基坑的稳定性越来越高。

(4)土钉长度对疏排桩－土钉墙组合支护基坑的稳定性影响显著，土钉长度越大，基坑稳定性越好，同时，基坑变形也越小;而且，增大土钉的长度，可以很大程度上避免基坑突然失稳的可能性，并能有效控制基坑坡顶裂缝的产生、发展和坡面变形。

参考文献
【相关文献】
［1］ Bowles J E.Foundation Analysis and Design(Third Edition)［M］.New York:McGraw Hill，1982.
［2］ Jean Louis Briaud，Yujin Lin.Soil-Nailed Wall Under Piled Bridge Abutment ［J］.ASCE，Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，1997，123(11). ［3］ Teramoto K，Taga N，Naruse T，et al.Model loading tests of reinforced slope with steel bars［C］∥International Conference on Earth Reinforcement Pr actice，Fukuoka，1992，(1):561-566.
［4］ Frydman S，Baker R，Levy A.Modeling the soil nailing-excavation process［C］
∥Proceedings of International Conference Centrifuge 94，Singapore，1994:669-674. ［5］ Tei Kouji.A study of soil nailing in sand［D］.Oxford:Oxford University，1993. ［6］安关峰.深基坑疏桩支护应用分析［J］.岩石力学与工程学报，2004，23(6):1044-1048.An G F.Application and analysis of sparse pile support for deep foundation［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004，23(6):1044-1048.(in Chinese)。