預應力錨索復合土釘支護的作用機理分析

【摘要】本文通過分別對復合土釘支護中土釘及預應力錨索的作用機理分析，結合被支護土體力學參數的改變，簡單介紹了預應力錨索復合土釘支護的作用機理。

【關鍵詞】預應力錨索；土釘；作用機理

1. 前言

（1）土釘支護技術是20世紀70年代發展起來的一種支護技術，該方法利用土釘體與周圍的土體緊密結合，并依靠接觸界面上的摩擦力，與周圍的土體形成復合土體，通過改良土體的力學強度及土體在變形時提供給土體的錨固力達到支護的目的。

（2）土釘支護與傳統的支護方法相比，由于它具有材料用量少，施工速度快，安全可靠，經濟等優點，目前該項技術在建高層建筑的深基坑開挖中得到愈來愈多應用，甚至不少是用于常規支護基坑失穩時搶險加固或塌滑處理，但由于土釘支護有它的局限性，在松散砂土、軟土、流塑粘性土以及有豐富地下水源的情況下不能單獨使用該支護，必須與其它的土體加固支護方法相結合使用。

（3）復合土釘支護是在土釘支護基礎上發展起來的、用于基坑支護或提高邊坡穩定性的一種新技術，在我國的城市建設中己有大量的工程實踐，但復合土釘支護的理論落后于實踐，設計分析方法不完善，試驗研究不多，又限制了這項技術的發展。預應力錨索復合土釘支護是復合土釘支護中常用而有效的一種技術方法，是采用土釘與預應力錨索聯合支護。它可以有效地控制基坑變形，大大提高基坑邊坡的穩定性。

2. 作用機理

2.1土釘的作用機理。土釘的作用是基于一種主動加固的機制，土釘與土體的相互作用能改變基坑的變形和破壞形態，其作用機理大致可概括為土釘分擔作用、骨架箍束作用、應力擴散和傳遞作用等三種。

2.1.1分擔作用。土釘的分擔作用可以減小土體上的應力，改善土中應力分布，阻止滑裂面的形成。眾所周知，土體實際上是不均勻的各向異性體，土體中各點的應力狀態不同、力學特性不同，變形也不相同。因此，基坑邊坡在整體滑動發生之前，往往是先從潛在滑動面上某一最薄弱點的應力達到或超過該點的極限強度而產生破壞。反映到力學特征上，就是該點的抗剪強度從峰值降到殘余強度。由于該點再也不能承擔原來那么大應力了，只能轉移到相鄰土體，使相鄰點產生應力集中而破壞，進而逐漸蔓延到更多部位的破壞，最后形成一個完整滑裂面。這在地質力學上也稱為“突破點”理論或“突破點”現象。作為全長注漿的土釘，潛在滑動土體內的那段土釘長度也注了漿。因此，土釘體的剛度遠遠大于土體的剛度，當土體內某一最薄弱點受力產生塑性變形時，土體內力自然向著剛度較大的土釘體轉移并由土釘來分擔土體內的一部分應力，而減少土體上的應力，從而形成一個整體滑移面。從以上分析可看出，土釘對土體的加固實質是通過土釘的分擔作用，減少土體上的應力，改善土體內力分析，阻止滑動面的形成，而不是像注漿加固那樣，提高土體的強度參數值。土釘的這種分擔作用在土體由彈性變形階段過渡到塑性變形階段時越趨明顯，因此土釘對土體的彈塑性變形階段的變形制約具有重要意義。

2.1.2骨架箍束作用。群釘以三維空間結構形成分布在土體內部，形成具有一定剛度的空間骨架，這種骨架在土體各部位承受著拉、彎和剪切作用，從而減小土體上的應力，約束土體的剪脹和拉伸變形，減弱應力集中、抑制剪切滑裂帶的形成。因此，群釘不僅延緩了土體塑性變形的發生，而且使土體呈現出明顯的漸進性塑性變形階段，延長了土體的塑性變形階段，群釘的這種骨架箍束作用大大改善了土體的整體性狀，等效地提高了土體的強度。

2.1.3應力傳遞與擴散作用。依靠土釘和土體的相互作用，土釘將所承受的荷載通過土釘全長向土體深層傳遞及周圍擴散，從而降低復合土體的應力水平、改善變形性能。

2.2面層的作用機理。網噴混凝土面層是預應力錨索復合土釘支護的重要組成部分。坡面鼓脹變形是土體開挖卸荷、土體側向變形以及塑性變形和開裂發展的結果。網噴混凝土面層雖然不是主要的受力構件，但是能限制坡面鼓脹，從而削弱了土體內部的塑性變形，加強了邊界的約束作用，這對土體開裂變形階段尤為重要。此外，它可以使分布在土體中的土釘共同作用，一旦局部一個或幾個土釘達到了極限狀態，可以通過面層轉移到其余土釘上去。

2.3預應力錨索的作用機理。預應力錨索通過對土釘支護結構施加一定的主動作用力，把土壓力荷載傳遞到深部的穩定地層中，調動深部穩定地層的潛能，土釘支護結構、錨索及深部穩定土層緊密聯系在一起，共同承受荷載，使基坑穩定并大大減少位移。

2.4注漿的作用機理。注漿在預應力錨索復合土釘支護結構中起著重要的作用，首先增加了土釘及錨索與土體界面的粘結力，其次漿液滲透到土體的孔隙和裂隙中對土顆粒起膠結作用，改善了土體的松散性，提高了原狀土的整體性能。

3. 被支護土體力學參數的改變

在預應力錨索復合土釘支護中，將土釘和錨索及其作用下的土體稱為被支護體。支護前土體的力學性能和支護后土體的力學性能有著較大的不同。在現有的設計理論中，所使用的參數都只考慮了土體支護前自身的一些參數而忽略了使用支護措施后這些參數的變化。