基坑粉黏土体在土钉锚固下力学特征变化研究.pdf

88水科学与工程技术2023年第4 期基坑粉黏土体在土钉锚固下力学特征变化研究杨娜（河北省迁安市水利局，河北迁安0 6 4 4 0 0）摘要：通过开发土钉模拟试验装置，对土钉粉质黏土试样开展室内力学试验及SEM细观扫描。试验表明，干湿路径差异化下，其应力应变趋势特征不同；同一种干湿路径在不同围压下，仍保持一致的应力应变特点，干湿次数不会影响应力应变趋势。在干湿不同路径下，土颗粒与土钉之间的连接性会有明显差异，土颗粒呈独立游离；土体裂隙数量与干湿次数的关系可用指数函数表示,为土钉复合土的力学试验研究及基坑工程设计提供参考。关键词：基坑；土钉；力学；试验中图分类号：TU411D01:10.19733/ki.1672-9900.2023.04.25The influence of mechanical characteristics of silty clay soil in(Qianan Water Resources Bureau,Hebei Province,Qianan 064400,China)Abstract:Through the development of soil nailing simulation test equipment,the laboratory mechanical test and SEMscanning of soil nailing silty clay samples were carried out.The experimental results show that the stress-strain trendcharacteristics are different under different dry and wet paths.Under different confining pressures,the same dry and wetpath still maintains the same stress-strain characteristics.In contrast,the number of dry and wet times does not affect thestress-strain trend.Under different paths from dry to wet,the connectivity between soil particles and soil nails is obviouslydifferent,and the soil particles are independent.The relationship between the number of cracks in soil and the number ofdry and wet times can be expressed as an exponential function.This paper can provide reference for the mechanical testresearch and foundation pit engineering design of soil nailing composite soil.Key words:foundation pit;soil nails;dynamics;test基坑工程中，土体承载力学特征直接影响基坑支护、开挖工序等技术问题 1.2 ,讨论基坑土体力学特性，有助于揭示基坑支护结构承载力较弱、土体沉降等内在原因。贾佳 3 、张岩等 4 为研究基坑土体的力学特征，借助离散元仿真建模方法，分析土体离散元模型的细观变化,分析不同尺寸的裂隙变化,从离散元细观计算的角度，分析土体裂隙的生成演变及裂隙对宏观破坏影响。崔宏环等 5、朱伟崇等 6 为研究干湿、冻融等不同物理作用下土体力学特征变化，借助室内试验设备，开展物理场耦合作用下土体力学试验，分析试验数据间变化关系，从而归纳获得土体力学本构理论模型，为实际工程建设提供理论依据。岳建伟等 7 、胡焕校等 8 通过SEM、C T 扫描等设备，收稿日期 2 0 2 3-0 3-1 0【作者简介】杨娜（1 9 8 1 一），女（汉族），河北邯郸人，工程师，主要从事水利水电工程相关工作和研究。E-mail:文献标识码：Bfoundation pit under soil nail anchorage文章编号：1 6 7 2-9 9 0 0(2 0 2 3)0 4-0 0 8 8-0 4YANG Na探讨土体的力学特征变化，分析土体在不同状态下宏、细观特征对比关系，从细观机理变化解释宏观应力、变形等特征。本文为研究土钉加固粉质黏土体在干湿交替下力学特征变化，分析土体宏观应力、应变的变化特征，也从SEM扫描图像中探讨土体的细观变化，丰富基坑工程设计参考成果。1试验概况1.11工程介绍在迁安市城西拟建一综合办公楼，基坑开挖深度为7.8 9.4 m,所在场地地层特征如图1,按照基坑平面设计布置方案，开挖坡度为1:0.5，以倾斜土钉2023年第4 期形式在开挖层中锚固，倾角为1 5，长度依次为9,7.5,7.5,6m，土钉配筋层按照加密区、非加密区进行设置，土层含水率为9%1 2%，各阶段开挖中最大位移可达1 5mm，中部粉质黏土层抗剪能力较差，易产生开挖滑动体，对基坑开挖安全带来较大挑战。在考虑基坑整体开挖稳定性的前提下，一方面设计开展土钉锚固处理，另一方面加大开挖支护面，保障作业安全可靠性。图2 为基坑另一处土钉锚固典型断面特征，主要针对含夹层软弱面的粉质黏土层，锚管直径均为4 8 mm,长度不同于图1 非加密区布置断面，自上而下共有5根锚杆，分别为6,6,4.5,4.5,4.5m,此断面土层含水率为1 8%2 2%。整体上分析认为，该基坑粉质黏土作为持力层，所采用的土钉加固设计在水平、竖向间距均有一定差异,且土钉加固粉质黏土承载力学效果与原状(无钉)粉质黏土的差异，还值得进一步对比。在确定土钉加固方案的基础上,开展对土钉加固粉质黏土区、无钉原状粉质黏土区进行试验对比，并依托物理场作用，分析土钉加固粉质黏土力学特征影响变化。直径2 0 mmHRB350级钢图1 基坑土层分布特征N5004350OOSTOOST挂6200X200钢筋网O0SI喷射8 0 厚C2000L8混凝土面层L=45001500排水沟图2 土钉锚管分布特征1.2试验设计为研究土钉加固粉质黏土承载力学特征，设计采用室内土体力学试验设备进行。在该基坑工程深度4 5m范围内取样,所钻取的试样覆盖基坑所有开杨娜：基坑粉黏土体在土钉锚固下力学特征变化研究土钉(a)土钉加固土体图3 试验设备不仅于此，鉴于基坑工程施工受季节影响,开挖9.m1.5m7.5m6m厚度9 0 mm喷混凝土C306.5250 x250109临时护栏5%200商砖彻挡水锚管0 4 8.t=315L=60001500销管0 4 8 1=3L=60001500锚管0 4 8,1=3L=45001500锚管0 4 8.L=3L=45001500锚管48t=389挖断面，包括图1、图2 中所示的土层剖面,所得土样含水率分布为8%2 2%。由于本试验中需要探讨有、无钉加固粉质黏土力学特性，故需在实验室开发土钉模拟试验装置，图3 为自研土钉加固土样力学试验装置，图3(a)为模拟倾角2 5土钉加固粉质黏土试样，土钉依靠螺杆与底孔连接，构建起土钉加固粉质黏土试样模型，图3(b)为加载平台中放置人土钉加固土样模型后状态，基于该试验装置可完成土钉加固粉质黏土力学试验。试验中，所有试样直径、高度分别为50,100mm,在试验前、后对试样分别进行SEM细观扫描，以获得粉质黏土试样细观力学特征。钢板环刀土样环刀7.6m期土体易出现干湿交替物理作用，故三轴力学试验中需耦合干湿循环影响。试验中,试样在不同干湿交替环境下完成物理作用，干湿状态下含水率分别为22%8%(A 组)、1 8%8%(B 组)、1 4%8%(C 组)、10%8%（D 组）,3 组试样交替过程中在干湿环境下保持4 h，交替次数分别设定为0 1 0 次，梯次为2次。试验围压设定50,1 0 0,2 0 0 kPa，试验参数设计如表1。基于干湿交替路径差异化下力学试验，研究土钉加固粉质黏土力学特性。表1 试验参数设计湿润状态含水率/干燥状态含水率/围压/kPa%50,100,2002250,100,2001850,100,2001450,100,200102干湿交替影响下土钉锚固土体力学试验2.1干湿路径影响基于不同干湿路径下土钉锚固土体力学试验，加压钢板(b)试验装置交替次数/次%88880,2,4,6,8,100,2,4,6,8,100,2,4,6,8,100,2,4,6,8,103土钉锚固土体变形破坏细观特征90获得土钉锚固复合土体试样的力学特征曲线，如图4。从图4 可看出，干湿路径不一致,则试样应力应变发展趋势具有较大差异：以围压50 kPa下为例，当干湿路径为2 2%8%时（A组），试样加载应力应变呈应变软化特征，峰值应变后应力直接陡降，无明显残余应力；当干湿路径为1 8%8%时（B组），试样峰值应变后应力下降较快，在应变5.2 2%后由应力下降缓冲期；当干湿路径为1 4%8%（C组）、1 0%8%(D组）时，试样分别在峰值应变3.7%、3.9%后出现应力缓降,降幅弱于A、B 组干湿路径,且均出现了残余应力，分别为2 7 7.3,3 56.1 kPa。相比之下，当围压增大至1 0 0 kPa后，各组试样仍保持一致的应力应变趋势特征，但峰值应变、应力下降缓冲节点应变值及残余应力等参数值均有较大提高。分析认为，干湿路径不同，土钉复合土试样应变破坏有明显差异，干湿程度差异愈大，则试样愈趋于应变脆性；围压增大，不会改变应力应变曲线特征，但会影响各节点应力、应变参数值。总体对比应力、应变参数值可知，当干湿路径中干湿程度差愈小，则试样承载应力水平愈高：围压50 kPa下A组试样峰值应力为1 9 3.7 kPa，而B，C,D组试样峰值应力较之前者分别提高了4 7.3%、7 9.4%、1 2 1.4%；围压增大至1 0 0 kPa后,AD4组试样峰值应力整体增幅为2 9.4%4 3.5%，随干湿程度差幅增大，其峰值应力平均减小2 0.3%。控制土钉锚固土体干湿路径，有助于减少物理作用对试样承载能力的削弱。500手湿含量（2 2%8%A组）手、湿含量（1 8%8%B组）主湿含量（1 4%8%C组）400主湿含量（1 0%8%、D组）档2 0 00000000000100-00杨娜：基坑粉黏土体在土钉锚固下力学特征变化研究2.2干湿次数影响同理，根据同一种类型干湿路径下、不同交替次数试验组的力学试验数据处理，获得干湿次数对土复合土试样应力、应变影响，由于各干湿路径下，交替次数对力学特征影响具有相似性，故本文给出干湿路径为1 8%8%的试样组，如图5。分析图5可知，同一围压下，不同干湿次数试样应力应变趋势变化呈一致，峰值应变均接近，围压50,2 0 0 kPa下试样组的峰值应变分别为4.1 4%、1 5.3%。不仅于此，在围压50kPa下,各试样均为应变脆性，峰值应变后无应力缓冲下降区，应力降幅均超过6 0%；而围压2 0 0 kPa下，试样在应变5.5%后出现应力稳定、应变快速增大的特征，延塑性变形显著。基于试验数据分析表明，干湿次数不影响试样应变破坏特征，而围压作用会直接改变应力应变趋势。6407900560-干湿0 次-0-干湿之次480干湿4 次一+-干湿6 次干湿8 次400-干湿1 0 次320240-160806007500400300-200100-036应变/%(a)围压 50 kPa图4 不同干湿路径下土钉复合土试样应力应变特征2023年第4 期750600450300O-O-21020T234567891011121314151617应变/%(a)围压 50 kPa图5不同干湿次数下土钉复合土试样应力应变特征由不同干湿次数下试样应力水平对比可知，干湿次数与承载应力为负相关，围压50 kPa下交替0次时试样峰值应力为58 1.9 kPa，而干湿2,4,8 次试样峰值应力较前者分别减少了2 5.5%、4 5.2%、7 3%，当干湿作用每梯次增幅2 次，则试样峰值应力平均下降了2 9.2%。在围压2 0 0 kPa下，由于峰X-值应力并不明显，以应变1 5%所指应力为X-X代表，在湿干次数梯次变化时，峰值应力千湿含量（2 2%8%A组）干、湿含量（1 8%8%、B组）干、湿含量（1 4%8%、C组）P00-000-千、湿含量（1 0%8%、D组）000-0001215一一干湿0 次-0-干湿2 次一干湿4 次150-一-女-干湿6 次一干湿8 次-路-干湿1 0 次应变/%(b)围压 2 0 0 kPa平均减少1 2.2%，围压增大，试样受干湿物理损伤影响效应会减弱。0246810121476应变/%(b)围压1 0 0 kPa土钉锚固土体的破坏特征不仅体现2023年第4 期杨娜：基坑粉黏土体在土钉锚固下力学特征变化研究91多，本质上会促进试样内部微小裂隙的产生，从而形成贯通裂纹，而这种作用影响在交替6 次后尤为显著。(a)A 组(b)B组4结语(1)干湿路径不同,则试样应力应变走向趋势有所差异，干湿程度差异愈大，则试样应变脆性，围压增大，应变特征仍保持一致；随干湿程度差幅增大，承载应力减弱。(2)干湿次数不会影响土钉复合土试样应力应变变化趋势，对其应变破坏特征影响较小，围压会直接(c)C组图6 不同干湿路径下试样SEM图像特征在宏观力学方面，试样细观特征上同样会受之影响。为此，本文在SEM图像扫描基础上,对土钉锚固土体细观特征开展分析。图6 为4 种不同干湿路径下试样破坏后SEM图像特征。分析可知，干湿程度差异愈大，土钉锚固土试样颗粒紧凑性愈差，颗粒骨架变得较松散,图6(d)中试样中小孔增多、延展较显著,颗粒内部的大、小孔隙分布更广泛，土颗粒团簇状显著，呈颗粒独立性分布,割裂了土颗粒与土钉之间的结构联系性,故土体试样承载能力受劣化影响。基于各试样细观数据提取分析，获得干湿次数试验组试样裂隙分布变化特征，如图7。由图7 可看出，干湿次数与裂隙数量的关系可用指数函数表示；随干湿次数增多，裂隙数量显著增大，特别是在干湿次数为6 次后，裂隙数量增幅更高，在围压50 kPa下，干湿0 次时裂隙数量为50 3 9 个，而随干湿梯次2次变化，裂隙数量平均提高3 8.5%，而在围压100,200kPa下，裂隙数量随干湿次数变化，分别平均增幅2 9.2%、1 9.6%，即围压效应可约束试样内部部分裂隙的产生。分析认为，干湿交替作用随次数增2700072400021000180001500012000900060003000-0图7 试样裂隙分布特征(d)D组围压2 0 0 kPa-0-围压1 0 0 kPa压50 0 kPa246810干湿次数/次影响不同干湿次数试样应变特征；干湿次数与承载应力为负相关，围压50,2 0 0 kPa下试样峰值应力随交替梯次变化，分别平均减少2 9.2%、1 2.2%。(3)干湿程度差异愈大,试样土颗粒独立性分布，与土钉的结合紧密性较差；干湿次数与裂隙数量的关系可用指数函数表示，且裂隙数量的增幅在干湿6次后尤为显著，围压增大，可减少裂隙数量的产生。参考文献：1何建锋,郭小帅,杜朋召.郑州地区基坑工程砂土力学指标确定方法探讨 J.山西建筑,2 0 2 3,4 9(2):1 0 9-1 1 2.2杨麟.膨胀土基坑稳定性影响因素分析 J.建筑技术开发,2021,48(16):159-160.3贾佳.砂土与混凝土桩接触界面强度离散元研究 J.武汉交通职业学院学报,2 0 2 2,2 4(3):1 2 0-1 2 5.4张岩,樊亮,王林,等.黏粒含量对粉土抗压强度的影响 J.路基工程,2 0 2 2(1):4 4-4 8.5崔宏环,朱超杰,张立群,等.干湿循环对路基改良土加州承载比与回弹模量的研究 J.森林工程,2 0 2 3,3 9(1):1 8 7-1 9 6.6朱伟崇,张秀如.岸坡土体物化改性下干湿、冻融交替力学试验研究 J.水科学与工程技术,2 0 2 2(6):7 5-7 8.7岳建伟,陈颖,孔庆梅,等.基于SEM图像的灰土力学模型研究 J.建筑科学与工程学报,2 0 2 2,3 9(5);2 0 2-2 1 2.8胡焕校,段旭龙,何忠明,等.动三轴CT条件下粗粒土填料的力学特性与细观力学性能分析 J中国公路学报，2018,31(11):42-50.(责任编辑：王艳肖）