應用能量法對微型鋼管樁超前支護復合土釘墻作用機理分析

摘 要：微型鋼管樁超前支護復合土釘墻在工程中已經得到廣泛應用，然而對其作用機理理論研究比較少。本文提出用能量法對其進行研究，并對開挖過程中的受力變形進行了分析，其分析結果對工程實踐有一定的指導意義。

關鍵詞：能量法；土釘墻；微型樁

1 引言

微型鋼管樁超前支護復合土釘墻的應用越來越廣泛，特別是在北京地區應用效果非常不錯，但是人們對其微型樁超前支護的作用機理的理論研究并不成熟，可以說理論研究遠遠落后與實際應用。

目前，對微型鋼管樁超前支護的作用機理的認識主要表現為以下幾點：

1.1 提高了土體的強度和面層強度

施工工程中在微型鋼管樁和樁孔中注入水泥漿液，微型樁附近的土體強度提高，從而增強了開挖過程中土體的自立性，減小了土體的變形。土體的增強使混凝土面層與土體的黏結強度增加，鋼管的插入使支護結構的剛度增加，這都會非常有利約束土體的變形。

1.2 鋼管樁自身可以承擔受力

在開挖過程中，可以承擔部分側面土體壓力，并且其剛度比較大，所以變形比較小，從而減小基坑的變形量。

1.3 阻止坑底的隆起、管涌和滲流問題的出現

微型鋼管樁以一定長度插入基坑底部一定深度，非常有利的限制坑底的隆起、管涌和滲流問題的出現。

1.4 調動并協調土釘的支護作用

2 能量方法的運用

在自然情況下，土體都積蓄有一定的應變能，在一定條件下，這些應變能可以釋放出來做功。在進行微型鋼管樁超前支護復合土釘墻開挖時，發生的土體位移，微型樁、土釘以及面層等構件的受力變形，都是土體應變能量的釋放做功的結果。如果土體初始地應力很大，那么它積蓄的應變能量就很大，開挖以后土體的變形或是破壞現象就越強烈；否則，就不強烈。基坑開挖過程中土體釋放的能量主要與土體原始狀態所處的深度H，土體的重度γ，和土體的自身性質有關。H 越深、γ越大積蓄的能量就越大。

基坑開挖過程中，土體的應變能量主要以三種方式釋放：土體的變形、支擋結構的受力變形和消耗散失。可以以公式（1）表示：

Q=Q1+Q2+Q3 （1）

Q-開挖土體釋放的應變能量

Q1-土體變形需要的能量

Q2-支擋結構受力變形需要的能量

Q3-開挖過程消耗掉的能量

討論：

1）如果在開挖時，開挖土體釋放的應變能量、土體變形釋放掉的能量、開挖過程消耗掉的能量三者比例一定，也就是Q1：Q2：Q3=常數，那么開挖釋放的能量大小直接決定著土體的變形和支護結構的變形。隨著開挖深度的不斷增加，在開挖相同量土體，開挖釋放的應變能量，會不斷增加，那么引起基坑臨空面的土體變形和支護結構的受力不斷增大。這與人們在現場監測到的微型樁下部受力要大于上部，下部位移要大于上部位移，開挖下部土體引起的位移變形和變形增量要比開挖上部土體的變化明顯等結論是相一致的。

2）開挖下部土體比開挖上部土體引起土體的變形和位移要大，從而調動下部的土體范圍也比上部大，使面層后面的土體隨深度增加不斷向內部延伸。這會造成基坑面層后面下部土體比上部疏松，引起上部土體下降，最終引起上部地面的下沉并不斷向后方移動。與實際監測的地面現的現象是一直的。

3）開挖面土體的變形是不相同的，微型樁附近受其約束比較大，土體變形比較小，甚至不會發生應變，即Q1 很小或為0。在同一水平位置的開挖面遠離微型樁的土體約束比較小，到一定距離甚至不受約約束，此時Q2=0，也就是說 微型樁在開挖時影響范圍是有一定范圍的。當開挖時，由于在微型樁影響范圍可以吸收一定量的應變能，使能量轉化為土體的變形位移的能量減少，最終減小基坑的餓變形，增強開挖過程中的土體自立性。

4）微型樁將自己吸收的能量一部分轉化為自己的應變能，同時可將能量傳遞給面層和土釘，很好的調動各構件發揮作用。

3 結束語

從能量分析來看，微型樁起到了連接土體、面層、土釘等各構件紐帶作用，很好的調動各構件功能，增強了整體性。我認為將能量法應用在微型鋼管樁超前支護復合土釘墻的研究中是非常必要的。

參考文獻

[1]陳懿，張宏朝.能量方法在巖土體支護結構穩定性分析中的應用[J].西部探礦工程，2006（9）：15～16

[2]孫鐵成，張明聚.深基坑復合土釘支護模型試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2004.

[3]魏成國，郭增玉.填土邊坡土釘支護的模型試驗研究[J].山西建筑，2005.

[4]肖毅，鄒勇.釘錨結合支護的模型試驗研究[J].武漢水利電力大學學報，1999.

[5]汪班橋，門玉明.土釘墻模型試驗研究[J].西安工程學院學報，2002.

[6]李冉，趙燕明.復合土釘支護的有限元分析[J].后勤工程學院學報，2005.

[7]吳琦琪.復合土釘支護結構有限元數值分析[D].杭州：浙江大學.

[8]陳禮建.微型樁配合土釘支護的實踐與思考[J].福建建筑，2000.

[9]鄭堅，徐剛毅.土釘與樁錨聯合支護在基坑工程中的應用[J].鐵道建筑，2002（8）.

[10]李夕兵，劉廣.預應力錨索和微型樁聯合處理深基坑失穩事故[J].工業安全與環境，2005（6）.

作者介紹：夏華宗：男，漢，碩士研究生，工程師，主要從事巖土工程方面工作，河北省地礦局國土資源勘查中心。