1 绪论
1.1 课题的研究背景与意义
在经济高速发展的过程中，基础建设迅速发展，这些工程项目产生了大量的深基坑工程。深基坑支护是近十年来涉及的施工难题，是地下建筑工程施工中十分重要的工序。目前，深基坑支护的形式很多，根据支护结构的受力性能可分为悬臂式支护结构、拉锚式支护结构、内支撑式支护结构、重力式支护结构、土钉支护及复合土钉支护结构[1]。土钉支护由被加固土体、土钉筋体和喷射混凝土面层共同组成的一种挡土结构[2]。预应力锚杆柔性支护是一种新型支挡技术[3]，由预应力锚杆(索)、面层、锚下承载结构和排水系统组成，特别适用于：位移控制严格的基坑、深度大的基坑、钻孔费用高的基坑[4]。土钉支护和预应力锚杆结构联合作用形成复合型土钉支护，可用于基坑支护或提高边坡稳定性。由于在土钉、锚杆的作用机理研究方面的不足，工程中常常出现以下两种现象：一方面，设计人员以材料的浪费换取基坑施工安全系数的提高；另一方面，安全系数预留不足导致基坑失稳和变形过大。虽然土钉复合预应力锚杆支护技术现已广泛应用于工程实践中，但是土钉、预应力锚杆与土体三者之间工作机理的研究还不够深入。针对这一情况，本文以某深基坑工程为实例，应用有限元软件对纯土钉支护方案、纯预应力锚杆支护方案和预应力锚杆复合土钉支护方案进行分析研究，为基坑支护技术的设计与施工提供一定的参考。
1.2 深基坑介绍
1.2.1 深基坑支护的类型
以支护结构的力学特性来划分，深基坑工程大致可分为：主动受力支护结构，如钢筋混凝土桩、地下连续墙等；被动受力支护结构，具如加筋土技术；复合型支护结构，如本文研究的土钉复合预应力锚杆支护结构。
1.2.2 深基坑支护发展过程的概述
近一百年来，国内外许多专家对深基坑支护的理论进行研究。国外的 K.Terzaghi 等在 20 世纪 30 年代定性研究了刚性挡土墙不同条件下土压力分布规律，而后提出了总应力法[5]。20 世纪 50 年代，L.Bjerrum 和 O.Eide 提出针对基坑隆起的分析方法。相比国外，虽然我国起步较晚，但发展较快，并且理论落后于实践，与此同时伴随着快速发展，在多地区事故发生率较高[6,7,8]。我国至今为止颁布和实施了《岩土工程勘察规范》、《建筑基坑支护技术程》、《建筑边坡工程技术规范》等现行规范。
1.3 土钉的发展历史及研究现状
1.3.1 土钉的概念
土钉支护技术是指放置在原位土体中、规则布置的高强度的长条材料，如钢筋等，通过外裹水泥砂浆或水泥净浆以加固原位土体的一种技术[11,12]。现已在我国的基坑工程中得广泛的应用。国外在 20 世纪 60 年代初出现了新奥法(NAMT)和加筋土技术[14,15]。1972 年，法国承包商 Buoygues 第一次使用临时支护来保持边坡稳定。1990 年在挡土结构国际学术会议上，土钉支护已作为一个独立的专题，成为土体加固学科的一个独立分支[16,17,18,19]。20 世纪 80 年代的山西柳湾煤矿的边坡工程[20]是国内首例土钉墙应用实例。90 年代随着经济的发展，城市建设的加快，土钉墙技术在我国迅速发展。与国外的土钉支护施工单位相比，国内的单位虽然多，但是在系统研究、设计方法、施工技术方面都有不同程度的欠缺。国内的土钉技术起步晚，应用领域也窄，在施工技术方法和实际分析程序方面都比较欠缺。1997 年由清华大学土木工程系和 89002 部队主编起草了《基坑土钉支护技术规范》(96：97)。1998 年建设部颁布了修改后的“建筑业 10 项新技术”，其中包括了土钉支护技术[21]。
3 室内试验的研究 ......17
3.1 室内试验的目的......17
3.2 室内试验的设计......17
3.3 室内试验模型尺寸、参数的确定........18
3.4 土钉材料的力学参数....18
3.5 仪器介绍......19
3.6 试验步骤与过程......21
3.6.1 试验土样......21
3.6.2 试验步骤与过程......21
3.7 模型结果及分析......24
3.7.1 三种支护形式的土钉轴力图....24
3.7.2 基坑侧向位移随施工过程的变化分析......30
3.8 本章小结......33
4 数值模拟 ......35
4.1 MIDAS/GTS 软件介绍 ........35
4.2 工程算例......35
4.3 计算模型及参数......36
4.4 模拟方案......38
4.5 计算结果分析....39
4.6 本章小结......43
5 结论与展望 ........44
5.1 结论........44
5.2 展望........44
结论
通过试验得出了最优的土钉排布方式：土钉长度上层长下层短及土钉长度各排一样长，同时把该排布方式拓展到土钉复合预应力锚杆的支护方式中。并且运用有限元软件 MIDAS/GTS 进行数值模拟，对纯土钉、纯预应力锚杆、预应力锚索复合土钉支护结构全过程的内力及变形进行了较为全面和深入的研究。有限元分析可以模拟基坑开挖与支护的施工过程，可以计算出每一次开挖支护过程中岩土体和支护结构的受力与变形信息并与试验所得结论进行对比，得出了一些具有理论价值和实用意义的结论。
（1）不同的土钉布置方式对土钉墙的稳定性有一定的影响，土钉长度一致的土钉墙具有最好的稳定性，上长下短的次之，稳定性最差的是上短下长的土钉墙。
（2）土钉的轴力分布形状呈现中部大，上、下两端小。
（3）在预应力锚杆复合土钉支护方案的施工过程中，由于锚杆预应力的作用，相邻锚杆的土钉的内力明显偏低，临近锚杆的土钉的加固作用得不到充分发挥。
（4）实际工程中，可根据有限元分析结果，合理地调整靠近预应力锚杆的土钉长度，从而提高土钉利用的有效性。
参考文献
[1] 张明聚. 土钉支护工作性能的研究(博士学位论文)[D]. 北京清华大学 2000.
[2] 崔京浩, 陈肇元, 崔岩, 张明聚. 土钉支护技术[J]. 工程力学增刊, 2001, 18(1):191-209
[3] 贾金青, 宋二祥 . 一种基坑侧壁的柔性支护方法 [P]. 中华人民共和国专利(E02D017/04, 02130834. 9. ) 2003, 0326.
[4] 贾金青, 宋二祥, 郑卫锋. 预应力锚杆柔性支护法研究[P]. 工业建筑, 2004.
[5] Tertzahgi K.Theoretieal soil Mechanies, New York:John Wiley and Sons, 1943.
[6] 唐业清等. 深基坑支护工程若干问题的探讨. 深基坑工程论文集, 北京, 1997.7:1-22.
[7] 龚曙光. 基础应用及范例分析. 机械工业出版社, 2003.
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[9] 陈树铭, 包承刚, 土钉墙技术的离心机试验研究. 长江科学院院报, 1997, 14(2):41-43, 56
[10] 宋二祥. 土钉支护及其有限元分析. 工程勘测, 1996, 2: 1-5