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在基坑工程中，當(dāng)建筑物場地的平面形狀為圓形或接近圓形時(shí)，在平面上可以將基坑布置成圓形或接近圓形。由于圓形基坑的拱效應(yīng)，具有比一般矩形基坑更好的穩(wěn)定性，因此圓形基坑常采用圓筒式支護(hù)結(jié)構(gòu)，該支護(hù)結(jié)構(gòu)以受壓為主，可將土壓力對圓弧面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的主動(dòng)土壓力轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)內(nèi)的環(huán)向應(yīng)力，且大部分可以自身平衡，因此不需要設(shè)置支撐。這種分析方法適用于類似薄壁圓筒形的支護(hù)結(jié)構(gòu)，如排樁、板樁及地下連續(xù)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)。這類結(jié)構(gòu)受均布外力或非均布外力作用下，可計(jì)算出其由外壓力和地基反力產(chǎn)生的彎矩M，軸力N，剪力和變形。對于像土釘墻這種柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)的有限元分析則不適用這種分析方法。針對圓形基坑土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，對其強(qiáng)度分析進(jìn)行探討。
土體的抗剪強(qiáng)度較低，但土體是一種結(jié)構(gòu)體，具有一定的承載能力和自穩(wěn)能力。基坑開挖時(shí)，存在著使邊坡保持直立的臨界高度，當(dāng)土坡直立高度超過臨界高度或坡頂載荷較大及其他環(huán)境因素發(fā)生變化時(shí)，將引起土坡的失穩(wěn)，一般支護(hù)結(jié)構(gòu)如樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)屬于被動(dòng)制約機(jī)制，即支擋結(jié)構(gòu)依靠自身強(qiáng)度、剛度、支撐條件及嵌入深度，形成抗力被動(dòng)支擋要下滑破壞的邊坡土體。土釘支護(hù)則是在土體內(nèi)放置一定長度與分布密度的鋼筋與土共同工作，以彌補(bǔ)土體自身強(qiáng)度的不足，增強(qiáng)土坡坡體自身的穩(wěn)定性，屬于主動(dòng)制約機(jī)制。從圖可以看出，土釘?shù)目估芰墒剐≈鲬?yīng)力增大，摩爾應(yīng)力向右移，從而減少了土體承受的剪應(yīng)力。另外，土與土釘組成的復(fù)合體使土體強(qiáng)度提高，從而彈性域增大，破壞域上移。隨土體位移的增大土釘發(fā)揮的作用亦增大。試驗(yàn)表明，土與土釘?shù)膮f(xié)調(diào)作用，增強(qiáng)了復(fù)合體自身的整體強(qiáng)度與剛度，使其邊坡比天然土坡的承載力提高了一倍以上。
進(jìn)行土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)部穩(wěn)定性分析時(shí)，須進(jìn)行土釘強(qiáng)度驗(yàn)算和面板強(qiáng)度驗(yàn)算。進(jìn)行外部穩(wěn)定性分析時(shí)，將土釘墻視為重力式擋土墻進(jìn)行抗滑、抗傾及底部地基承載力驗(yàn)算等。從將土釘墻視為重力式擋土墻的角度出發(fā)探討圓形基坑土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析方法。從土釘支護(hù)主動(dòng)制約機(jī)制的工作機(jī)理可知，土釘與被支護(hù)土體形成強(qiáng)度與剛度增大的復(fù)合體，增大了擋土墻的抗剪強(qiáng)度，從而在均布外載荷作用時(shí)，具有比天然土體大得多的穩(wěn)定性。對圓形基坑土釘支護(hù)而言，類擋土墻的厚度為土中平均釘長，a為土釘與水平面的夾角，相對于樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的厚度而言，其厚度較大。因此，其內(nèi)部應(yīng)力就不能根據(jù)上述樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的薄壁圓筒模型進(jìn)行分析，而應(yīng)根據(jù)厚壁圓筒模型進(jìn)行分析。作用在該厚壁圓筒外壁的主動(dòng)土壓力為均布載荷，但該均布載荷隨深度和土層性質(zhì)變化。根據(jù)彈性力學(xué)，墻體外的應(yīng)力，計(jì)算時(shí)應(yīng)注意：1)土條重度應(yīng)分層計(jì)算，然后疊加。2)粘聚力按所計(jì)算深度處土層的工程參數(shù)計(jì)算。這里因?yàn)橥馏w內(nèi)相互平衡，對墻體穩(wěn)定不起決定性作用。故不進(jìn)行討論，只討論對強(qiáng)度的影響。從以上分析可知，在厚壁圓筒墻體外側(cè)達(dá)到最大值，減小到零，即對墻體穩(wěn)定性的不利影響因素隨著Y的減小而減小。對于矩形基坑土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)而言，在類擋土墻強(qiáng)度與剛度相同，承受相同的主動(dòng)土壓力情況下，其內(nèi)部與土壓力方向一致的應(yīng)力大小卻沒有變化，土體要承受更大的剪應(yīng)力作用，不利于擋土結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定。從以上分析可知，由于基坑布置形狀的不同，對土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)物強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的影響也不同。圓形基坑土釘支護(hù)形式明顯優(yōu)于矩形基坑布置形式，當(dāng)基坑半徑過大時(shí)，這種優(yōu)勢則不明顯。
1)無論被動(dòng)制約機(jī)制的樁錨等支護(hù)結(jié)構(gòu)形式，還是主動(dòng)制約機(jī)制的土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)形式，圓形基坑的布置形式都優(yōu)于矩形基坑的布置形式。2)類擋土墻土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析，應(yīng)按照厚壁圓筒理論進(jìn)行分析，不同于樁錨式的薄壁圓筒分析模型。3)若圓形基坑直徑很大，則基坑布置形式的優(yōu)勢不明顯。圓筒形樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的矢跨比小于1/8時(shí)，就需要設(shè)置支撐，土釘墻復(fù)合墻體內(nèi)兩種空間形式的應(yīng)力分布也趨于相同。
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