疏排桩-土钉墙组合挡土体系的荷载传递路径与破坏模式

疏排桩-土钉墙作为一种新型组合挡土支护体系，构造上具有水平与竖向支护相结合的特点，支护原理上具有主动与被动支护相结合的特征。在土压力作用下，疏排桩籍由遮拦效应使土颗粒在相互楔紧区域内形成一种类似拱形且具有一定厚度和强度的土拱结构，并借此将土压力分配传递到排桩和土钉墙，形成排桩-土钉-土拱相互作用体系。土拱效应动态发展、土拱实体形态变化及对土压力分配传递过程的影响，排桩-土钉-土拱共同作用下的破坏模式是其中的两个关键科学问题。本项目拟围绕上述科学问题开展四个方面的研究：1.土拱效应及荷载分配传递路径；2.支护结构破坏模式；3.拱前土钉墙支护性能；4.拱脚排桩支护性能。本项目拟采用结构-土体理论分析、土工离心模型试验和现场测试的研究路线，达到阐述疏排桩-土钉墙组合挡土支护体系中基于土拱效应的荷载分配传递路径及其破坏模式的研究目标。研究成果具有理论和应用价值。

将疏排桩与土钉墙组合，形成的疏排桩-土钉墙组合支护结构已在工程中应用， 为了更清楚地认识疏排桩-土钉墙组合支护结构的荷载传递路径和破坏模式的机理，为疏排桩-土钉墙组合支护结构的工程设计提供理论依据，本项目结合理论分析与20组离心机模型试验详细探讨了疏排桩-土钉墙组合支护结构的荷载传递机理、土拱效应动态发展过程、支护结构破坏模式以及土钉墙与排桩的支护性能，基于以上研究提出了疏排桩-土钉墙组合支护结构的设计方法并编制了相应的计算程序。研究结果表明：疏排桩-土钉墙组合支护结构是介于疏排桩和土钉墙之间的一种支护体系，当基坑开挖深度较小时支护结构荷载主要由土钉墙承担，随着开挖深度的不断增加，本由土钉墙承担的桩间土压力借由桩间土拱效应不断传递给桩身，疏排桩的支护特性不断得到增强，形成以疏排桩支护特性为主导的疏排桩-土钉墙组合支护结构；疏排桩-土钉墙组合支护结构中的桩间土拱效应是动态变化的，基坑开挖深度较小时，排桩只承担桩身截面宽度范围内的土压力，随着开挖深度的不断增加，由于排桩与桩间土体的位移差不断增加，形成以排桩和桩间土钉为拱脚的土拱，并且土拱效应不断向周边发展，直至形成以相邻两根排桩为拱脚的大土拱，桩间土拱效应随着土钉刚度和土钉长度的减小以及土钉间距的增大而变得越来越明显；疏排桩-土钉墙组合支护结构的失稳破坏模式主要包括拱前土体的失稳破坏、土拱自身强度破坏和整体失稳破坏三种类型，当桩间土钉长度较短时，桩间土体滑裂面形态与疏排桩支护结构形似，但由于土钉墙的存在，土体稳定性提高，土体差异变形减小，与疏排桩支护结构相比，在桩间距相等的情况下，土拱直立深度变深，土拱矢高变小；随着土钉长度的增加，滑裂面形态逐渐由土钉墙支护主导，滑裂面为圆弧滑裂面，但由于疏排桩的存在，在接近基坑底部的范围，桩后土体将被遮拦留存；竖排桩-土钉墙组合支护结构，由于其结合了水平向土钉主动支护和竖向排桩被动支护的特性，可同时调动远处和深处的土体共同抗滑，并借助土拱效应，形成了疏排桩-土钉-土拱的多重抗失稳体系，稳定性明显高于单独的疏排桩支护结构和土钉墙支护结构。