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【摘 要】通过在土体中的土钉与预应力锚索所产生的各种作用机理，使被支护土体的力学参数，变形模量增大，黏聚力增加，内摩擦角变化很小，可忽略不计。该结论为今后基坑支护设计与施工提供了科学依据。
【关键词】土钉；预应力锚索；复合土钉支护；作用机理
预应力锚索复合土钉支护是土钉与预应力锚索联合支护，它可以有效地控制基坑变形，大大提高基坑边坡的稳定性。这种复合支护方法是复合土钉支护中常用而有效的一种方法。但是由于该支护方法的支挡作用涉及到土体、土钉筋体、孔内注浆体、网喷混凝土面层和预应力锚索的作用，而且由于不同土体材料的性质的巨大差异，使得该支护技术的工作性能及其复杂。
1. 土钉的作用机理
土钉的作用是基于一种主动加固的机制，土钉与土体的相互作用能改变基坑的变形和破坏形态，其作用机理大致可概括为土钉分担作用、骨架箍束作用、应力扩散和传递作用等三种。
1.1 分担作用。
（1）土钉的分担作用可以减小土体上的应力，改善土中应力分布，阻止滑裂面的形成。众所周知，土体实际上是不均匀的各向异性体，土体中各点的应力状态不同、力学特性不同，变形也不相同。因此，基坑边坡在整体滑动发生之前，往往是先从潜在滑动面上某一最薄弱点的应力达到或超过该点的极限强度而产生破坏。反映到力学特征上，就是该点的抗剪强度从峰值降到残余强度。由于该点再也不能承担原来那么大应力了，只能转移到相邻土体，使相邻点产生应力集中而破坏，进而逐渐蔓延到更多部位的破坏，最后形成一个完整滑裂面。这在地质力学上也称为“突破点”理论或“突破点”现象。
（2）作为全长注浆的土钉，潜在滑动土体内的那段土钉长度也注了浆。因此，土钉体的刚度远远大于土体的刚度，当土体内某一最薄弱点受力产生塑性变形时，土体内力自然向着刚度较大的土钉体转移并由土钉来分担土体内的一部分应力，而减少土体上的应力，从而形成一个整体滑移面。
（3）从以上分析可看出，土钉对土体的加固实质是通过土钉的分担作用，减少土体上的应力，改善土体内力分析，阻止滑动面的形成，而不是像注浆加固那样，提高土体的强度参数值。
（4）土钉的这种分担作用在土体由弹性变形阶段过渡到塑性变形阶段时越趋明显，因此土钉对土体的弹塑性变形阶段的变形制约具有重要意义。
1.2 骨架箍束作用。群钉以三维空间结构形成分布在土体内部，形成具有一定刚度的空间骨架，这种骨架在土体各部位承受着拉、弯和剪切作用，从而减小土体上的应力，约束土体的剪胀和拉伸变形，减弱应力集中、抑制剪切滑裂带的形成。因此，群钉不仅延缓了土体塑性变形的发生，而且使土体呈现出明显的渐进性塑性变形阶段，延长了土体的塑性变形阶段，群钉的这种骨架箍束作用大大改善了土体的整体性状，等效地提高了土体的强度。
1.3 应力传递与扩散作用依靠土钉和土体的相互作用，土钉将所承受的荷载通过土钉全长向土体深层传递及周围扩散，从而降低复合土体的应力水平、改善变形性能。
2. 面层的作用机理
网喷混凝土面层是预应力锚索复合土钉支护的重要组成部分。坡面鼓胀变形是土体开挖卸荷、土体侧向变形以及塑性变形和开裂发展的结果。网喷混凝土面层虽然不是主要的受力构件，但是能限制坡面鼓胀，从而削弱了土体内部的塑性变形，加强了边界的约束作用，这对土体开裂变形阶段尤为重要。此外，它可以使分布在土体中的土钉共同作用，一旦局部一个或几个土钉达到了极限状态，可以通过面层转移到其余土钉上去。
3. 预应力锚索的作用机理
预应力锚索通过对土钉支护结构施加一定的主动作用力，把土压力荷载传递到深部的稳定地层中，调动深部稳定地层的潜能，土钉支护结构、锚索及深部稳定土层紧密联系在一起，共同承受荷载，使基坑稳定并大大减少位移。
4. 注浆的作用机理
注浆在预应力锚索复合土钉支护结构中起着重要的作用，首先增加了土钉及锚索与土体界面的粘结力，其次浆液渗透到土体的孔隙和裂隙中对土颗粒起胶结作用，改善了土体的松散性，提高了原状土的整体性能。
5. 被支护体力学参数的改变
在预应力锚索复合土钉支护中，将土钉和锚索及其作用下的土体称为被支护体。支护前土体的力学性能和支护后土体的力学性能有着较大的不同。在现有的设计理论中，所使用的参数都只考虑了土体支护前自身的一些参数而忽略了使用支护措施后这些参数的变化。
5.1 变形模量的变化。
5.1.1 弹性模量是影响土体强度的重要指标，安装土钉和锚索后，被支护体的弹性模量有较大提高。土钉和锚索的主要作用之一就是改善基坑土体的应力状态，从而提高其强度并减小其变形，土体变形量的减小等效于支护体变形模量的提高。
5.1.2 记被支护体的弹性模量和泊松比分别为 E 、μ ，无支护时土体的弹性模量和泊松比分别为Er 、μr，土钉和锚索的弹性模量和泊松比分别为Eb 、μb，土钉和锚索布置密度及横截面积分别为 n、s ，则可推导出以下结果：
【关键词】土钉；预应力锚索；复合土钉支护；作用机理
预应力锚索复合土钉支护是土钉与预应力锚索联合支护，它可以有效地控制基坑变形，大大提高基坑边坡的稳定性。这种复合支护方法是复合土钉支护中常用而有效的一种方法。但是由于该支护方法的支挡作用涉及到土体、土钉筋体、孔内注浆体、网喷混凝土面层和预应力锚索的作用，而且由于不同土体材料的性质的巨大差异，使得该支护技术的工作性能及其复杂。
1. 土钉的作用机理
土钉的作用是基于一种主动加固的机制，土钉与土体的相互作用能改变基坑的变形和破坏形态，其作用机理大致可概括为土钉分担作用、骨架箍束作用、应力扩散和传递作用等三种。
1.1 分担作用。
（1）土钉的分担作用可以减小土体上的应力，改善土中应力分布，阻止滑裂面的形成。众所周知，土体实际上是不均匀的各向异性体，土体中各点的应力状态不同、力学特性不同，变形也不相同。因此，基坑边坡在整体滑动发生之前，往往是先从潜在滑动面上某一最薄弱点的应力达到或超过该点的极限强度而产生破坏。反映到力学特征上，就是该点的抗剪强度从峰值降到残余强度。由于该点再也不能承担原来那么大应力了，只能转移到相邻土体，使相邻点产生应力集中而破坏，进而逐渐蔓延到更多部位的破坏，最后形成一个完整滑裂面。这在地质力学上也称为“突破点”理论或“突破点”现象。
（2）作为全长注浆的土钉，潜在滑动土体内的那段土钉长度也注了浆。因此，土钉体的刚度远远大于土体的刚度，当土体内某一最薄弱点受力产生塑性变形时，土体内力自然向着刚度较大的土钉体转移并由土钉来分担土体内的一部分应力，而减少土体上的应力，从而形成一个整体滑移面。
（3）从以上分析可看出，土钉对土体的加固实质是通过土钉的分担作用，减少土体上的应力，改善土体内力分析，阻止滑动面的形成，而不是像注浆加固那样，提高土体的强度参数值。
（4）土钉的这种分担作用在土体由弹性变形阶段过渡到塑性变形阶段时越趋明显，因此土钉对土体的弹塑性变形阶段的变形制约具有重要意义。
1.2 骨架箍束作用。群钉以三维空间结构形成分布在土体内部，形成具有一定刚度的空间骨架，这种骨架在土体各部位承受着拉、弯和剪切作用，从而减小土体上的应力，约束土体的剪胀和拉伸变形，减弱应力集中、抑制剪切滑裂带的形成。因此，群钉不仅延缓了土体塑性变形的发生，而且使土体呈现出明显的渐进性塑性变形阶段，延长了土体的塑性变形阶段，群钉的这种骨架箍束作用大大改善了土体的整体性状，等效地提高了土体的强度。
1.3 应力传递与扩散作用依靠土钉和土体的相互作用，土钉将所承受的荷载通过土钉全长向土体深层传递及周围扩散，从而降低复合土体的应力水平、改善变形性能。
2. 面层的作用机理
网喷混凝土面层是预应力锚索复合土钉支护的重要组成部分。坡面鼓胀变形是土体开挖卸荷、土体侧向变形以及塑性变形和开裂发展的结果。网喷混凝土面层虽然不是主要的受力构件，但是能限制坡面鼓胀，从而削弱了土体内部的塑性变形，加强了边界的约束作用，这对土体开裂变形阶段尤为重要。此外，它可以使分布在土体中的土钉共同作用，一旦局部一个或几个土钉达到了极限状态，可以通过面层转移到其余土钉上去。
3. 预应力锚索的作用机理
预应力锚索通过对土钉支护结构施加一定的主动作用力，把土压力荷载传递到深部的稳定地层中，调动深部稳定地层的潜能，土钉支护结构、锚索及深部稳定土层紧密联系在一起，共同承受荷载，使基坑稳定并大大减少位移。
4. 注浆的作用机理
注浆在预应力锚索复合土钉支护结构中起着重要的作用，首先增加了土钉及锚索与土体界面的粘结力，其次浆液渗透到土体的孔隙和裂隙中对土颗粒起胶结作用，改善了土体的松散性，提高了原状土的整体性能。
5. 被支护体力学参数的改变
在预应力锚索复合土钉支护中，将土钉和锚索及其作用下的土体称为被支护体。支护前土体的力学性能和支护后土体的力学性能有着较大的不同。在现有的设计理论中，所使用的参数都只考虑了土体支护前自身的一些参数而忽略了使用支护措施后这些参数的变化。
5.1 变形模量的变化。
5.1.1 弹性模量是影响土体强度的重要指标，安装土钉和锚索后，被支护体的弹性模量有较大提高。土钉和锚索的主要作用之一就是改善基坑土体的应力状态，从而提高其强度并减小其变形，土体变形量的减小等效于支护体变形模量的提高。
5.1.2 记被支护体的弹性模量和泊松比分别为 E 、μ ，无支护时土体的弹性模量和泊松比分别为Er 、μr，土钉和锚索的弹性模量和泊松比分别为Eb 、μb，土钉和锚索布置密度及横截面积分别为 n、s ，则可推导出以下结果：