《深基坑与边坡工程》2016年试题及答案
1. 简论北京地区土钉墙的变形破坏特征。（20分）
答：土钉墙支护技术是一种原位土加筋技术，是通过钻孔、插筋、注浆来设置的，加设钢筋网片并喷射混凝土，使钢筋与土体共同作用，也可以直接打入粗钢筋或角钢形成土钉。土钉墙可以增强土体的抗拉强度和抗剪强度，提高土体的稳定性，确保土体开挖时边坡稳定安全。
由于土钉自身的强度和刚度，以及其土钉在土体内高密度的空间分布形成复合土体的骨架，使复合土体形成一个整体，骨架有约束土体变形的作用。在复合土体内，土钉与土体共同承担外荷载和自重应力，土钉起分担作用。由于土钉有很高抗拉、抗剪强度和土体无法相比的抗弯刚度，所以在土体在进入塑性状态后，应力逐渐向土钉转移。当土体开裂时，土钉分担作用更突出，这时土钉内出现了弯剪、拉剪等复合应力，从而导致土钉体中浆结体碎裂、钢筋屈服。复合土体之所以在超载作用下表现出塑性变形延迟、渐进式开裂的特征，与土钉的分担作用是分不开的。研究表明，土钉分担荷载的比例与土钉与土体相对刚度比、土钉所处的空间位置及复合土体的应力水平因素有关。土钉体可以把滑裂域内部分应力传递到后边稳定土体中，并分散到较大范围的土体内，降低复合土体中的应力集中程度。从而推迟了滑裂域的形成与发展。土钉支护技术坡面上设置的与土钉相连在一起的钢筋混凝土面板是发挥土钉有效作用的重要组成部分。喷射混凝土面板起到约束变形作用，面板约束力取决于土钉体表面与土的摩阻力以及与土钉的连接程度，当复合土体开裂区域扩大并连成片时，摩阻力由开裂区域后的稳定复合土体提供。
工程实录分析及研究表明，北京地区土钉墙的破坏形式可分为以下三类：
（1）搅拌桩弯折断裂，周围土体倾覆。基坑开挖后，土钉墙的挡水结构——搅拌桩直接经受来自非开挖侧土体的侧向水土压力的作用，因而地层开挖后如不及时施工土钉，搅拌桩将发生弯曲变形，并将有可能因材料抗拉强度不足而弯折断裂，从而导致周围土体倾覆倒塌。
（2）渗流破坏，坑底隆起等。渗流破坏主要表现为管涌、流土和突涌。坑底隆起主要变现为坑底发生过大的隆起，墙后地面下沉，影响环境安全。
（3）搅拌桩断裂，周围土体整体滑移。基坑开挖后，复合土钉墙在受力变形过程中，有可能因抗剪承载力不足而沿边坡滑动面发生整体滑移破坏。边坡抗滑承载力由搅拌桩——土钉材料和土体抗剪强度共同提供，发生整体滑移破坏时搅拌桩被剪断，土钉被拔出或弯曲。
2. 试比较深基坑支护结构设计中的等值梁方法、弹性地基梁方法和有限元方法。
（20分）
答:
有限元法在模拟基坑开挖时由于存在不可避免的弱点，即土体本构模型和土体参数难以确定，以及土体按连续介质模拟时采用的边界条件与实际工程之间可能存在差异等，使其应用受到限制。虽然近年来发展了反分析方法以确定土体参数，使其更加符合实际，但从总体而言，目前在开挖支挡结构设计中应用较多的仍然是等值梁法和弹性地基梁法。
等值梁法基于极限平衡状态理论，假定支挡结构前、后受极限状态的主、被动土压力作用，只能求墙体内力而不能反映墙体变形，对基坑底部被动土压力的取值很敏感，被动土压力的取值偏差可能引起墙体受力和插入深度较大幅度的变化，无法预估开挖对周围建筑物的影响，故一般只能用于校核支护结构的内力。
等值梁计算首先要确定正负弯矩的转折点位置。因此，在工程设计计算时，需要以下几种假定：
(1)假定反弯点位于土压力强度为零的那一点；
(2)假定为墙体与基底相交的那一点；
(3)假定反弯点位于基底以下y 处，其中y 的确定与土体的标准贯入度N 有关。
等值梁法是当前我国工程界中应用最广泛的一种用以计算维护结构内力的方法，但由于它未能考虑结构的变形，没有考虑支护结构的变形情况，而且对于多层锚杆的桩锚支护结构其内力计算结果与实际情况相差很大。
弹性地基梁法则能够考虑支挡结构的平衡条件和结构与土的变形协调，分析中所需参数单一且土的水平抗力系数取值已积累了一定的经验，并可有效地计入基坑开挖过程中的多种因素的影响，如挡墙两侧土压力的变化，支撑数量随开挖深度的增加，支撑预加轴力和支撑架设前的挡墙位移对挡墙内力、变形的影响等，同时从支挡结构的水平位移也可以初步估计开挖对邻近建筑的影响程度，因而在实际工程中已经成为一种重要的基坑支挡工程设计方法和手段，展现了广阔的应用前景。
3. 某土层锚杆的拉力设计值为500kN，张拉锁定值为350kN。根据理论和经验，达到拉力
设计值时的拉伸量应为15cm，但工程中达到拉力设计值时的拉伸量实际为40cm。请分析产生此现象的原因，提出预防措施。（20分）
答：当锚固段锚杆受力后，首先通过锚杆(索)与周边水泥砂浆间的握裹力传到砂浆中，然后通过砂浆传到周围土体。随着荷载增加，锚索与水泥砂浆之间的粘结力（握裹力）逐渐从锚固体的上部向锚固体的下部和外部发展，当应力传到锚固体的外侧时，就会在锚固体与土体间产生摩擦力，随着摩擦力的增大，锚固体与土体间可能发生相对位移，摩擦力又进一步增大，直到极限摩阻力。
锚杆承载力的确定是锚杆支护设计的重要内容。普通灌浆锚杆（注浆压力0.3~0.5MPa）的承载能力（抗拔力）可以用下式确定：
Nt= LmπDτ
式中：Nt—锚杆承载能力（轴力）；
Lm—锚固段长度； D —锚杆孔径（或锚固体直径）；
τ—土的抗剪强度。
显然，锚杆的抗拔力与锚固体的直径和长度密切相关。但除了锚固体的这两个几何参数外，还有土层性质，注浆压力以及锚杆的形式三个因素。
（1）
（2）土层性质的影响
土层的强度一般低于砂浆强度，如果施工灌浆的工艺良好，土层锚杆的抗拔力将主要决定于锚固体外围的土层抗剪强度。土体的抗剪强度变化很大，所以相同参数和施工质量的锚杆，抗拔力可以有很大的不同。倾角与长度是锚杆能否伸入优良土层的决定因素，设计时应给予重视。
（3）
（4）注浆压力的影响
灌浆压力对锚杆的抗拔力有很大影响。注浆压力越大，水泥浆颗粒越能够渗入到周围深部的土层中去，改善了原状土体的力学性能，增加锚固体与土层的摩擦力，也就增加了锚杆的抗拔力。曾有人做过试验，同一粉砂层中的相同长度的锚杆，当施工用的灌浆压力为 1Mpa 时其极限抗拔力为 300kN，当灌浆压力增加到
2.5Mpa 时，其极限抗拔力达 900kN。试验证明：虽然锚杆的承载力随灌浆压力的
增大而增大，但并不是无止尽的增加。英国 ATC 公司的试验结论是：当注浆压力超过 4Mpa 后，抗拔力增长就很小了。
（3）锚杆形式的影响
无论是带单个扩大头的锚固体锚杆，还是有多截头圆锥形的异形锚固体锚杆，它们的抗拔力都比普通锚杆大得多。据以上原因，我们设计施工时应该多注意这几个方面，计算时更加小心，如果按实际计算结果进行设计还不能满足要求，我们可以改变锚杆的形式，另外进行试验，直到满足设计要求。
4. 推导岩质边坡双面滑动的稳定性系数。（20分）