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微型钢管桩超前支护复合土钉墙的模型试验与力学特性深度剖析

一、引言

1.1研究背景与意义

随着城市化进程的不断加速，各类基础设施建设和高层建筑的蓬勃发展使得深基坑工程日益增多。深基坑作为建筑物地下部分施工的重要环节，其支护技术的合理性与可靠性直接关系到整个工程的安全、质量、进度以及周边环境的稳定。深基坑支护的主要作用在于有效支撑土体，防止土体坍塌，确保坑底的稳定性，同时部分支护结构还具备挡水功能，为地下工程施工创造安全、稳定的作业环境。此外，合理的基坑支护能够控制土体表形，保障施工周边环境的安全，避免因基坑开挖对周围建筑物、地下管线等造成不利影响。倘若基坑支护设计不合理或施工质量不达标，一旦发生坍塌、滑坡等事故，不仅会延误工期、增加工程成本，还可能导致人员伤亡和财产的重大损失，对社会造成不良影响。

土钉墙支护技术凭借其施工简便、材料用量少、施工速度快、结构轻巧灵活以及造价低廉等显著优点，在国内建筑界得到了广泛的应用和迅速的发展。然而，土钉墙支护自身存在一定的应用条件局限性，仅适用于有一定胶结能力和密实程度的砂土、粉土和砾石土、素填土、坚硬或硬塑的粘性土以及风化岩层等。在面对松散砂土、软土、流塑粘性土等复杂地层时，土钉墙支护难以满足工程的安全和稳定要求，限制了其在更广泛工程领域的应用。

为了既充分保留土钉墙支护的优点，又能有效扩大其应用范围，复合土钉墙支护的概念应运而生。微型钢管桩超前支护复合土钉墙作为复合土钉墙支护的一种重要复合形式，由土钉、微型桩、混凝土面层及原位土体四个部分有机构成。在基坑开挖前，沿基坑开挖线外侧以一定间距垂直施工一排微型钢管桩，这些微型钢管桩与分步设置的土钉和喷射混凝土面层协同工作，形成一个具有较强抗剪、抗弯、抗拉、抗压能力的支护结构复合体。微型钢管桩超前支护复合土钉墙克服了土钉墙在复杂地层中的应用局限，拓宽了土钉支护的适用范围，具有支护能力强、可作超前支护，并兼备支护、截水等多种效果。在实际工程中，如北京奥运媒体村、深圳的长城盛世家园二期、赛格群星广场基坑等项目中，复合土钉墙支护技术都得到了成功应用，取得了良好的工程效果。

尽管微型钢管桩超前支护复合土钉墙在实际工程中得到了一定应用，但目前对其作用机理、力学特性以及设计计算方法的研究仍不够完善，尚未形成一套成熟的理论体系和计算模型。现有的设计计算中对钢管桩在该支护结构中的贡献认识存在诸多不足，如将钢管桩当作坡前桩，视为刚度无限大、完全固定，或仅当作注浆花管考虑其抗拉作用；把钢管桩当作抗剪构件，仅考虑其抗剪力对稳定性的贡献；甚至在更多设计中干脆不考虑其贡献，仅当作安全储备，导致过度设计或设计不合理的情况时有发生。因此，深入开展微型钢管桩超前支护复合土钉墙的模型试验研究与力学分析，对于揭示其工作机理、明确各构件的受力特性和相互作用关系、完善设计计算理论具有重要的理论意义。同时，也能为实际工程的设计和施工提供科学依据，提高工程的安全性和经济性，具有广泛的工程应用价值，对推动岩土工程领域的技术发展具有重要的现实意义。

1.2国内外研究现状

微型钢管桩超前支护复合土钉墙作为一种新兴的基坑支护技术，近年来受到了国内外学者的广泛关注。国内外的研究主要围绕模型试验方法和力学分析理论展开，在这些方面取得了一定的成果，但仍存在一些空白与不足。

在模型试验方法方面，许多学者通过室内缩尺模型试验和现场足尺试验来研究微型钢管桩超前支护复合土钉墙的工作性能。室内缩尺模型试验可以在可控的条件下模拟基坑开挖过程，研究支护结构的受力和变形特性。如[文献1]在基于已完工的南昌天御国际酒店的深基坑基础工程上，设计了一套室内缩尺模型进行测试研究，分别对钢管桩、土钉、土压力等构件设置了一系列的监测点，利用静态多功能测试系统采集数据进行处理分析，通过还原工程实际的开挖过程，采集支护体系中相关构件的变化数据，进行研究分析，为该支护结构的力学性能研究提供了基础数据。现场足尺试验则更能反映实际工程中的情况，但由于受到场地条件、施工进度等因素的限制，开展难度较大。[文献2]对北京市望京国际商业中心一期基坑工程东侧的钢管桩进行了现场监测，介绍了微型铜管桩超前支护复合土钉墙现场监测的设备、方法，通过对铜管桩的受力分析，得出了相关结论，为实际工程中的监测提供了参考。

在力学分析理论方面，国内外学者主要采用理论分析、数值模拟等方法来研究微型钢管桩超前支护复合土钉墙的作用机理和力学特性。理论分析方法主要基于经典的土力学理论，如极限平衡法、弹性地基梁法等，来计算支护结构的内力和变形。然而，这些方法往往忽略了支护结构与土体之间的相互作用，计算结果与实际情况存在一定的偏差。数值模拟方法则可以考虑支护结构与土体之间的非线性相互作用，更准确地模拟基坑开挖过程中支护结构的受力和变形。常用的数值模拟