土钉支护的边坡稳定性(Stability of Slope Reinforced with Soil Nails)

1 引言

土钉支护(Soil Nail Support)是基坑边坡工程中经常使用的一种支护型式，所有流行的基于极限平衡方法的软件都有土钉分析功能，例如SLIDE, Slope/W, Plaxis LE(这三个软件分别出自加拿大的三家岩土软件公司)，一些专用的土钉设计软件除了使用通用的极限平衡原理计算外，也嵌入了某些规范中的设计和分析方法，例如SnailPlus包含了AASHTO和EC7规定的载荷联合，FHWA设计标准，LRFD WSDOT(2019)设计规程; Geo5 Nailed Slope包含了EN 1997-1和 LRFD标准等。这个笔记讨论了HYRCAN和SLIDE土钉分析的过程和注意事项。

2 问题陈述

这个基坑边坡由均质的土层组成，如下图所示。土的粘结力35kPa, 内摩擦角0°，重度18.9kM/m^3。基坑垂直开挖深度为6.1m，如果不进行支护，计算的安全系数大约在1左右，即边坡处于临界状态，因此需要支护。设计使用三层土钉，每根土钉的长度为4.9m，向下倾斜15°打入土层中，锚杆的平面间距和纵向间距均为1.5m，类似于上图所示的正方形布置。

3 HYRCAN计算

根据问题陈述建立模型的几何形状，输入土的参数，接下来要增加三层土钉。使用"属性(Properties)->定义支护(Define Support)"菜单打开支护属性对话框。目前程序有5种支护方式可以选择，在本例中，支护类型选择土钉(Soil Nail)，输入下图所示的参数。

(1) 平面外间距(out-of-plane spacing)。在二维极限平衡方法中，通常使用平面外间距考虑土钉布置的空间影响，这是一种近似的三维考虑。(2) 土钉的抗拉能力(Tensile Capacity)表示单个土钉最大承受抗拉的能力。这是土钉本身的能力(如钢的抗拉能力)，与板的能力或粘结能力无关,单位是力(kN)。(3) 板的能力(Plate Capacity)是连接土钉和边坡的板块组件所能承受的最大负荷，通常称作托盘，单位为力(kN)。(4) 土钉的拔出强度(Pullout Strength)实际上就是土钉的粘结强度(Bond Strength), 表示为每单位长度的力(kN/m)。这里的长度单位是指沿土钉的长度, 粘结强度决定了土钉所能产生的拔出和/或剥离力。

接下来添加土钉的布置方式。可以添加一个支护(Add Single Support)，也可以添加以一定模式排列的多个支护(Add Support Pattern)，在本例中，使用Support菜单中的Add Support Pattern选项一次性添加三根土钉，如下图所示。

然后输入边界上第一个点的坐标(0,1.5),输入第二个点的坐标(0,5),自动生成三根土钉。最后一步改进是边坡限制(Slope Limits)，目的是缩小搜索范围，如下图所示。

每种方法计算的最小安全系数为:

Bishop Simplified Method: fos=1.328

GLE/M-P Method: fos=1.331

Janbu Simplified Method: fos=1.241

Spencer Method: fos=1.332

4 SLIDE计算

由于HYRCAN模仿了SLIDE的用户界面，因此SLIDE的操作过程与上述过程基本相同。唯一需要注意的一个差别是滑动面的搜索方法。HYRCAN包含两种搜索方法：Slope Search和用户定义的滑动面(User Defined Surface)。SLIDE有三种搜索方法：Grid Search, Slope Search和Auto Refine Search。对于直立的基坑边坡，使用Grid Search方法计算的安全系数值太大，不能找到最小滑动面，Slope Search方法计算的安全系数值也大，通过比较最终选择了Auto Refine Search方法，得出的安全系数值和最小滑动面相对合理。

5 结束语

两个软件的计算结果比较如下表所示。可以看出，Bishop法和GLE法的结果差不多相同，另外两种方法的结果略有差异。综合考虑以前已经做过的例子，建议在目前情况下，优先使用Bishop法和GLE法进行分析。另外，对于真实的边坡分析和设计，应该尽量比较所有可得到的搜索方法，从而获得最优的安全系数和最优的滑动面(不一定是最小)，这是因为对于一些特殊的边坡形状和特殊的材料参数值，某些方法计算出来的结果有时会产生数学上的奇异，因而不能仅仅依据数值上的大小来作出工程判断。