基于法国标准的土钉墙设计计算

田泽野，徐开华，汤雅萌

(中国公路工程咨询集团有限公司，北京 100089)

1 引 言

1972年，法国承包商Bouygues首先在凡尔赛附近的一处铁路路堑边坡工程中首次成功应用土钉技术。1986年，法国交通部启动了一项为期四年、耗资400万美元的名为"CLOUTERRE"研究项目，目的是为土钉支护的应用提供技术指导，该项目通过大量的现场试验研究了土钉在施工和服役阶段的行为，提出了土钉的破坏模式和设计准则，摒弃了传统的总安全系数法，提出分项系数法，详细分析了钉、土、钉土界面在不同工况下的状态和联系，全部成果已出版为《Additif aux recommandations CLOUTERRE 1991》[1-2]等用于指导土钉支护结构建设。经过法国标准化委员会调整，原法国设计规范NF P94-210，NF P94-220等已被最新版土钉和加筋支挡结构设计规范NF P94-270(2009)[3]取代。针对采用法国建筑标准的国家和地区，系统阐述了法国标准下土钉支护设计的原理和方法，以为该类结构物的设计施工提供依据。

2 基本构造

土钉墙主要由土钉、面层和排水系统三个部分组成。下面对土钉墙的基本构造进行详细阐述。

2.1 土钉

土钉支护就是将杆件以一定的间距置入边坡土体中，对土体起骨架的作用，是该型支挡结构最主要的受力构件(如图1)。土钉的选型主要取决于土层条件：对于易塌孔的松散土、中密的粉土、填土或软土等，可采用打入钢管、角钢、粗钢筋；对于打入困难的土层，通常采用机械成孔、插筋、注浆锚杆来设置的。常用的土钉材料是螺纹钢，沿钢筋通长每隔约2 m布设对中支架。浆体材料可采用水泥浆或水泥砂浆，浆体强度一般不低于20 MPa。浆体起到连接土钉和土体的作用，握裹力通过抗拔试验确定。当土钉应用于腐蚀性土质、雨水较多的地区，甚至要深入到地下水位以下时，应对土钉进行防腐处理。可根据情况选用聚乙烯、聚丙烯塑料波纹套管或环氧涂层钢筋。

图1 土钉墙基本构造

2.2 面板

喷射混凝土面板虽不属于主要的挡土构件，主要作用是稳定开挖面上的局部土体、防止其崩落和受到侵蚀，但其将土钉连成整体，也在一定程度上提高了边坡的稳定性。土钉和面板的连接处要设置承压钢垫板或加强钢筋来抵抗面板的局部冲切，连接处采用螺丝端杆锚具或焊接方式。墙面板每隔一定间距要设置一条伸缩缝。为提高面板的强度，在面板内可布置1～2层的钢筋网，钢筋网的搭接方式采用焊接。混凝土面板一般分2～3次喷射，混凝土强度等级不宜低于C20，墙面可根据需要选择材料进行美化。

2.3 排水

边坡土体在地下水或地表水的渗流作用下会产生静水压力，土体抗剪强度降低，导致钉、土之间的粘结力下降、墙面板受力增大，所以要在相应的区域布置完善的排水系统。边坡土钉墙排水系统可分成截水和排水两大类：截水沟主要设置在坡顶拦截地表水，减少地表水流入坡体；排水主要指在混凝土面板上设置排水孔，通过排水管排出坡体内的地下水。排水孔的布置可以上下左右齐平，也可以交叉布置。排水管的长度视地下水发育情况，通常选择PVC管并设置反滤层，以免排水管的入水孔被堵塞。

3 设计原则和计算内容

法国标准的设计原则与我国标准相似，都遵循极限状态的理念。法国标准中推行结构工程极限状态(STR)和岩土工程极限状态(GEO)，根据设计工况分成承载能力极限状态(ELU)和正常使用极限状态(ELS)，前者保证安全性，后者保证舒适性和耐久性。承载能力极限状态通过“方法2”和“方法3”进行验算，这两种方法决定了不同的分项系数。“方法2”可以判定内部稳定性(STR)的分项系数的组合，“方法3”给出了整体(GEO)和组合(GEO和STR)的分项系数组合。根据规范NF EN 1990第3.2条，土钉墙计算要区分持久状况、短暂状况、偶然状况和地震状况，计算工况的选择要符合NF EN 1997-1[4]中第2.2条的规定。

根据规范NF P94-270的规定，土钉墙设计内容主要包括土钉布置的方式和间距，土钉的直径、长度、倾角，喷射混凝土面板的设计，以及土钉墙内部及总体稳定性分析。由于土钉墙多用于地基承载力比较好的挖方地段，一般无需验算外部稳定性，即抗滑、抗倾覆及地基承载力。

验算内容概括如下：

(1)总体稳定性：滑裂面穿过加强体外部；

(2)组合稳定性：滑裂面穿过加强体内部；

(3)内部稳定性：土钉抗拉、土钉抗拔、砌面结构验算。

对于总体、组合稳定性分析和土钉抗拉、抗拔验算，可采用Geostab或Talren软件。对于砌面结构验算，可采用法国软件Geospar计算。

3.1 总体稳定性

总体稳定性，即把锚杆锚固区域总体近似看成“重力式挡墙”，采用毕肖普或费伦纽斯等方法验算滑裂面不穿越墙身时的总体稳定性，即墙体外最不利滑裂面的安全系数，如图2所示。稳定性验算不仅针对完工后的使用阶段，还需进行施工阶段验算，考虑施工过程中每一层级开挖后未安置土钉时的稳定性。总体稳定性验算属于GEO类型的极限状态，根据设计方法3计算，需满足以下判定标准：

图2 总体稳定性滑裂面

Tdst;d≤Rst;d—γR;d

(1)

式中：Tdst;d为滑动面上滑动力设计值(力或力矩)，kN或kN·m；Rst;d为滑动面上抗滑力设计值(力或力矩)，kN或kN·m；γR;d为土体抗剪强度分项系数。

3.2 组合稳定性

组合稳定性，是指滑裂面穿过至少一个土钉层，即需要考虑土钉和墙面板的抵抗作用。和总体稳定性一样，使用阶段和施工阶段的稳定性都需要考虑。组合稳定性以挡墙坡脚处为中心，考虑3倍的墙高范围内(±3 h)的稳定性，如图3。组合稳定性属于GEO和STR类型的极限状态，采用设计方法3设计，判定标准和总体稳定性相同。

图3 组合稳定性滑裂面及搜索范围

3.3 内部稳定性

土钉结构的内部稳定性主要考虑土钉自身断裂发生的钢筋破坏、钉—土间粘结力不够破坏导致的抗拔破坏、钉—墙连接处的墙面破坏，按STR极限状态进行设计。

(1)土钉抗拉强度验算

判定标准

Tmax;d≤Rtc;d

(2)

Tmax;d(h)=σh;d(h)SvSh/cosθ

(3)

式中：Tmax;d为土钉所受最大拉力，kN；Rtc;d为土钉抗力，kN；σh;d(h)为深度h处的水平向土压力，kPa；Sh为土钉间的水平距离，m；Sv为土钉间的竖直距离，m；θ为土钉与水平方向的夹角。

土钉抗力Rtc;d计算公式：

Rtc;d=ρdeg;yS0fy/γM0

(4)

式中：S0为钢筋初始横截面积，m2；γM0为对应于弹性极限的材料分项系数；fy为钢筋的弹性极限(屈服强度)，kPa。

ρdeg;y为折减系数:

ρdeg;y=1-△Sγy—S0

(5)

式中：γy为分项系数；△S为考虑弱腐蚀情况的截面平均损失且△S=PL，m2；L为锚杆或型钢的周长，m；P为随时间变化的钢筋表面厚度平均减小量且P=Atn，μm；t为时间，年；n为和时间相关的，小于1的参数；A为第一年的平均减小量，μm。

考虑到原位土体的腐蚀作用，A的取值如表1。

表1 取决于土体腐蚀强度的A值

(2)土钉抗拔强度验算

总体原则

Tmax;d≤Rf;d

(6)

Rf;d为土钉抗拔力，kN。其计算公式为

Rf;d=τ·Ps·Ls—γM;f

(7)

式中：τ为孔壁对砂浆的极限剪应力，kPa；Ps为钻孔周长，m；Ls为土钉的有效锚固长度，m；γM;f为安全系数。

上述法国土钉抗拔力计算公式和中国规范是一样的。在实际工程中，由于现场岩土体环境的复杂性，抗拔力通常由多组原位抗拔试验来确定。

(3)砌面结构验算

土钉墙的面板是多点支撑的连续板，支撑点间距比较小，采用多点支撑连续板的结构力学分析法计算板的内力。验算内容包括抗弯验算、抗冲切验算，具体参考混凝土结构设计规范BAEL91[5]。

作用在墙面板上的压力计算公式为

σpar;d=α·σh;d

(8)

式中：σpar;d为作用在墙面上的应力计算值，kPa；σh;d为水平方向的应力计算值，这里包含土体和其他作用效应，kPa；α应满足α=0.4+0.2max(sv;sh)，且0.6≤α≤1.0。

3.4 坡顶变形计算

土钉墙坡面变形是由于开挖卸荷、岩土体侧向滑移导致坡面向开挖侧倾斜。土钉与钢筋混凝土面板连在一起，对边坡变形起约束作用。规范NF P94-270评估边坡顶部的位移建议采用数值模拟或经验法。数值模拟可以采用Plaxis有限元分析；规范中给出了经验算法，计算公式如下

λ=h·(1-tanη1)·κ

(9)

式中：λ为坡顶变形后的总长度，m；h为土钉墙高度，m；η1为倾斜度；κ为取决于土性的经验系数，κ值估算可按表2取值。土钉墙砌面顶部外侧位移的垂直分量dv和水平分量dh，有dv≈dh。

表2 不同土质墙顶位移经验值

4 结 论

针对法国规范的土钉支护设计方法进行了研究，得出如下结论。

(1)规范中考虑了土钉服役的耐久性问题，即环境对土钉的腐蚀作用，具体表现为土钉截面随时间和环境的变化。

(2)规范明确混凝土面板不能只满足构造要求，要验算墙面的局部冲切和抗弯验算。

(3)法国规范计算要求比较详细，对我国相关规范的完善具有借鉴意义。