水对路堑边坡土钉支护变形的影响分析

摘要：迄今为止关于水对路堑边坡土钉支护变形的影响研究甚少。本文深入分析了水对路堑边坡变形的影响，并依托土钉支护边坡工程，通过大量三轴试验得出如下结论：水－土作用和水－钉作用降低了边坡土体的摩阻力和内聚力，削弱了钉土界面的粘摩阻力，使边坡趋于不稳定；随着土体含水量的增加，粘土的强度大大降低，但粘聚力和内摩擦角与含水量并不呈线性关系。

关键词：土钉支护；路堑边坡；含水量；变形分析；数值模拟

中图分类号：U213.1+3 文献标识码：A

在山区高等级公路建设中，常遇到大量路堑边坡的开挖。由于坡高，开挖面大，工程地质和水文地质条件复杂，多数边坡位于残坡积层和强－中风化岩带中，软岩、软硬相间的层状岩体及煤系地层，古风化壳等不良地质体也十分常见。由于坡脚开挖、刷坡及雨水的渗入等原因，自然边坡的植被和应力平衡状态遭到破坏，从而常导致坍塌、岩崩、滑坡，特别是大量中、小型浅层滑坡的发生，以及一些古滑坡的复活。在众多的边坡稳定和整治手段中，土钉支护[1]因其技术先进，安全可靠，对场地适应性强，结构轻巧，施工速度快，对施工条件要求低，具有较强的经济可比性，而日益受到人们的重视和青睐。我国从20世纪90年代中期开始将土钉支护技术应用于公路工程路堑边坡的支护上。近年来进一步推广，与此相关的许多研究成果也相继涌现，但有关路堑边坡土钉支护变形及水的影响方面的研究成果迄今尚很少。

1 土钉支护工作机理

土钉支护技术最早起源于新奥法（NATM法）和加筋土技术，但作为一种原位加筋体，它既不同于挡土墙复合体和挡土结构，也不同于一般土质边坡。土钉支护技术将边坡土体看成具有承载能力的结构体，是荷载与结构、被支护体与支护结构体相统一的复合体。它通过插入土钉起骨架约束作用，并具有一定的锚固作用，从而发挥土体本身的自承自稳和挡土性能。土钉支护作用机理可用似粘聚力理论[2]和拱效应原理[3]来解释。似粘聚力理论认为：土钉加入后，土体的内摩擦角没有改变，但土体的粘聚力增加了，由于粘聚力的增加提高了土体的抗剪强度。拱效应原理认为：土钉之间存在着一定的间距，当土坡产生位移时，边坡土会在相邻土钉间产生挤出的趋势，同时由于土钉与边坡之间存在摩擦作用，将在土钉与其周围边坡土之间产生土拱效应，随着土的抗剪强度的发挥，会在沿着滑动面方向形成大主应力拱，将土钉间边坡土的侧压力传递到两侧的土钉上，即相邻两土钉提供了大主应力拱的拱脚，保证了土钉间边坡土的稳定。上述无论哪种理论，土体的抗剪强度以及其与土钉的摩擦力都是支护能否成功的关键。

2 水对土钉支护变形的影响

2.1 水的作用

土钉支护工程中，水的作用可分为水－土作用和水－钉作用[4]。水是土体的三相成分之一，在土钉支护中，水对土体的作用包括静水压力、渗透力及软化作用。静水压力作用主要是减少边坡土体在潜在破坏面的正应力，同时产生侧向静压力，使岩土体有效重度减少。渗透是由于地下水的水头差而产生的渗流力作用，渗流力是地下水渗流受到土体颗粒或孔隙壁阻碍而施加于土体上的作用力，其与渗透方向一致，对变形体产生强推力。软化作用是由于水的存在而造成土体抗剪强度降低的作用，从微观上，由于水分增加，一方面水在较大颗粒表面产生一定作用，降低粒间摩阻力；同时使细小粘粒间结合水膜变厚，降低了土的内聚力。

水对土钉体的作用主要表现在水的存在造成钉土间粘摩阻力的降低甚至完全丧失。混凝土或砂浆凝固后是一种多孔性材料，其内部具有许多毛细孔与微裂隙。这些孔洞对水有较强的毛细吸附作用，在其孔隙及周围土体中形成富水区，而且土体孔隙中的水同样具有吸附作用。在含水量高的土体中，地下水将在土钉体表面形成一层结合或结构水膜，水膜类似壳体结构紧紧包裹在土钉体表面，形成一种隔离体将土钉体外表面与土体界面分离开，钉土界面的无接触使二者接触粘聚力迅速降低甚至完全丧失；同时水膜具有很强的作用，这就使钉土间摩擦力也大为减小。钉土界面接触粘摩阻力的降低或丧失使钉体的锚固约束作用及骨架联结作用减弱，土体的抗剪能力及自稳能力也随之下降，整个支护结构的整体性与支护作用被破坏。

2.2路堑边坡土钉支护中水对变形的影响

路堑边坡土钉支护一般指缓坡形式的土钉支护，边坡坡度小于70o（一般小于45o）。对于开挖边坡坡脚小于45o的边坡，一般可不设喷射混凝土面层，而采用钢筋混凝土网格梁将各土钉钉头连成一个整体或采用独立的混凝土块保护钉头，并用植被覆盖表土。这类边坡在开挖结束时仍处于稳定状态，直到有外界因素的影响（雨水、地震等影响因素作用）使边坡发生变形，进而使土钉沿钉土界面发挥出抗拔力，以抵抗边坡的变形，从而对边坡土体起到加固的作用。

路堑边坡中最危险滑动面上土体的应力路径与强度变化关系见图1[5,6]。边坡土体大多数是非饱和具有吸力的土体，当土体实际发挥的抗剪强度小于有效临界抗剪强度时，土坡稳定且最危险滑动面上任意一点都处于平衡状态（A点），随着雨水的浸入，土体饱和度增加，土体孔隙水压力增大、有效强度降低，直到B点土体的抗剪强度不再能够维持平衡，土体开始承受不排水条件下剪切，B点是边坡变形时应力状态的起点，也是土钉发挥作用的起点，直到土体抗剪强度达到临界状态，也就是Mohr-Coulumb强度包络线上的C点，边坡最危险滑动面上土体处于极限平衡状态。

以上分析可用图2来说明路堑边坡土钉支护的加固原理，只有当（RN+RS）/F大于

a应力路径

b抗剪强度与剪切位移

图 1最危险滑动面上土体的应力路径

与强度变化

规范规定的安全系数时该设计才是安全的。可以看出土体由非饱和抗剪强度减小是边坡变形、破坏的最直接原因，同时也是土钉发挥作用的条件。

图 2路堑边坡土钉支护的加固原理图

边坡土体受雨水的渗透作用，导致边坡地下水位的变化和土体饱和，对于所研究的边坡，由于尚未形成统一的滑面，地下水影响边坡变形的主要方式是动水压力和增重效应。它们对边坡变形的影响程度直接受控于边坡地下水，水位越高，影响程度越大。地下水位在短时间内的大幅度上升是大多数边坡变形、破坏的直接诱因。因雨水渗入导致边坡土体饱和，致使土体抗剪强度降低的情况，对于砂性土坡（全风化花岗岩土坡，全风化火山灰土坡）易导致土体液化，对黏性土坡土体的抗剪强度则急剧下降。

对于路堑边坡土钉支护，边坡土体抗剪强度除了因浸水，风化等外力地质作用而降低外，土钉与土体之间的粘聚力也会因这些环境因素而急剧下降。因此，对于路堑边坡土钉支护，土坡较缓并且土体强度未降低时，边坡一般处于稳定状态，土钉处于非工作状态，而土钉的作用也就是弥补土体可能遭遇的强度损失，因此路堑边坡土钉支护中土钉与土体的粘结强度应该是最不利情况下的值，正常天气下得到的粘结强度应考虑一定的安全系数。

3 路堑边坡土钉支护变形的数值模拟

3.1 土体抗剪强度与含水量的关系

以某公路边坡非饱和土体为例，研究土体抗剪强度与含水量的关系。研究时把基质吸力对强度的贡献包含到粘聚力中，即采用缪林昌[7]提出的方法，τf=ctotal+σtanφtotal,不过ctotal、φtotal不再是常数。它们包括了基质吸力对强度的贡献，且随土含水量的变化而变化。该边坡为红粘土，土体厚度较大，边坡高为一至三级，即10～30米，长达100余米，其下伏基岩为石灰岩。由于边坡开挖，原边坡的应力平衡受到破坏，开挖后的坡面及其内侧一定厚度范围内的岩土体因开挖扰动而出现松弛带。这一松弛带的岩土已不是原状土，而是属于扰动土，其抗剪强度教原状土有较大幅度的降低，这也是开挖边坡经常出现小型浅层滑坡或崩塌、溜坡的本质原因。因此我们可取该边坡的粘性土扰动样，作常规三轴剪切试验，以求取开挖边坡不稳定的松弛带的抗剪强度指标。试验仪器采用南京土壤仪器厂生产的TSZ30-2.0型台式三轴仪，试样直径均为3.91cm、高8.0cm，试样制备控制干密度为原位土的天然干密度1.40g/cm3,试样含水量分别为18％、22％、25％、29％、31％、33％、35％，对应的土样的饱和度分别为51.9％、63.4％、72.1％、83.6％、89.4％、95.2%、100％。共进行了七组共21个土样的三轴剪切试验，试验在剪切速率0.8mm/min的条件下进行，含水量与粘聚力及内摩擦角关系的试验结果见图3、图4。

图3含水量与粘聚力的关系图

图4含水量与内摩擦角的关系图

从图3、图4可以看出含水量的变化对该边坡土体抗剪强度的影响很大，含水量从18％变化到35％（即土样接近饱和）时，粘聚力从113.4kPa下降到15.7kPa，内摩擦角从23.7o下降到10.5o，达到饱和时的强度极低，因此这种土质边坡在有地下水渗流出来时，土体含水量过大，极易发生软化，导致边坡变形过大而失稳。

4 结语

土钉支护路堑边坡工程作为一个系统，不断地与外界存在着物质、能量和信息的交换。雨水、地表水的流入，地下水位的上升，表现为物质的输入，而随之引起的强度降低和变形的增大，表现为能量和信息的输出。本文通过对水在路堑边坡土钉支护变形中的影响的理论分析、试验和数值模拟，可以得出以下结论：

（1）在土钉支护工程中，水通过水-土作用和水-钉作用降低边坡土体的摩阻力和内聚力，产生了不利于边坡稳定的水平推力，削弱了钉土界面的接触粘摩阻力，使边坡趋于不稳定。

（2）边坡土体含水量对粘土抗剪强度（c, φ）有很大的影响，随着试样饱和度的增加，粘土的强度大大降低，但粘聚力和内摩擦角与土的饱和度并不呈线性关系。

参考文献(References)：

[1] 陈肇元、崔京浩，土钉支护在基坑工程中的应用[M]。北京：中国建筑工业出版社，2000

[2] 梁仕华，应宏伟，谢康和等，土钉支护结构似粘聚力分析[J]。浙江大学学报，2003，37(3):320-324

[3] 屠毓敏，金志玉，基于土拱效应的土钉支护结构稳定性分析[J]。岩土工程学报，2005，27（7）：792-795

[4] 王滨，贺可强，赵民，土钉支护工程中水作用机理分析[J]。工程勘察，2002，（2）：14-16

[5] Ove Arup and Partners, (1996).The use of soils to upgrade loose fill slopes. Ove Arup and Partners,London.

[6] HKIE(2002).Soil nails in Loos Fill-A

Preliminary Study. Hong Kong Institution of Engineers Geotechnical Division, October.

[7] 缪林昌，膨胀土的强度与含水量的关系[J]。岩土力学，1999，20（2）：71-75