地震作用下土钉新计算方法的工程实践

张世径，王永胜

(1.中铁西北科学研究院有限公司，甘肃 兰州 730030；2.兰州理工大学 土木工程学院，甘肃 兰州　730030)



地震作用下土钉新计算方法的工程实践

张世径1，王永胜2

(1.中铁西北科学研究院有限公司，甘肃 兰州 730030；2.兰州理工大学 土木工程学院，甘肃 兰州730030)

摘要：为考虑文献[1]中提出的在地震主动土压力作用下土钉的计算方法，结合本地区工程实例分析地震主动土压力和最危险滑移面与水平地震系数的相互影响，并与在不考虑地震时的作用进行比较。结果表明：在地震作用下土钉能够有效地减少土体对支护结构的侧向压力，使潜在滑移面逐步向后移动；随着基坑深度的增加，地震作用下的滑移面向墙后移动的幅度增大，土钉的总长也随之增长。

关键词：土钉支护；地震主动土压力；工程实践

1　概述

挡土墙是防止路基填土或山体滑坡坍塌的常用支挡构筑物。而土钉墙支护作为一种新型的柔性主动支护模式，因其经济可靠且施工快速简便，已在土体开挖和边坡稳定等工程领域得到迅速的推广和应用[2～5]。尤其是“5.12”地震以后，诱发了大量的边坡灾害，而边坡灾害所引发崩塌、滑坡等成为了阻断交通的主要因素[6～8]。但调查发现[9，10]，许多经过柔性支挡结构支护和锚固的边坡却依然屹立，能够正常使用，这给我们留下了许多值得思考的地方。因此，支护结构在地震作用下的主动土压力研究具有很大的现实意义。

应用文献[1]推导的考虑支护结构作用的地震主动土压力和最危险滑移面计算公式，结合工程实例分析水平地震系数对地震主动土压力和最危险滑移面的影响，并和不考虑地震作用的结果进行比较。

2　土钉支护结构地震主动土压力新计算方法

文献[1]应用基本假定，建立了考虑支护结构作用的地震主动土压力计算模型，如图1所示。

图1　平面滑动的主动土压力分析

通过一系列推导最终得到了考虑支护结构作用的地震主动土压力和最危险滑移面的计算公式，如式（1）和式（2）所示。

式中各参数的物理意义可参见文献[1]。

3　工程应用分析

3.1工程概况

甘肃某二级公路新建工程边坡采用土钉墙支护，墙高9m，边坡角度为70°，墙背地面水平，边坡重要性系数1.0，土钉与水平面夹角100，安全系数取1.3，本工程抗震设防烈度为8度，地震加速度峰值取0.20g，如图2所示，边坡土体参数见表1。

图2　土钉支护设计简图

表1　边坡及土体参数

3.2水平地震系数Kh对最危险滑移面的影响

通过Kh的变化来分析地震作用下考虑土钉作用时最危险滑移面的变化情况。最终结果见表2。

表2　最危险滑动面对水平地震系数Kh的影响

图3　水平地震系数Kh对最危险滑移面的影响

由图3可知，随着地震烈度的增大，考虑土钉作用时的挡墙最危险滑移面逐渐减小，即滑移面慢慢向墙后移动，其角度值比静力计算时的角度（45° +=58.5°）小。由此可见，地震作用下土钉的作用使得滑移面的出现与静力作用时有所不同，整体有向后移动的趋势。

3.3最危险滑移面对土钉总长度的影响

应用文献[1]推导的考虑支护结构作用的地震土压力公式计算，得到地震作用时最危险滑移面与水平面的夹角（39.6°），并与不考虑地震作用时的夹角（45°+=58.5°）做比较，如图4所示，两者相差18.9°，地震作用时滑移面向墙后移动。

图4　最危险滑移面对土钉总长度的影响

通过设计确定的土钉总长度和计算地震时的最危险滑移面，再根据倾角关系进一步调整地震时的土钉长度，并和不考虑地震作用时的土钉长度做比较，其结果见表3。

表3　土钉设计参数

由表3可知，地震作用时第一排土钉增长2.2m，增长率为31.4%；第二排土钉增长1.8m，增长率为25.7%；第三排土钉增长1.5m，增长率为30%；第四排土钉增长0.8m，增长率为16%。

4　结论

1）通过计算分析可知，土钉的存在能够有效地减少地震作用下土体对支护结构的侧向压力，使滑移面逐步向后移动。

2）应用本文的公式对两种不同高度的土钉墙在地震作用下的长度进行了计算，并与不考虑地震作用时的长度做了比较。计算表明，随着基坑土钉墙高度的增高，地震作用下的滑移面向墙后移动的幅度增大，土钉的总长也随之增长。

3）最后，通过算例结果对比和参数分析可知，这种计算方法能够很好地应用于工程实践，为以后土钉支挡结构的抗震设计提供理论依据。

参考文献：

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[3]Yanling Qiu, Lingkan Yao, Wei Qin. Characteristic Analysis of the Damaged Retaining Wall in Wenchuan Earthquake[J]. Journal of Chongqing Jiaotong University (Natural Science),

2010,29(4):576–581.(inChinese).

[4]Qiang Xu,Weile Li.Distribution of Large-scale Landslides Induced by the Wenchuan Earthquake[J].Journal of Engi neeringGeology,2010,18(6):818–826.(inChinese).

[5]Yuanzhan Wang,Xinguo Li,Nannan Chen.Active Earth PressureonaRetainingWallandLateralCoefficientofEarth Pressure[J].Rock and Soil Mechanics,2005,26(7):1019–1022.(inChinese).

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[7]ZhenminCao.AnalysisofActiveEarthPressureofBackFill on Retaining Wall with Curved Rupture Surface[J].China JournalofHighwayandTransport,1995,8(2):7–14.(inChinese).

[8]BROWZINBS.AnchoredBulkheadsHorizontalandSloping Anchors[J].JGeotechEngngDivAmSocCivEngrs,1981,107 (GT5):629–645.

[9]HASHASHMA,WHITTLEAJ.MechanismsofLoadTransfer andArchingforBracedExcavationsinClay[J].2002,128(3): 187-197.

[10]DESAICS.AFundamentalStudyofBracedExcavationCon struction[J].ComputGeotech,1977,8:39-64.

中图分类号：TH432