土钉倾角对边坡加固效果影响的探讨
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2020-01-27
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土钉倾角对边坡加固效果影响的探讨
姜小庆
河海大学水利水电工程学院，江苏南京 (210098)
E-mail：jiangxiaojuns@163.com
摘 要：土钉支护作为土体加筋技术中的一种，是当前热门的边坡支护技术。土钉支护机理
极其复杂，已有的研究表明其加固效果与插入的倾角密切相关。本文通过土钉二轴压缩试验
和试验的离散单元法数值模拟相配合，来研究土钉加固机理及土钉倾角对边坡加固效果的影
响。试验结果和数值计算结果得到应力-应变曲线拟合较好，说明双方结果的正确性、可用
性。通过对数值计算结果的分析，探讨土钉加固机理及土钉倾角对边坡加固效果的影响。结
果表明：无摩擦系数的加筋材对试样补强加固效果很有限，不明显；土钉对试样的加固作用
是通过土钉与周围材料之间的摩擦力实现的；当土钉沿最小主应力σ
3
方向设置时，对试样
的补强加固效果更好。
关键词：二轴压缩试验；土钉；离散单元法；土钉倾角
1．引言
土钉支护技术是用于土体开挖和边坡稳定的一种新的挡土技术，由于其经济、可靠、适
应性强且施工快速简便，自90年代以来在我国得到迅速推广和应用
[1]
。土钉支护的应用范围，
目前已涉及到的有岩土高边坡、深基坑边壁、铁路公路隧道、地铁、桥墩、桥涵、铁塔、港
口、路基、堤坝、机场和人防等工程。它所支护的除一般土层外，尚有流砂、软土、厚杂土、
强膨胀土和砂砾石等不良地层
[2]
。土钉支护技术自问世以来，发展很快，并在逐步走向成熟，
但理论研究仍然落后于工程实践。在设计施工中，土钉倾角一般根据经验采用0°～15°。这
样虽然为设计和施工带来方便，但却未能充分发挥土钉的潜力，或为工程埋下安全隐患。
文献
[3-9]
指出：当90°>θ> -Ψ时，土钉主要承受轴向拉力；当-Ψ>θ>90°时，土钉
处于受压剪状态；当θ=90°时，土钉处于纯剪状态（θ—土钉与破裂面切线方向的夹角；
Ψ—土体的剪胀角）。文献
[10]
认为在土钉足够长的条件下，最佳土钉入射角为仰角或水平，
在土钉比较短时，最佳土钉入射角为倾斜向下，而且应该是从上到下逐层减少向下倾角。文
献
[11]
指出土钉垂直于潜在滑移面，能最大限度发挥其支护能效的结论；文献
[12]
认为对于直
立的挡土建筑物，土钉的最佳倾角应能最大限度地提供向上的分力，即最佳倾角应为仰角，
与水平面的夹角为45°-φ/2（φ— 土体的内摩擦角）。文献
[13]
指出：土钉设置的倾斜度应逐层
增加向下倾角较好，理由是土钉与潜在滑弧面相交角度较大有利于土钉强度的发挥，有利于
提高土坡的稳定性。文献
[14]
认为土钉的倾角在10°～15°对安全最为有利，过大或过小都不利，
那种认为水平设置最有利的看法可能是不准确的。文献
[15]
指出：安全系数随着倾角的增加，
先达到最大值，然后逐渐降低，当钉长较大时，降低的幅度也较大，当L/H＜1时，安全系
数在土钉倾角为5°～20°范围内最大；当L/H＞1时，土钉倾角为0°时，安全系数最大，而且
增加土钉长度，不管其倾角如何变化，全系数不再增加。
可见，不同的学者对土钉倾角的影响有不同的看法。图1为土体单元在小主应力σ
3
保持
一定，逐渐增加大主应力σ
1
后的变形情况。显然地，土体单元沿着σ
1
方向产生压缩变形，而
沿着σ
3
方向产生伸长变形。由于土体加固的最终目的就是要限制这样变形，因此，从理论上
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