1 引言

土釘支護(Soil Nail Support)是基坑邊坡工程中經常使用的一種支護型式，所有流行的基于極限平衡方法的軟件都有土釘分析功能，例如SLIDE, Slope/W, Plaxis LE(這三個軟件分別出自加拿大的三家巖土軟件公司)，一些專用的土釘設計軟件除了使用通用的極限平衡原理計算外，也嵌入了某些規范中的設計和分析方法，例如SnailPlus包含了AASHTO和EC7規定的載荷聯合，FHWA設計標準，LRFD WSDOT(2019)設計規程; Geo5 Nailed Slope包含了EN 1997-1和 LRFD標準等。這個筆記討論了HYRCAN和SLIDE土釘分析的過程和注意事項。

2 問題陳述

這個基坑邊坡由均質的土層組成，如下圖所示。土的粘結力35kPa, 內摩擦角0°，重度18.9kM/m^3。基坑垂直開挖深度為6.1m，如果不進行支護，計算的安全系數大約在1左右，即邊坡處于臨界狀態，因此需要支護。設計使用三層土釘，每根土釘的長度為4.9m，向下傾斜15°打入土層中，錨桿的平面間距和縱向間距均為1.5m，類似于上圖所示的正方形布置。

3 HYRCAN計算

根據問題陳述建立模型的幾何形狀，輸入土的參數，接下來要增加三層土釘。使用"屬性(Properties)->定義支護(Define Support)"菜單打開支護屬性對話框。目前程序有5種支護方式可以選擇，在本例中，支護類型選擇土釘(Soil Nail)，輸入下圖所示的參數。

(1) 平面外間距(out-of-plane spacing)。在二維極限平衡方法中，通常使用平面外間距考慮土釘布置的空間影響，這是一種近似的三維考慮。(2) 土釘的抗拉能力(Tensile Capacity)表示單個土釘最大承受抗拉的能力。這是土釘本身的能力(如鋼的抗拉能力)，與板的能力或粘結能力無關,單位是力(kN)。(3) 板的能力(Plate Capacity)是連接土釘和邊坡的板塊組件所能承受的最大負荷，通常稱作托盤，單位為力(kN)。(4) 土釘的拔出強度(Pullout Strength)實際上就是土釘的粘結強度(Bond Strength), 表示為每單位長度的力(kN/m)。這里的長度單位是指沿土釘的長度, 粘結強度決定了土釘所能產生的拔出和/或剝離力。

接下來添加土釘的布置方式。可以添加一個支護(Add Single Support)，也可以添加以一定模式排列的多個支護(Add Support Pattern)，在本例中，使用Support菜單中的Add Support Pattern選項一次性添加三根土釘，如下圖所示。

然后輸入邊界上第一個點的坐標(0,1.5),輸入第二個點的坐標(0,5),自動生成三根土釘。最后一步改進是邊坡限制(Slope Limits)，目的是縮小搜索范圍，如下圖所示。

每種方法計算的最小安全系數為:

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計算

由于HYRCAN模仿了SLIDE的用戶界面，因此SLIDE的操作過程與上述過程基本相同。唯一需要注意的一個差別是滑動面的搜索方法。HYRCAN包含兩種搜索方法：Slope Search和用戶定義的滑動面(User Defined Surface)。SLIDE有三種搜索方法：Grid Search, Slope Search和Auto Refine Search。對于直立的基坑邊坡，使用Grid Search方法計算的安全系數值太大，不能找到最小滑動面，Slope Search方法計算的安全系數值也大，通過比較最終選擇了Auto Refine Search方法，得出的安全系數值和最小滑動面相對合理。

5 結束語

兩個軟件的計算結果比較如下表所示。可以看出，Bishop法和GLE法的結果差不多相同，另外兩種方法的結果略有差異。綜合考慮以前已經做過的例子，建議在目前情況下，優先使用Bishop法和GLE法進行分析。另外，對于真實的邊坡分析和設計，應該盡量比較所有可得到的搜索方法，從而獲得最優的安全系數和最優的滑動面(不一定是最小)，這是因為對于一些特殊的邊坡形狀和特殊的材料參數值，某些方法計算出來的結果有時會產生數學上的奇異，因而不能僅僅依據數值上的大小來作出工程判斷。