图1-土钉墙的设计过程
你知道什么是最快和成本效益最高的方法来稳定道路边坡吗？
根据美国联邦紧急管理局（FEMA）于2021年2月11日发布的一份案例研究，西弗吉尼亚州公路上发生的重大山体滑坡是由暴雨和洪水引起的。用于稳定道路边坡最快、成本效益最高的方法是土钉加固。
土钉加固道路免受洪水破坏 | FEMA.gov
2009年春季，西弗吉尼亚州明戈县遭受暴雨侵袭，导致多处发生山体滑坡。由于该县许多道路是连接重要服务设施（如消防、救护和警察保护）的唯一通道，并且不能长时间关闭以进行重大工程项目，因此西弗吉尼亚州公路部门一直在寻找快速且具有成本效益的解决方法。
2009年5月的洪灾导致80/1号县路沿线发生了严重山体滑坡，威胁到了通往Slabtown村庄数十栋房屋的唯一通道。经过必要的研究后，公路部门决定采用土钉加固法来稳定道路并最大限度地减少交通管制时间。
土钉加固是一种“上方作业”方式，在溪流堤岸周围运行良好，因为它可以避免承包商进入溪流或湿地作业。他们可以在项目上方设置设备并向下作业。通常情况下，设备占用一个车行道，并将另一个车行道开放以便交通和紧急服务。土钉加固涉及通过松散土壤向约25度角度倾斜进入堤岸并打入坚硬岩石中的孔洞。
2010年6月洪水淹没了那些得到联邦紧急管理局公共援助资金改善过的区域，并未造成损害。而其他未经加固的沿途区域则被冲毁，并正在使用土钉加固法进行修复。虽然这是西弗吉尼亚州相对较新使用的工艺方法，但已在其他州和国家取得成功应用。
在本期《地质结构设计过程》（GDPs）中写关于“土钉墙”的设计。除了用于道路，这种方法也广泛应用于软土地下隧道（例如图2）和深基坑开挖（例如图3）的稳定工作。请阅读以下有关设计流程的技术摘要，并了解itwin框架如何提供更好的预测来分析这些地质结构的行为。
图2- 在阿米尔卡比尔隧道使用土钉加固隧道面；德黑兰（资料来源：Golshani和Moradabadi，2013）
图3- 在阿米尔卡比尔隧道使用土钉加固挖掘墙壁；德黑兰（来源：Golshani和Moradabadi，2013）
该方法的简要总结
土钉，也称为张力杆，是插入预先钻孔的角度杆或条，填充有混凝土等灌浆材料的方法。图4a和b形象地说明了在陡峭角度上应用该方法。
图4a-示意图展示了用于稳定陡坡的土钉墙（来源：FHWA 2015）
图4b- 土钉与植被结合以提高稳定性和美观度（来源：FHWA 2015）
与其他地质结构类似，土钉的详细设计需要对地面进行全面研究，并协调所有参与项目的利益相关者之间的合作。下面的程序，也在图1中说明，提供了需要执行的设计步骤，包括根据现有标准和指南进行可行性研究以成功实施该方法。考虑到itwin框架也被认为是改善缓解和行动计划通常必要的这些类型地质结构。
设计程序
Desk study
与其他地质结构一样，土壤钉墙的设计始于对从项目业主处收到的信息和合同文件进行全面审查。收到的文件应足以进行适当的桌面研究，提供下一步分析和设计所需的充分信息。为了展示该方法在可持续性角度（即施工性、经济性和HSE）上适用于项目，桌面研究通常包括：
-调查埋设服务和现有结构以及土钉对它们的影响
-审查先前的岩土工程调查，另外进行现场考察，以确定地面是否适合使用土钉，并在需要时建议进一步调查（例如，软黏土和淤泥（不排水剪切强度<5 kN）通常不适合用于土钉。在粘性土壤中使用土钉也需考虑其他因素）
-审查排水和水文地质条件
-评估当地气候条件
-研究现场地震条件（如适用）
-审阅地形图以评估到达现场的便捷性和机械操作的灵活性
-回顾该区域或类似经验以更好理解地面行为
-检视附近先前的调查结果，制定更好的新站点调查计划
整个桌面研究和设计过程的标准应基于已批准的标准和指南，如Eurocodes、EN 14490、CIRIA C794D、FHWA-NHI-14-007、BS 8006-2等。
桌面研究可能表明，土钉对项目并非是一种有效的方法。随后，设计人员可能会提出其他替代方案。
预设计过程
在执行项目的岩土工程设计之前，设计师可能需要进行预设计过程以便：
-指定设计规则、约束和性能标准（例如，允许的最大挠度或应变）
-定义施加的载荷
-审查设计概念和先前的实践
-审查土钉设备规格、可用材料和供应商
-执行地质统计分析并定义地面参数（场地变异性、土壤设计参数的定义，并确定场地的腐蚀和冻结潜力）
-指定验证测试
-制定新的现场调查计划（如果需要）
岩土工程设计（极限状态）
在稳定设计规则之后，需要进行以下5个步骤的岩土工程设计：
1. 评估初始条件
设计师/工程师在安装土钉和挡墙之前应评估边坡或挡墙的临时稳定性。这可能包括建议合适的切坡或交错开挖布局和横截面。
2. 制定施工方案
基于现场特定信息，设计师/工程师可以为项目制定适当的施工方案。预设计过程的结果可以帮助制定关于现场地形、环境和岩土条件的各种方案。
3. 定义问题几何和初步的土钉配置
稳定的边坡/交错开挖的初始几何形状为设计师提供了墙布局、土钉布置的初步方案，包括墙的坡度、土钉间距、土钉倾斜度和土钉长度。设计师/工程师还需要提供足够的细节或措施，以保护土钉免受腐蚀，考虑到特定环境条件。根据预设计阶段的输出，设计师/工程师可以考虑最佳的土钉类型和长度、土壤特性参数（包括用于模拟土壤的适当本构法则）、地下水位和其他稳定性分析的基本信息。
4. 指定设计因子
为了生成稳定性分析和地质结构验证的荷载组合，设计师应选择适当的荷载和抗力系数。
关于结构的后果类别，设计师可能还需要考虑额外的安全系数。由于结构的敏感性和这些安全系数的经济效应，可能需要进一步获得业主的批准，以检查这些系数是否足够保守。
设计方法和程序可能自然存在许多无法解决或解决的不确定性。当前的标准（例如欧洲规范7）通常建议考虑一个建模系数，以处理与土-结构问题中涉及的机制建模的未知因素。
5. 稳定性分析
图5显示了土钉挡墙的潜在极限状态，最终极限状态分析通常包括四个不同的子分析，以证明设计中考虑的每个情景的整体稳定性：内部稳定性、全局稳定性、基底隆起（如果适用）和滑动稳定性。
地质结构验证（极限状态）
在确保土钉挡墙的总体稳定性得到满足后，设计师/工程师应确保土钉挡墙的结构元素满足性能标准。这可能包括以下验证：
1. 拔出抗力（见图5e）
2. 加筋土中弱土层下滑动稳定性（见图5d）
3. 筋索拉伸抗力（见图5f）
4. 面板弯曲/挠曲抗力（即砂浆挠曲稳定性和加固要求，见图5g）
5. 冲切抗力（图5h）
6. 面板带头销抗力（图5i）
7. 板材、螺母和垫圈的考虑
8. 腐蚀抗力（如果需要，建议采取相应的措施）
(Source FHWA 2015)
变形控制（SLS）
土钉挡墙的变形通常应根据项目预先确定的性能标准（合同比例）进行检查。为评估挡墙的性能、横向和纵向位移，可能需要使用不同的有限元或有限差分模型。在某些情况下，例如桥墩，设计师可能需要评估土钉挡墙的横向挤压，以确保其在可接受的性能标准范围内。分析中需要包括相邻建筑物和便利设施。为了确定设计在项目中的适用性，特别是在城市地区，设计师可能需要对土钉挡墙对相邻建筑物的长期影响进行更全面的评估。
在变形分析导致的服务性能不满意的情况下，可能需要修改结构单元并重复设计过程，直到结构的性能水平在数值上满足要求。
地震设计（极限状态）
对于地震风险区域，需要进行地震设计，包括：
1. 确定地震设计参数（如PGA，场地类别，重现周期，平均剪切波速度或等效参数以及其他修正因子）。
2. 调整地震设计系数。
3. 重建用于稳定性分析的模型和情景。
以上步骤更新了用于稳定性分析的地质模型，以确保结构的极限状态在其寿命内能够抵御可能面临的地震荷载的水平。
地下水和排水设计
设计师必须考虑适当的排水措施，以在施工期间和施工后管理地表和地下水。针对土钉墙的地下水和排水设计通常包括以下内容：
1. 提出如何在施工期间和施工后管理地表水和地下水。
2. 设计带状排水沟、渗水孔和用于墙体的聚集沟（土钉墙不设计用于长期静水压）。
3. 进行快速降水稳定性分析（如果需要）。
4. 设计拦截坑、井、井点、排水泵等（在施工期间，如果需要）。
5. 排水管道的设计（如果需要应对高地下水位）。
6. 永久感知间距的设计。
水文学方面的考虑可能会促使设计师修改地质模型或生成新的模型，以执行稳定性分析来应对不同的情景，比如快速排水。
防冻保护
在某些情况下，桌面研究和岩土工程勘察可能显示土壤容易受冻。设计师可能建议以下措施之一来保护墙体免受施工后可能的冻结影响：
1. 使用多孔回填材料防止湿气积聚。
2. 加厚墙体面层。
3. 在面板表面施加绝缘层。
评估设计的可施工性
设计输出需要在最终草图准备之前进行可施工性的检查。为了成功实施，可能需要更多的考虑和额外的设计特点，包括：
1. 针对支撑钉的设计（如果需要）。
2. 临时支撑的设计。
3. 机械设备的临时平台设计（如果需要）。
4. 临时挖掘的设计。
负载测试和监控行动计划
在发布设计之前，为了证明设计在施工期间的适用性，并为项目的缓解计划提供适当的信息，设计师/工程师需要提供一个负载测试和监测行动计划，以确定：
1. 验证加载测试。
2. 证明测试（所有钉子的5%）。
3. 蠕变测试。
4. 监测仪器（应变仪、倾角计、测量点、永久负载单元）。
考虑到物联网的概念，在通用的iTwin框架中，建议用于结构的实时监测的仪器，以及新的测量技术（特别是LiDAR无人机测量），可以提供一个实时数据库。同步这些数据和土壤加固墙的数字副本（例如有限元和有限差分模型）可以帮助预测系统的行为，并为缓解计划和设计的后期验证提供一个强大的行动计划。在不可预测的事件或设计或施工中的任何缺陷存在的情况下，基于iTwin框架的行动计划可以指示警告标志并防止灾难性的崩溃。
本文总结了一种稳定边坡的最快和最具成本效益的方法的设计程序。整个过程中还涉及了iTwin的概念，以提出一个更强大的监测行动计划和缓解计划。
