土釘支護結構設計參數對路塹邊坡穩定性的影響

吳華偉，尉立基，章海明

(1. 山西交通控股集團有限公司臨汾北高速公路分公司 太原市 030000； 2. 山西省交通新技術發展有限公司 太原市 030000)

土釘支護是一種用于邊坡加固的擋土技術或者用于深基坑開挖支護的技術，土釘支護的一般形式為：在路塹開挖或基坑開挖坡面，用機械鉆孔或洛陽鏟成孔，孔內放鋼筋，并注漿，在坡面安裝鋼筋網，噴射C20厚80～100mm的混凝土，使土體、鋼筋與噴射混凝土面板結合形成的一種擋土支護結構。該支護結構相較于錨桿、排樁等支護形式，有經濟、可靠、施工便捷等特點[1]。

隨著計算機技術的發展，近些年來有不少學者都研究了運用有限元軟件分析土釘支護在工程應用的可靠性。宋二祥等[2]于1999年首次運用有限元計算分析方法，分析土釘支護的變形與位移等情況。連鎮營[3]等用有限元方法，土體采用彈塑性本構模型對土釘支護進行了邊開挖邊支護的模擬分析。涂飛[4]對土釘間距、坡度對邊坡穩定性的影響進行了深入分析。徐永政[5]分析了土釘長度對邊坡穩定性的影響。以往的研究往往注重某單一因素對土體穩定性的影響，沒有全面地分析結構設計參數對邊坡穩定性的影響，更加沒有分析各個結構設計因素對土體影響的程度，不能很好地優化土釘支護設計，指導施工。從土釘支護結構設計參數長度、布設傾角、密度去分析對邊坡穩定性的影響程度的大小。

1 土釘支護有限元模型建立

1.1 邊坡土體本構模型及參數選取

目前在巖土分析過程中，土體常采用的本構模型為Mohr-Coulomb(摩爾庫倫)和Drucker-Prager準則，D-P準則的形狀呈圓錐面，在數值計算過程中較為方便；M-C準則形狀呈不規則的六角錐體，計算過程相較于D-P準則更為復雜，但M-C準則能夠更好地反應巖土材料拉壓不等的特性，故其計算的準確度往往更高[6]。比較這兩個土體的本構關系之后，選取Mohr-Coulomb(摩爾庫倫)作為土體本構模型。

現假設有一均質土坡，其土體計算參數如表1，邊坡高9.5m，坡比1∶0.4，邊坡橫截面如圖1。

表1 土體參數選取

利用強度折減法的原理，通過計算可得土體的粘聚力與摩擦角各工況折減之后的參數具體如表2。

該路塹邊坡采用土釘支護結構，土釘的布設方式及材料的計算參數如表3。

在該路塹邊坡開挖面，按照要求，掛網噴80mm厚C20混凝土。該混凝土面層的計算參數如表4。>

表2 土體折減之后的工況

工況折減系數折減后的φ折減后的c10.538.942620.7528.3117.331221341.2517.9110.451.515.078.6761.75137.437211.46.5

表3 土釘計算參數選取

表4 混凝土面層計算參數選取

該路塹邊坡土體模型，計算單元采用CPE4(平面4節點應變單元),土體和面層采用solid單元模擬，土釘采用wire單元模擬；土釘與土體之間采用Embedded region約束，土體和面層采用Tie約束。

1.2 邊坡穩定性計算

邊坡穩定性的分析方法主要分為極限平衡法和有限元法，目前常用的為強度折減有限元分析法。

強度折減有限元分析法最早由Zienkiewicz等于1975年提出，在我國，鄭穎人等[7]將其稱為強度折減法，他們提出一個抗剪強度折減系數(SSRF：Shear Strength Reduction Factor)的概念，這種SSRF相當于傳統意義上的邊坡整體穩定安全系數Fs。

折減后的抗剪強度參數可分別表達為：

(1)

φm=tan-1(tanφ/Fr)

(2)

式中，c和φ是土體所能提供的抗剪強度；cm和φm是維持平衡所需的抗剪強度；Fr是強度折減系數。目前判定土坡達到臨界破壞的評價標準主要有[8]：

(1)以數值計算是否收斂作為評價標準。

(2)以特征部位的位移出現拐點作為評價標準。

(3)以PEMAG云圖是否貫通作為評價標準。

2 計算結果分析

為研究邊坡土釘支護結構設計參數對路塹邊坡土體穩定性的影響程度，設計了三種不同工況：不同的土釘長度、土釘布設傾角、土釘布設密度。通過其不同工況分析其對土釘所受拉應力及邊坡土體安全系數的影響，最后得出其對邊坡穩定性的影響程度，用于指導優化土釘支護結構設計。

2.1 土釘長度的影響

為研究土釘長度對路塹邊坡土體安全系數與土釘所受拉應力的的影響，考慮四種土釘長度，具體工況如表5。

表5 土釘布設工況1

從有限元模型的分析模擬結果，提取不同的土釘長度下的邊坡安全系數FV1，提取不同土釘布設位置下土釘所受拉應力，其變化規律分別繪制于圖2、圖3。

(1)從圖2分析出，土釘長度從5.5m至11.5m，其土釘所受的拉應力分別為14.5MPa、17.1MPa、18.5MPa、19.5MPa，呈二次拋物線變化，從土釘最大拉應力隨土釘長度的變化規律可以分析出，隨著土釘長度的增加，土釘所受拉應力整體趨勢是逐漸增加的，說明土釘越長控制的土體體積越大、承受的土體重量約大，但隨著土釘長度的逐漸增加，土釘所受拉應力增加的速率逐漸降低。

(2)從圖3分析出，土釘長度從5.5m至11.5m， 路塹邊坡的安全系數分別為1.15、1.35、1.52、1.71，隨著土釘長度的增加，安全系數也逐漸增加，呈線性關系；安全系數的增長速率約為48%，土釘越長對土體的穩定越好，但在實際工程中還應考慮經濟性等復合因素。

2.2 土釘傾角的影響

為研究土釘布設傾角(與水平面的銳夾角)對路塹邊坡土體安全系數與土釘所受拉應力的影響，考慮土釘傾角作為變量，間距的取值主要呈線性變化，具體工況如表6。

表6 土釘布設工況2

從有限元模型的模擬結果，提取不同的土釘布設傾角的邊坡安全系數，提取不同土釘布設傾角下土釘所受拉應力，其變化規律分別繪制于圖4、圖5。

(1)從圖4可以分析出，土釘布設傾角從5°增加至10°時，土釘所受拉應力迅速增加，布設傾角5°時土釘所受最大拉應力為18.4MPa，傾角為10°時土釘所受拉應力為19MPa，增長速率為3%；布設傾角從10°增加至15°時，土釘所受最大拉應力逐漸減小，為18.4MPa，減小率為3%，與布設傾角為5°時基本相當；當布設傾角從15°至20°時，土釘所受最大拉應力再一步減小，此時土釘所受最大拉應力為17.6MPa，減小速率為5%。

(2)從圖5分析，邊坡土體安全系數隨布設傾角值的增加，整體逐步加大，布設傾角為5°時安全系數為1.36,傾角10°時安全系數為1.48，且布設傾角從5°至10°增加的速率最快，約為6%；傾角為15°時，安全系數為1.52，布設傾角從10°至15°增加速率放緩，此時速率約為2.7%；布設傾角為20°時，安全系數為1.6，布設傾角從15°至20°時，安全系數逐步增加，增加的速率約為5%。從安全系數上看土釘的布設傾角為越大越好。

2.3 土釘密度的影響

為研究土釘布設密度對路塹邊坡土體安全系數與土釘所受拉應力的的影響，考慮土釘布設密度作為變量，土釘直徑取值具體工況如表7。

從有限元模型的模擬結果，提取不同的土釘直徑下的邊坡安全系數，提取不同土釘直徑下土釘所受拉應力，其變化規律分別繪制于圖6、圖7。

表7 土釘布設工況3

(1)從圖6可以分析出，當布設兩根土釘時，此時土釘所受最大拉應力為18.7MPa，布設三根土釘時，土釘所受最大拉應力為18.46MPa，布設四根土釘時，土釘所受最大拉應力為18.43MPa，布設五根土釘時，土釘所受最大拉應力為18.1MPa，從整體變化上看，隨著土釘的增多，土釘所受最大拉應力逐漸減小，但實際上從兩根土釘到5根土釘，所受的最大拉應力減小速率也僅為3.3%，基本變化不大。

(2)從圖7的曲線規律看出，整體上看，隨著土釘布設密度從兩根增加至5根，安全系數逐漸增大，對于維持路塹邊坡土釘有非常積極的作用，土釘數為2時，安全系數為1.48，土釘數量增加至3根時，安全系數此時為1.53，安全系數的增長速率為3.3%；土釘布設數量增加至4根時，安全系數為1.61，安全系數增加速率為5.2%；土釘布設數量增加至5根時，安全系數為1.68，安全系數增加率為4.3%。各段增加速率，整體差異不大，呈線性相關。

3 結論

從土釘支護結構的幾個重要設計參數長度、布設傾角、布設密度出發，分析了各設計參數對路線邊坡土體穩定性的影響程度，得出以下結論。

(1)土釘所受拉應力隨著土釘長度增長呈二次拋物線式的增長；土體安全系數隨著長度從5.5m至11.5m，呈線性增長，增長幅度約為48%。說明土釘越長對土體穩定性越好。

(2)土釘所受的拉應力最大值在土釘布設傾角為10°時取得，傾角值為5°與15°時，所受拉應力基本相當，20°時最小；安全系數隨著布設傾角的增大，逐漸增加，增加的幅度約為17%。

(3)隨著在土體中布設的密度的增加，土釘所受最大拉應力逐漸減小，減小的程度小，基本處于同一量級；但隨著密度的增加，安全系數增長速度略微明顯，增長幅度約為13.5%。

(4)從安全系數的增長幅度以及數值大小可以分析出，對路塹邊坡穩定性影響最大的結構設計參數為土釘的長度，其次為土釘的布設傾角值，最后為土釘的布設密度。