土釘支護(hù)參數(shù)對(duì)土質(zhì)路塹邊坡穩(wěn)定性的影響

牟 丹

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032）

引言

借助有限元軟件對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行模擬仿真，分析復(fù)雜環(huán)境下各種影響因素的影響，解決傳統(tǒng)計(jì)算難以解決的復(fù)雜工程問題。土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的一般形式為先進(jìn)行鉆孔，再在孔中放置鋼筋，鋼筋的直徑根據(jù)實(shí)際工程情況確定，然后進(jìn)行注漿，再沿其邊坡坡面，采用掛網(wǎng)噴射混凝土的方式，形成完整的土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)。支護(hù)的基本原理是利用土釘結(jié)構(gòu)與土體的黏結(jié)力和摩擦力，在基坑或者邊坡土體發(fā)生位移或變形時(shí)，被動(dòng)地承受由土體帶來的拉力[1-2]。

宋二祥、鄭穎人、尹驥等[3-5]采用強(qiáng)度折減法分析土釘支護(hù)的穩(wěn)定性，并將其與極限平衡法作了比較。余登華等[6]對(duì)復(fù)合土釘支護(hù)下的位移和穩(wěn)定性展開分析，并結(jié)合實(shí)際工程驗(yàn)證了有限元方法在計(jì)算邊坡穩(wěn)定性上的可行性。趙杰[7]研究了土釘布設(shè)方式及長(zhǎng)度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，指出最大滑移面往往與最大拉應(yīng)力連線的位置是一致的。

1 建立有限元模型

選取Mohr-Coulomb 作為土體本構(gòu)模型。假設(shè)有一均質(zhì)土坡，邊坡橫截面見圖1，有限元模型網(wǎng)格劃分見圖2。土體計(jì)算參數(shù)見表1，土釘參數(shù)見表2。

圖1 邊坡模型/m

圖2 基坑模型的網(wǎng)格劃分

表1 土體參數(shù)選取

表2 土釘計(jì)算參數(shù)選取

在路塹邊坡開挖面，按照要求，掛網(wǎng)噴80 厚C20 混凝土。混凝土面層計(jì)算參數(shù)見表3。

表3 混凝土面層計(jì)算參數(shù)

強(qiáng)度折減法[8-9]保留了有限元軟件在分析復(fù)雜因素下實(shí)際工程的優(yōu)點(diǎn)，而且結(jié)果直觀，在實(shí)際工程分析中應(yīng)用越來越廣泛。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 土釘布設(shè)位置的影響

考慮在不同位置設(shè)置土釘，工況見表4。可以看出：（1）土釘布設(shè)位置從一級(jí)邊坡的上部、中部至下部，土釘所受拉應(yīng)力分別為17.6 MPa、18.4 MPa、16.3 MPa，大致呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)。在中部加土釘時(shí)，土釘所受拉應(yīng)力數(shù)值最大。表明當(dāng)土體發(fā)生位移或變形時(shí)，土釘布設(shè)位置在土體中部時(shí)，對(duì)維持土體穩(wěn)定性效果最好。（2）加釘位置從上部、中部至下部，安全系數(shù)呈線性增長(zhǎng)，增長(zhǎng)速率約為12%，在下部加釘時(shí)安全系數(shù)達(dá)到最大值為1.68，說明在下部加土釘時(shí)能更好的維持邊坡土釘穩(wěn)定性。

表4 土釘布設(shè)工況一

2.2 土釘間距的影響

考慮土釘間距作為變量，工況見表5。可以看出：（1）隨著土釘間距從0.7 m 逐漸增加至2.8 m，土釘所受拉應(yīng)力不斷增加，間距0.7 m 時(shí)土釘拉應(yīng)力最小為16.9 MPa，間距2.8 m 時(shí)土釘拉應(yīng)力最大為20 MPa。從土釘拉應(yīng)力的變化規(guī)律可以看出，土釘間距越大，土釘?shù)淖饔梅秶綇V，所受到的拉應(yīng)力也更大，對(duì)維持邊坡土體的穩(wěn)定性效果越好，但當(dāng)間距增加到一定程度后所受拉應(yīng)力的增加速率放緩，表明對(duì)于維持邊坡土體穩(wěn)定性，間距適當(dāng)即可。（2）在土釘布設(shè)間距從0.7 m 增加到2.8 m 的過程中，邊坡的安全系數(shù)逐漸增長(zhǎng)，大致呈線性關(guān)系，在土釘間距為2.8 m 時(shí)安全系數(shù)達(dá)到最大為1.67，說明在土釘間距更大時(shí)能更好地維持邊坡土體穩(wěn)定性，間距從0.7 m 至1.4 m 時(shí)，安全系數(shù)逐漸增加，且增加的速度最快。

表5 土釘布設(shè)工況二

2.3 土釘直徑的影響

考慮土釘直徑作為變量，工況見表6。可以看出：（1）隨著土釘直徑從80 mm 逐漸增加至140 mm，土釘所受拉應(yīng)力逐漸減小，減小速率逐漸降低，土釘直徑80 mm 時(shí)，土釘拉應(yīng)力最大，為26.3 MPa，土釘直徑140 mm 時(shí)，土釘拉應(yīng)力最小，為10 MPa。從土釘應(yīng)力的變化規(guī)律可以看出，土釘直徑越小，土釘橫截面面積越小，土釘所承受的拉應(yīng)力越大，同時(shí)土釘處于更危險(xiǎn)的狀態(tài)。土釘直徑越大，橫截面面積越大，被動(dòng)所受的土體的力為定值，故其應(yīng)力表現(xiàn)為數(shù)值更小。（2）土釘直徑從80 mm 至140 mm，安全系數(shù)看似在100 mm 時(shí)達(dá)到最大值，但實(shí)從數(shù)值范圍上得出，4種不同工況下的安全系數(shù)基本處于同一數(shù)值范圍內(nèi)，約為1.52，說明在土釘直徑的變化對(duì)維持邊坡土釘穩(wěn)定性影響較小，敏感性也更低。

表6 土釘布設(shè)工況三

3 結(jié)語

（1）在每級(jí)邊坡中部加土釘時(shí)，所受拉應(yīng)力最大。（2）隨著土釘間距從0.7 m 逐漸增加至2.8 m，土釘所受拉應(yīng)力呈增加趨勢(shì)，但增幅逐漸減小。（3）隨著土釘直徑從80 mm 不斷增加至140 mm，土釘所受拉應(yīng)力呈減小趨勢(shì)，但減小幅度逐漸變小。（4）在布設(shè)位置、間距、直徑三種敏感性因素中，對(duì)土釘所受拉應(yīng)力最為敏感的是土釘?shù)闹睆剑g距次之，布設(shè)位置最后。（5）土釘位置從一級(jí)邊坡的上部、中部至下部，所計(jì)算的安全系數(shù)逐漸增長(zhǎng)，大致呈線性相關(guān)關(guān)系。（6）土釘布設(shè)間距從0.7 m 逐漸調(diào)整至2.8 m，安全系數(shù)逐漸增長(zhǎng)，大致呈線性關(guān)系。（7）土釘直徑從80 mm 至140 mm，安全系數(shù)基本處于同一量級(jí)，約為1.52。（8）邊坡土體安全系數(shù)對(duì)加釘部位最為敏感，對(duì)間距的敏感性次之，對(duì)土釘直徑的敏感性最低。