土釘支護(hù)方式加固邊坡的應(yīng)力變形力學(xué)特性研究

計(jì) 陽

（南水北調(diào)中線實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司,北京 100070）

1 前言

土質(zhì)邊坡工程在實(shí)際邊坡施工中廣泛存在,其常受土體強(qiáng)度不足,自穩(wěn)定較差的影響,工程中廣泛采用土釘加固支護(hù)的方式對(duì)邊坡土體進(jìn)行加固,以提高開挖邊坡土體的穩(wěn)定性,使其在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)保持穩(wěn)定。工程領(lǐng)域的大量學(xué)者對(duì)土釘加固支護(hù)的方式的效果開展了研究。張宗領(lǐng)等[1]采用有限元方法對(duì)采用土釘支護(hù)方式的邊坡,在地震動(dòng)荷載作用下的變形和受力特性進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明：地震的發(fā)生使得邊坡土體的穩(wěn)定性變差,且土釘?shù)妮S力和變形也顯著增大。鄧東平等[2,3]對(duì)土釘支護(hù)邊坡采用擬靜力方法,分析了其在地震等動(dòng)力荷載發(fā)生時(shí)或存在條件下的穩(wěn)定性。分析結(jié)果表明：采用橫向和豎向相結(jié)合的條分方法,能夠有效預(yù)測(cè)土體在動(dòng)荷載作用下的變形及受力特性。董建華等[4]對(duì)一土釘加固邊坡進(jìn)行了數(shù)值模擬雙向地震作用研究。研究結(jié)果表明：動(dòng)力彈塑性有限元數(shù)值模擬方法,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)橫向和豎向、縱波和橫波同時(shí)作用的地震加速度條件下,邊坡的穩(wěn)定性分析與比較。

上述對(duì)土釘加固邊坡的相關(guān)研究,表明土釘支護(hù)方式對(duì)邊坡進(jìn)行加固在邊坡工程中廣泛采用,研究涉及土釘軸力、邊坡變形、含水邊坡加固效果等各個(gè)方面。本文根據(jù)邊坡加固工程,通過采用三維數(shù)值計(jì)算軟件,對(duì)邊坡在采用土釘加固方式條件下的支護(hù)效果進(jìn)行了研究。主要采用FLAC3D 軟件分析計(jì)算,對(duì)土釘加固條件下的邊坡受力及變形特性進(jìn)行了探討。

2 工程概況

南水北調(diào)中線工程,是從長(zhǎng)江最大支流漢江中上游橫跨湖北和河南兩省的丹江口水庫調(diào)水,在丹江口水庫東岸河南省淅川縣境內(nèi)工程渠首開挖干渠,經(jīng)長(zhǎng)江流域與淮河流域的分水嶺方城埡口,沿華北平原中西部邊緣開挖渠道,通過隧道穿過黃河,沿京廣鐵路西側(cè)北上,自流到北京市頤和園團(tuán)城湖的輸水工程。工程施工過程中部分渠段因地質(zhì)情況及自然條件等限制需要對(duì)邊坡需要加固處理,以保證工程輸水安全。某區(qū)段邊坡橫斷面圖見圖1,邊坡右側(cè)高34.5 m,邊坡底部長(zhǎng)130 m；邊坡分上中下三層,各層土體類型見圖1,各層土體材料的相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 各層材料物理力學(xué)參數(shù)

圖1 開挖邊坡橫斷面圖

3 數(shù)值模擬

3.1 模型的建立

由于圖1中所示邊坡形式較為復(fù)雜,因此本文在構(gòu)建上述邊坡模型時(shí),采用CAD 結(jié)合Rhino 軟件根據(jù)圖1中所示邊坡實(shí)際尺寸進(jìn)行模型構(gòu)建,首先畫出邊坡外圍輪廓,在分層界面處,采用多段線的方式對(duì)分層處的輪廓進(jìn)行描繪,最后輸入EXTRUDE 命令對(duì)上述平面邊坡模型在法向進(jìn)行延伸,延伸后導(dǎo)入犀牛軟件中,進(jìn)行相應(yīng)的網(wǎng)格剖分,采用四面體的網(wǎng)格剖分方式生成體網(wǎng)格,采用三角形的網(wǎng)格剖分方式生成網(wǎng)格,最后的模型圖見圖2。

圖2 構(gòu)建的邊坡及土釘加固模型

3.2 邊坡內(nèi)的變形及應(yīng)力特點(diǎn)

數(shù)值求解結(jié)束后,通過FLAC3D 自帶的繪制窗口及相應(yīng)的人機(jī)交互界面,繪制了邊坡在土釘加固條件下的整體變形位移云圖見圖3,同時(shí)為了研究邊坡土體在土釘加固條件下的應(yīng)力變化,繪制了相應(yīng)的整體邊坡受力變化特征圖,見圖4。

圖3 土釘加固邊坡位移云圖（單位：m）

圖4 土釘加固邊坡最大有效應(yīng)力云圖（單位：Pa）

邊坡在土釘加固條件下的整體變形位移云圖可知,土釘支護(hù)條件下的邊坡加固方式,對(duì)邊坡進(jìn)行加固后,邊坡內(nèi)張拉的最大位移為3.18×102m,最大張拉位移位于中部邊坡位置,處于邊坡中部的表層土體位移值普遍較大,而向土釘布置區(qū)域,邊坡土體的位移值迅速減小,減小速率約為0.25×102（量綱為1）,而由邊坡表層最大位移的土體向邊坡上方,位移值同樣逐漸減小,但是較小速率顯著小于下方有土釘加固的邊坡位移減小速率,約為0.05×102（量綱為1）,表明下部土釘起到了有效減小邊坡位移的作用,說明在多階梯同坡度的設(shè)計(jì)條件下,該土釘支護(hù)加固方式的加固效果明顯,在上部也應(yīng)采用類似下部的土釘加固方式進(jìn)行加固。

由整體邊坡受力變化特征圖可知,土釘支護(hù)條件下的邊坡加固方式,對(duì)邊坡進(jìn)行加固后,邊坡內(nèi)受壓的最大應(yīng)力為3.28×105Pa,最大受壓應(yīng)力位于邊坡最底部豎向方向的高度最大的位置處,而最小受壓應(yīng)力位于邊坡表層位置,和邊坡右側(cè)表面的豎向方向的高度較小位置區(qū)域,最小受壓應(yīng)力為2.5×104Pa,邊坡表層的受壓應(yīng)力的變化梯度較小,約為0.5×104Pa/m,隨著逐漸向邊坡下部,邊坡內(nèi)的受壓應(yīng)力變化梯度增大,最大約為1.52×104Pa/m,可見,應(yīng)力集中于邊坡體內(nèi),而在邊坡表層的應(yīng)力和應(yīng)力變化均較小。

3.3 邊坡內(nèi)土釘?shù)淖冃渭笆芰?/h3>

土釘?shù)墓ぷ餍阅苡绊懼吰碌姆€(wěn)定,為了研究土釘?shù)墓ぷ餍阅?在繪圖窗口繪制相應(yīng)的結(jié)構(gòu)部件變形及應(yīng)力圖,土釘?shù)奈灰圃茍D見圖5,主要展示了計(jì)算完成后土釘內(nèi)的位移特征,同時(shí)繪制了土釘?shù)妮S力云圖,主要展示了計(jì)算完成后土釘內(nèi)的軸力大小及分布特征。

圖5 邊坡內(nèi)的土釘位移云圖（單位：m）

圖5所示邊坡內(nèi)的土釘位移云圖可知,土釘支護(hù)條件下的邊坡加固方式,對(duì)邊坡進(jìn)行加固后,邊坡內(nèi)發(fā)生最大位移的土釘主要位于邊坡上部,最大位移值為2.2×102m,最大位移位于上部土釘?shù)亩瞬课恢?隨著逐漸向邊坡下部,土釘端部位置的最大位移值逐漸變小,至最下端的土釘,其端部最大位移值為8×103m,表明該邊坡采用土釘加固方式時(shí),在上部位置的土釘間距應(yīng)適當(dāng)減小,以使上部和下部的土釘位移值協(xié)調(diào)一致,更好地確保加固效果。

根據(jù)邊坡內(nèi)的土釘軸力云圖（圖6）可知,土釘支護(hù)條件下的邊坡加固方式,對(duì)邊坡進(jìn)行加固后,邊坡內(nèi)發(fā)生最大軸力的土釘主要位于邊坡中部,最大軸力值為7.14×102Pa,最大軸力沿著土釘?shù)恼L(zhǎng)度范圍,軸力值大小較為一致,表明土釘未產(chǎn)生偏壓受力現(xiàn)象,說明土釘?shù)牟贾媒嵌冗x擇是合理的；最小軸力值為2.51 Pa,位于邊坡上部的土釘沿其軸向方向的軸力值出現(xiàn)最小值；上述軸力分布特征表明土釘?shù)恼w布置合理,在邊坡上部應(yīng)適當(dāng)布置土釘,以減小其下部土釘?shù)钠珘菏芰Σ痪鶆颥F(xiàn)象。

圖6 邊坡內(nèi)的土釘軸力云圖（單位：Pa）

4 結(jié)論

本文通過采用三維數(shù)值計(jì)算軟件,分析南水北調(diào)工程某邊坡土釘加固方式條件下的支護(hù)效果,并對(duì)土釘加固條件下的邊坡受力及變形特性進(jìn)行了探討,得到如下結(jié)論：

（1）邊坡內(nèi)張拉的最大位移為3.18×102m,最大張拉位移位于中部邊坡位置,邊坡內(nèi)受壓的最大應(yīng)力為3.28×105Pa,最大受壓應(yīng)力位于邊坡最底部豎向方向的高度最大的位置處。

（2）邊坡內(nèi)發(fā)生最大位移的土釘主要位于邊坡上部,最大位移值為2.2×102m,最大位移位于上部土釘?shù)亩瞬课恢?邊坡內(nèi)發(fā)生最大軸力的土釘主要位于邊坡中部,最大軸力值為7.14×102Pa。

（3）上述邊坡內(nèi)最大張拉位移和最大應(yīng)力、土釘?shù)奈灰萍笆芰Ψ治鼋Y(jié)果,表明在多階梯同坡度的設(shè)計(jì)條件下,當(dāng)前土釘支護(hù)加固方式的加固效果明顯；同時(shí)說明在邊坡上部采用類似土釘加固方式進(jìn)行加固是可行的。