土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)路塹邊坡穩(wěn)定性的影響

吳華偉，尉立基，章海明

(1. 山西交通控股集團(tuán)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(shù)發(fā)展有限公司 太原市 030000)

土釘支護(hù)是一種用于邊坡加固的擋土技術(shù)或者用于深基坑開(kāi)挖支護(hù)的技術(shù)，土釘支護(hù)的一般形式為：在路塹開(kāi)挖或基坑開(kāi)挖坡面，用機(jī)械鉆孔或洛陽(yáng)鏟成孔，孔內(nèi)放鋼筋，并注漿，在坡面安裝鋼筋網(wǎng)，噴射C20厚80～100mm的混凝土，使土體、鋼筋與噴射混凝土面板結(jié)合形成的一種擋土支護(hù)結(jié)構(gòu)。該支護(hù)結(jié)構(gòu)相較于錨桿、排樁等支護(hù)形式，有經(jīng)濟(jì)、可靠、施工便捷等特點(diǎn)[1]。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，近些年來(lái)有不少學(xué)者都研究了運(yùn)用有限元軟件分析土釘支護(hù)在工程應(yīng)用的可靠性。宋二祥等[2]于1999年首次運(yùn)用有限元計(jì)算分析方法，分析土釘支護(hù)的變形與位移等情況。連鎮(zhèn)營(yíng)[3]等用有限元方法，土體采用彈塑性本構(gòu)模型對(duì)土釘支護(hù)進(jìn)行了邊開(kāi)挖邊支護(hù)的模擬分析。涂飛[4]對(duì)土釘間距、坡度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了深入分析。徐永政[5]分析了土釘長(zhǎng)度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。以往的研究往往注重某單一因素對(duì)土體穩(wěn)定性的影響，沒(méi)有全面地分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，更加沒(méi)有分析各個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素對(duì)土體影響的程度，不能很好地優(yōu)化土釘支護(hù)設(shè)計(jì)，指導(dǎo)施工。從土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)長(zhǎng)度、布設(shè)傾角、密度去分析對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響程度的大小。

1 土釘支護(hù)有限元模型建立

1.1 邊坡土體本構(gòu)模型及參數(shù)選取

目前在巖土分析過(guò)程中，土體常采用的本構(gòu)模型為Mohr-Coulomb(摩爾庫(kù)倫)和Drucker-Prager準(zhǔn)則，D-P準(zhǔn)則的形狀呈圓錐面，在數(shù)值計(jì)算過(guò)程中較為方便；M-C準(zhǔn)則形狀呈不規(guī)則的六角錐體，計(jì)算過(guò)程相較于D-P準(zhǔn)則更為復(fù)雜，但M-C準(zhǔn)則能夠更好地反應(yīng)巖土材料拉壓不等的特性，故其計(jì)算的準(zhǔn)確度往往更高[6]。比較這兩個(gè)土體的本構(gòu)關(guān)系之后，選取Mohr-Coulomb(摩爾庫(kù)倫)作為土體本構(gòu)模型。

現(xiàn)假設(shè)有一均質(zhì)土坡，其土體計(jì)算參數(shù)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(shù)選取

利用強(qiáng)度折減法的原理，通過(guò)計(jì)算可得土體的粘聚力與摩擦角各工況折減之后的參數(shù)具體如表2。

該路塹邊坡采用土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)，土釘?shù)牟荚O(shè)方式及材料的計(jì)算參數(shù)如表3。

在該路塹邊坡開(kāi)挖面，按照要求，掛網(wǎng)噴80mm厚C20混凝土。該混凝土面層的計(jì)算參數(shù)如表4。>

表2 土體折減之后的工況

工況折減系數(shù)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(jì)算參數(shù)選取

表4 混凝土面層計(jì)算參數(shù)選取

該路塹邊坡土體模型，計(jì)算單元采用CPE4(平面4節(jié)點(diǎn)應(yīng)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(wěn)定性計(jì)算

邊坡穩(wěn)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(qiáng)度折減有限元分析法。

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

折減后的抗剪強(qiáng)度參數(shù)可分別表達(dá)為：

(1)

φm=tan-1(tanφ/Fr)

(2)

式中，c和φ是土體所能提供的抗剪強(qiáng)度；cm和φm是維持平衡所需的抗剪強(qiáng)度；Fr是強(qiáng)度折減系數(shù)。目前判定土坡達(dá)到臨界破壞的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)主要有[8]：

(1)以數(shù)值計(jì)算是否收斂作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

(2)以特征部位的位移出現(xiàn)拐點(diǎn)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

(3)以PEMAG云圖是否貫通作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

2 計(jì)算結(jié)果分析

為研究邊坡土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)路塹邊坡土體穩(wěn)定性的影響程度，設(shè)計(jì)了三種不同工況：不同的土釘長(zhǎng)度、土釘布設(shè)傾角、土釘布設(shè)密度。通過(guò)其不同工況分析其對(duì)土釘所受拉應(yīng)力及邊坡土體安全系數(shù)的影響，最后得出其對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響程度，用于指導(dǎo)優(yōu)化土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.1 土釘長(zhǎng)度的影響

為研究土釘長(zhǎng)度對(duì)路塹邊坡土體安全系數(shù)與土釘所受拉應(yīng)力的的影響，考慮四種土釘長(zhǎng)度，具體工況如表5。

表5 土釘布設(shè)工況1

從有限元模型的分析模擬結(jié)果，提取不同的土釘長(zhǎng)度下的邊坡安全系數(shù)FV1，提取不同土釘布設(shè)位置下土釘所受拉應(yīng)力，其變化規(guī)律分別繪制于圖2、圖3。

(1)從圖2分析出，土釘長(zhǎng)度從5.5m至11.5m，其土釘所受的拉應(yīng)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(yīng)力隨土釘長(zhǎng)度的變化規(guī)律可以分析出，隨著土釘長(zhǎng)度的增加，土釘所受拉應(yīng)力整體趨勢(shì)是逐漸增加的，說(shuō)明土釘越長(zhǎng)控制的土體體積越大、承受的土體重量約大，但隨著土釘長(zhǎng)度的逐漸增加，土釘所受拉應(yīng)力增加的速率逐漸降低。

(2)從圖3分析出，土釘長(zhǎng)度從5.5m至11.5m， 路塹邊坡的安全系數(shù)分別為1.15、1.35、1.52、1.71，隨著土釘長(zhǎng)度的增加，安全系數(shù)也逐漸增加，呈線性關(guān)系；安全系數(shù)的增長(zhǎng)速率約為48%，土釘越長(zhǎng)對(duì)土體的穩(wěn)定越好，但在實(shí)際工程中還應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)性等復(fù)合因素。

2.2 土釘傾角的影響

為研究土釘布設(shè)傾角(與水平面的銳夾角)對(duì)路塹邊坡土體安全系數(shù)與土釘所受拉應(yīng)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(shè)工況2

從有限元模型的模擬結(jié)果，提取不同的土釘布設(shè)傾角的邊坡安全系數(shù)，提取不同土釘布設(shè)傾角下土釘所受拉應(yīng)力，其變化規(guī)律分別繪制于圖4、圖5。

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

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

2.3 土釘密度的影響

為研究土釘布設(shè)密度對(duì)路塹邊坡土體安全系數(shù)與土釘所受拉應(yīng)力的的影響，考慮土釘布設(shè)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(jié)果，提取不同的土釘直徑下的邊坡安全系數(shù)，提取不同土釘直徑下土釘所受拉應(yīng)力，其變化規(guī)律分別繪制于圖6、圖7。

表7 土釘布設(shè)工況3

(1)從圖6可以分析出，當(dāng)布設(shè)兩根土釘時(shí)，此時(shí)土釘所受最大拉應(yīng)力為18.7MPa，布設(shè)三根土釘時(shí)，土釘所受最大拉應(yīng)力為18.46MPa，布設(shè)四根土釘時(shí)，土釘所受最大拉應(yīng)力為18.43MPa，布設(shè)五根土釘時(shí)，土釘所受最大拉應(yīng)力為18.1MPa，從整體變化上看，隨著土釘?shù)脑龆?，土釘所受最大拉?yīng)力逐漸減小，但實(shí)際上從兩根土釘?shù)?根土釘，所受的最大拉應(yīng)力減小速率也僅為3.3%，基本變化不大。

(2)從圖7的曲線規(guī)律看出，整體上看，隨著土釘布設(shè)密度從兩根增加至5根，安全系數(shù)逐漸增大，對(duì)于維持路塹邊坡土釘有非常積極的作用，土釘數(shù)為2時(shí)，安全系數(shù)為1.48，土釘數(shù)量增加至3根時(shí)，安全系數(shù)此時(shí)為1.53，安全系數(shù)的增長(zhǎng)速率為3.3%；土釘布設(shè)數(shù)量增加至4根時(shí)，安全系數(shù)為1.61，安全系數(shù)增加速率為5.2%；土釘布設(shè)數(shù)量增加至5根時(shí)，安全系數(shù)為1.68，安全系數(shù)增加率為4.3%。各段增加速率，整體差異不大，呈線性相關(guān)。

3 結(jié)論

從土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的幾個(gè)重要設(shè)計(jì)參數(shù)長(zhǎng)度、布設(shè)傾角、布設(shè)密度出發(fā)，分析了各設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)路線邊坡土體穩(wěn)定性的影響程度，得出以下結(jié)論。

(1)土釘所受拉應(yīng)力隨著土釘長(zhǎng)度增長(zhǎng)呈二次拋物線式的增長(zhǎng)；土體安全系數(shù)隨著長(zhǎng)度從5.5m至11.5m，呈線性增長(zhǎng)，增長(zhǎng)幅度約為48%。說(shuō)明土釘越長(zhǎng)對(duì)土體穩(wěn)定性越好。

(2)土釘所受的拉應(yīng)力最大值在土釘布設(shè)傾角為10°時(shí)取得，傾角值為5°與15°時(shí)，所受拉應(yīng)力基本相當(dāng)，20°時(shí)最小；安全系數(shù)隨著布設(shè)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(shè)的密度的增加，土釘所受最大拉應(yīng)力逐漸減小，減小的程度小，基本處于同一量級(jí)；但隨著密度的增加，安全系數(shù)增長(zhǎng)速度略微明顯，增長(zhǎng)幅度約為13.5%。

(4)從安全系數(shù)的增長(zhǎng)幅度以及數(shù)值大小可以分析出，對(duì)路塹邊坡穩(wěn)定性影響最大的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)為土釘?shù)拈L(zhǎng)度，其次為土釘?shù)牟荚O(shè)傾角值，最后為土釘?shù)牟荚O(shè)密度。