土釘支護(hù)邊坡的極限平衡法分析

摘要：極限平衡法是邊坡穩(wěn)定性分析中常用的方法。本文分析了坡度為45°和60°情況下，分別采用在0°、15°和30°三種不同坡度土釘加固。對(duì)比分析安全系數(shù)、臨界滑動(dòng)面和釘力等穩(wěn)定性參數(shù)。極限平衡法具有更高的安全系數(shù)。

Abstract： The limit equilibrium method is a commonly used method in slope stability analysis. This paper analyzes the use of soil nails with three different slopes at 0°， 15° and 30° when the slope is 45° and 60°， contrasts and analyzes stability parameters such as safety factor， critical sliding surface and nail force. The limit equilibrium method has a higher safety factor.

關(guān)鍵詞：極限平衡;有限元;安全系數(shù);滑動(dòng)面;釘力

Key words： limit equilibrium;finite element;safety factor;sliding surface;nail force

中圖分類號(hào)：TU476 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2020）15-0160-04

0 ?引言

土釘支護(hù)已成為一種有效的邊坡支護(hù)技術(shù)。采用土釘支護(hù)技術(shù)，可以改善邊坡的穩(wěn)定性。加筋邊坡的穩(wěn)定性分析一直是許多研究者采用傳統(tǒng)的極限平衡法進(jìn)行的。這些極限平衡法也稱為“切片法”，是基于將破壞質(zhì)量分成切片的概念，并對(duì)層間力分布進(jìn)行一定的假設(shè)，以計(jì)算安全系數(shù)。這些假設(shè)通常集中在層間力的傾角或位置以及假定幾何體（如對(duì)數(shù)螺旋、楔形和圓形）的預(yù)先選擇的滑動(dòng)面上。

本文試圖用SLOPE/W軟件分析土釘支護(hù)邊坡的響應(yīng)。在45°和60°不同坡度條件下，采用0°、15°和30°的土釘水平傾角，對(duì)土釘支護(hù)邊坡進(jìn)行了數(shù)值模擬。分析安全系數(shù)、破壞滑動(dòng)面和釘力。

1 ?極限平衡法加固邊坡穩(wěn)定性分析

1.1 基于SLOPE/W的建模與分析

本文采用45°和60°兩種不同的坡度邊坡進(jìn)行了模擬。用土釘加固，土釘傾斜角度分別為0°、15°和30°。SLOPE/W包通過(guò)定義土坡的區(qū)域來(lái)實(shí)現(xiàn)土坡的施工。用于實(shí)驗(yàn)研究的邊坡模型的尺寸按比例縮小，并采用1cm∶0.5m的比例輸入模型SLOPE/W中。

邊坡加固的研究主要是采用釘單元進(jìn)行的。分析中使用的模擬模型如圖2所示。在極限平衡包中的所有其他方法中，分析是通過(guò)Morgenstern-Price方法進(jìn)行的，該方法使用層間剪力和層間法向力之間的關(guān)系。分析中選擇的層間函數(shù)是一個(gè)半正弦函數(shù)，其安全系數(shù)分布計(jì)算為常數(shù)。表1總結(jié)了模型中使用的土壤和土釘特性。

1.2 邊坡安全系數(shù)

對(duì)于45°的坡度和15°的土釘傾斜度，用極限平衡法計(jì)算的安全系數(shù)為1.82。同樣，對(duì)于60°的坡度，當(dāng)釘子傾斜15°時(shí)，安全系數(shù)最高為1.53。從表2可以看出，安全系數(shù)從0°到15°增加，從15°到30°減少。在45°和60°的坡度角下都觀察到這種模式。SLOPE/W采用的Morgenstern-Price方法使用k值來(lái)檢查結(jié)果的收斂性。

2 ?邊坡破壞滑動(dòng)面

從圖2（a）、（b）和（c）可以看出，對(duì)于45°的加筋邊坡，產(chǎn)生了圓形滑動(dòng)面。在釘子傾斜0°和15°的情況下，滑動(dòng)面穿過(guò)整個(gè)頂部。當(dāng)釘子傾斜30°時(shí)，可以觀察到更小的滑動(dòng)面。滑動(dòng)面的黑色陰影部分表示具有相同安全系數(shù)的試驗(yàn)滑動(dòng)面帶。

對(duì)于60°斜坡，從圖3（a）、（b）、（c）可以看出滑動(dòng)面是圓形的。對(duì)于土釘傾角為0°和15°的斜坡，安全系數(shù)的變化很小。這是由滑動(dòng)面的黑色陰影部分表示的。而30°土釘斜加固的60°邊坡滑動(dòng)破壞較小，臨界滑動(dòng)面靠近邊坡面。

3 ?土釘軸向力分布

從圖4（a）、（b）中可以看出，0°、15°和30°的底部釘承受45°和60°斜率的最大釘軸向力。對(duì)于0°和15°的釘子傾角，軸向力從上釘?shù)街嗅斣黾樱箩斪畲?。而?duì)于30°斜釘45°斜面，在上、中、下釘中發(fā)現(xiàn)軸向力為100kN。同樣，在60°坡度中，上、中、下釘?shù)妮S向力為66.66kN，30°釘傾斜。100°kN的最大軸向力在45°傾斜的底部釘中，在30°處釘傾斜。在60°坡度下，釘頭傾斜度為0°的底釘承受最大軸向力為71.67kN。

4 ?土釘長(zhǎng)度對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響

通過(guò)對(duì)邊坡的分析，發(fā)現(xiàn)在滑動(dòng)破壞過(guò)程中，模擬和移動(dòng)的釘子長(zhǎng)度隨著釘子的傾斜和位置的變化而變化。所有傾斜0°、15°和30°的釘子最初都是用7m的恒定長(zhǎng)度換算成比例進(jìn)行建模的。SLOP/W分析得出，在兩個(gè)坡度角中，30°的釘子傾斜，使不到50%的釘子長(zhǎng)度移動(dòng)，以抵抗坡度破壞。對(duì)于另外兩個(gè)0°和15°的釘子傾斜，發(fā)現(xiàn)超過(guò)90%的釘子長(zhǎng)度被用來(lái)抵抗剪切作用。結(jié)果表明，如果破壞面采用最大釘長(zhǎng)，則釘?shù)膹?qiáng)化作用被完全調(diào)動(dòng)。表3給出了活動(dòng)釘子長(zhǎng)度百分比的匯總。加筋邊坡的LE分析也說(shuō)明了土釘?shù)暮奢d傳遞機(jī)制是由土釘?shù)目拱瘟蚩估芰Q定的。

對(duì)于45°坡度上的30°釘子傾斜度，釘子被發(fā)現(xiàn)斷裂，用虛線表示（圖5）。這也代表了這樣一個(gè)事實(shí)：釘子已經(jīng)完全利用了它的拔出能力，現(xiàn)在正在通過(guò)它的拉伸能力轉(zhuǎn)移荷載。如圖6所示，在60°加筋邊坡和30°加筋邊坡中觀察到類似的釘荷載傳遞機(jī)制模式。

LEM分析中觀察到最大釘力在底部釘，LEM預(yù)測(cè)45°比60°坡角處的底釘力大。這可能是由于覆蓋層隨著深度的增加而增加。頂部土釘承受坡頂覆蓋層，底部土釘承受最大法向力，因此承受較大的剪切力。剪切力的增加導(dǎo)致底部土釘?shù)妮S向力增大。因此，在LEM 60°坡腳處，土釘?shù)尼斄^低可歸因于荷載傳遞期間土釘?shù)氖А?/p>

5 ?結(jié)論

通過(guò)本文的研究，得出以下結(jié)論：

①極限平衡法分析結(jié)果均表明，最穩(wěn)定的邊坡為15°釘斜水平加筋邊坡。②土釘傾角的增加不會(huì)增加邊坡的穩(wěn)定性。在0°～15°范圍內(nèi)，隨著釘子傾角由15°～30°的變化，坡度FOS逐漸增大。③極限平衡法的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面位于離邊坡較遠(yuǎn)的位置。④極限平衡法計(jì)算的釘力值較高，且隨釘位的變化而變化。⑤極限平衡法能預(yù)測(cè)釘子荷載傳遞機(jī)理中的極限狀態(tài)，即拔出能力、拉伸能力或面層能力。破壞面與釘子長(zhǎng)度的交點(diǎn)決定了哪種情況已經(jīng)被激活。⑥極限平衡法的結(jié)果取決于釘長(zhǎng)和鍵長(zhǎng)。具有較長(zhǎng)釘粘結(jié)長(zhǎng)度的斜坡比沒(méi)有粘結(jié)長(zhǎng)度的斜坡更穩(wěn)定。

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作者簡(jiǎn)介：劉海濤（1986-），男，寧夏靈武人，本科，學(xué)士，工程師，研究方向?yàn)閹r土工程。