土釘加固施工效果對邊坡穩(wěn)定性的影響研究

王繼虎

(濟(jì)寧市水利工程施工公司，山東 濟(jì)寧 272000)

1 概 述

土釘支護(hù)加固的方式因施工工期短、造價相對低廉而在放坡基坑工程的邊坡、常見路基邊坡和其他邊坡工程中得到大量應(yīng)用，但針對其施工質(zhì)量控制和加固效果的研究較少。宋廣等[1-2]為了研究微樁復(fù)合土釘支護(hù)形式相對于傳統(tǒng)單純采用土釘支護(hù)形式對邊坡進(jìn)行加固的優(yōu)越性，基于某實例基坑邊坡支護(hù)工程，在有限元中進(jìn)行了兩種支護(hù)形式下的邊坡工程的模擬計算，通過對比分析其各自相應(yīng)的土體變形特征，得出微樁復(fù)合土釘支護(hù)形式的加固方式在控制橫向變形和減小土釘軸力上的優(yōu)點，為復(fù)合加固方式在工程中的優(yōu)化應(yīng)用提供了有效幫助。李英俊等[3-4]研究了地震作用下，邊坡土體的滑移對土釘軸力變化構(gòu)成的多方面影響，得出土釘軸力隨地震發(fā)生和邊坡變形位移變化時的量化計算結(jié)果，通過實例驗證和搜集文獻(xiàn)中的試驗結(jié)果得出該計算結(jié)果的合理性。王翠英等[5-6]利用SLIDE軟件，對采用復(fù)合土釘支護(hù)形式的商住樓基坑邊坡工程進(jìn)行了變形穩(wěn)定性探討，結(jié)果證明其與實測基坑變形數(shù)據(jù)吻合，為后續(xù)施工變形預(yù)測提供了借鑒。郅彬等[7-8]針對復(fù)合土釘支護(hù)形式在黃土地質(zhì)條件下的邊坡工程中的適用性與受力特征進(jìn)行了研究，并以黃土地區(qū)某采用復(fù)合土釘支護(hù)加固形式的邊坡工程為依托，主要采用現(xiàn)監(jiān)測的方式獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，并采用數(shù)值分析進(jìn)行計算分析，將兩種手段下獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對照研究，結(jié)果表明復(fù)合土釘相對于純土釘支護(hù)方式能夠有效加強黃土邊坡的穩(wěn)定性，為復(fù)合土釘在黃土地質(zhì)條件下邊坡工程中的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。吳坤銘等[9-10]為了使土釘支護(hù)形式在基坑工程的應(yīng)用更加合理化，進(jìn)行了隨機變量條件下的可靠度計算，實例驗證了利用可靠度理論函數(shù)進(jìn)行基坑土釘支護(hù)形式的設(shè)計計算是合理的。陳兵等[11]研究了在地震荷載作用下的穩(wěn)定性，采用ABAQUS有限元軟件，進(jìn)行了不同季節(jié)條件下熱-動力耦合計算模擬邊坡變形位移響應(yīng)特性，為土釘支護(hù)形式的加固方式在季節(jié)性凍土邊坡工程中的應(yīng)用提供了參考。

本文對位于山東省濟(jì)寧市任城區(qū)的某建筑基坑土質(zhì)邊坡工程的土釘支護(hù)施工效果開展研究，通過模擬同一土釘支護(hù)設(shè)計方案在兩種不同的施工質(zhì)量下，土釘加固邊坡后的邊坡穩(wěn)定性參數(shù)特征，得出在有效保證施工質(zhì)量情況下的穩(wěn)定性顯著大于施工質(zhì)量較差的情況。基于此，提出在工程設(shè)計方案確定后，一定保證在施工階段的施工質(zhì)量控制，這是保證土釘支護(hù)方式有效發(fā)揮相應(yīng)效應(yīng)的前提。

2 工程地質(zhì)

擬建邊坡工程位于山東省濟(jì)寧市任城區(qū)內(nèi)，為一建筑基坑土質(zhì)邊坡工程，邊坡工程土體主要為第四紀(jì)沉積黏土，其相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)見表1。計劃隨著基坑不斷放坡開挖，對基坑邊坡采用土釘支護(hù)加固的方式進(jìn)行加固處理，以增強邊坡的變形穩(wěn)定性，見圖1。計劃開挖坡長10 m，為了有效保證基坑旁上方道路留有足夠空間供材料運輸?shù)能囕v通過，設(shè)計坡頂長18 m，坡高15 m，坡底長12 m。

表1 第四紀(jì)黏土層參數(shù)

圖1 基坑邊坡剖面

3 Geo-studio軟件介紹

Geo-studio軟件具有較強的可供用戶選擇的建模和進(jìn)行多種分析的模塊，而且針對同一模型可以進(jìn)行不同條件下的變形分析。在Slope模塊，使用者可以建立一個邊坡模型，同時進(jìn)行支護(hù)和無支護(hù)條件下的模擬計算分析，也可以進(jìn)行變支護(hù)條件下的計算分析，通過設(shè)置不同的支護(hù)材料相關(guān)力學(xué)參數(shù)大小，實現(xiàn)同一模型不同支護(hù)條件下的模擬計算。例如，在進(jìn)行支護(hù)效果研究中，可以將其中支護(hù)施工質(zhì)量達(dá)到要求的土釘或者錨桿設(shè)置成真實的設(shè)計承受荷載能力，而相應(yīng)的沒有達(dá)到施工質(zhì)量控制要求的，可以將力學(xué)強度參數(shù)值設(shè)置成較小值，而將完全沒有達(dá)到施工質(zhì)量的桿件設(shè)置成0，這樣可以實現(xiàn)在變參數(shù)條件下的邊坡穩(wěn)定性分析研究。

4 邊坡體模型創(chuàng)建

根據(jù)圖1中的基坑邊坡模型，通過Geo-studio中繪制區(qū)域的方式，建立多邊形形式的邊坡整體區(qū)域。通過輸入材料選項，建立兩種材料參數(shù)屬性：一種為土釘?shù)南嚓P(guān)參數(shù)設(shè)置；另一種為土體的相關(guān)材料屬性設(shè)置。在進(jìn)行土釘?shù)南嚓P(guān)材料屬性設(shè)置時，應(yīng)將土釘?shù)奈恢靡徊⒃O(shè)置，通過將設(shè)置好的材料屬性給以區(qū)域，即可使區(qū)域?qū)崿F(xiàn)由黏土組成，并且由土釘加固支護(hù)。由于研究部分土釘施工質(zhì)量不良時對邊坡穩(wěn)定性的影響，因此在進(jìn)行第二個分析時，應(yīng)將假設(shè)施工質(zhì)量不良的土釘參數(shù)設(shè)置成較小值。假設(shè)上部3根施工質(zhì)量均不良，因此將上部3根土釘?shù)目估瓘姸仍O(shè)置成0 kPa。基坑邊坡分析模型見圖2。

圖2 基坑邊坡分析模型

5 模擬結(jié)果

通過對施工質(zhì)量控制良好條件下的基坑邊坡穩(wěn)定性分析與施工質(zhì)量不良條件下造成上部3根土釘未有效發(fā)揮作用時的基坑邊坡穩(wěn)定性分析，得出有效保證施工質(zhì)量在邊坡工程中采用土釘加固形式下實現(xiàn)邊坡穩(wěn)固的重要性。

5.1 施工質(zhì)量良好

圖3為在保證4根設(shè)計的土釘都施工良好條件下的基坑邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果，圖3中包括土條劃分形式和相應(yīng)的計算求解的臨界滑面及臨界滑面的安全系數(shù)結(jié)果。由圖3可知，在采用土釘加固并有效保證施工質(zhì)量的條件下，土質(zhì)基坑邊坡的穩(wěn)定性明顯較好，臨界滑面的安全系數(shù)為1.474，大于1，并大于《建筑基坑設(shè)計規(guī)范》(JGJ 120-2012)中規(guī)定的1.2的安全系數(shù)，能夠可靠保證基坑內(nèi)相關(guān)基礎(chǔ)建設(shè)施工的順利進(jìn)行。

圖3 施工質(zhì)量良好時邊坡穩(wěn)定性

圖4為施工質(zhì)量良好情況下的土坡臨界滑面的抗剪強度大小分布情況。由圖4可知，采用土釘加固形式并有效保證各個土釘?shù)氖┕べ|(zhì)量時，臨界滑面上的最大土體抗剪強度約為130 kPa，土體與臨界滑面之間的摩擦強度隨著X值的增大先是逐漸增大，而后又迅速減小至20 kPa左右；在保持一段距離不變后，又緩慢減小至零。

圖4 施工質(zhì)量良好的滑面抗剪強度

5.2 施工質(zhì)量不佳

圖5為施工質(zhì)量不佳條件下僅有一根土釘發(fā)揮加固土體的作用，圖5中包括土條劃分形式和相應(yīng)的計算求解的臨界滑面及臨界滑面的安全系數(shù)結(jié)果。由圖5可知，在采用但是施工質(zhì)量沒有得到有效保證的條件下，土質(zhì)基坑邊坡的穩(wěn)定性明顯較差，臨界滑面的安全系數(shù)僅為1.062，略大于1，但是小于《建筑基坑設(shè)計規(guī)范》(JGJ 120-2012)中規(guī)定的1.2的安全系數(shù)，一定程度上不能可靠保證基坑內(nèi)相關(guān)基礎(chǔ)建設(shè)施工的順利進(jìn)行。

圖5 施工質(zhì)量不佳時邊坡穩(wěn)定性

圖6為施工質(zhì)量不佳情況下的土坡臨界滑面的抗剪強度大小分布情況。

圖6 施工質(zhì)量不佳的滑面抗剪強度

由圖6可知，采用土釘加固形式但只有最下方一根土釘施工質(zhì)量良好并發(fā)揮了相應(yīng)作用時，臨界滑面上的最大土體抗剪強度約為100 kPa，顯然小于4根土釘均發(fā)揮作用時的最大土體抗剪強度。土體與臨界滑面之間的摩擦強度隨著X值的增大先是逐漸增大，而后又迅速減小至略大于0 kPa值處，在保持一段距離不變后，又緩慢減小至零。

6 結(jié) 論

1) 在有效保證施工質(zhì)量的條件下，土釘加固有效加強了土體抗剪強度，土質(zhì)基坑邊坡臨界滑面的安全系數(shù)大小為1.474，大于《建筑基坑設(shè)計規(guī)范》(JGJ 120-2012)中規(guī)定的1.2的安全系數(shù)，能夠可靠保證基坑內(nèi)相關(guān)基礎(chǔ)建設(shè)施工的順利進(jìn)行。

2) 在施工質(zhì)量沒有得到有效保證的條件下，土釘加固土體抗剪強度的加強有限，臨界滑面的安全系數(shù)僅為1.062，小于《建筑基坑設(shè)計規(guī)范》(JGJ 120-2012)中規(guī)定的1.2的安全系數(shù)，不能夠可靠保證基坑內(nèi)相關(guān)基礎(chǔ)建設(shè)施工的順利進(jìn)行。

3) 在采用土釘加固形式對土質(zhì)邊坡進(jìn)行加固時，施工單位在施工人員進(jìn)行施工時應(yīng)進(jìn)行實時監(jiān)督，有效保證施工質(zhì)量，確保每一根土釘都有效發(fā)揮作用。