坡度對(duì)土釘支護(hù)加固效果的影響研究

摘要：為了探究坡度對(duì)土釘加固路塹邊坡的支護(hù)作用，文章依托某公路路塹開挖工程，通過(guò)Midas GTS數(shù)值模擬軟件，對(duì)比研究了75°、63.5°、53°這3種不同邊坡坡度條件下的土釘軸力大小變化特征，得出了該種土釘加固方式下的較為合理的路塹邊坡坡度。

關(guān)鍵詞：深路塹；數(shù)值模擬；土釘墻；噴射混凝土；坡率

0引言

土釘加固由于具有施工速度快、施工便捷、成本低廉、加固效果明顯（尤其對(duì)土質(zhì)較好的邊坡）的優(yōu)點(diǎn)，在路塹邊坡工程設(shè)計(jì)中受到普遍青睞并在實(shí)際工程中得到廣泛應(yīng)用。學(xué)者們針對(duì)土釘支護(hù)方式的加固效果做了大量研究工作，盧敦華等［1］應(yīng)用應(yīng)變軟化模型針對(duì)巖土體材料的特性進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明：應(yīng)變軟化模型結(jié)合FLAC 3D軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)模擬路塹的位移和受力的合理表征。王輝等［2-3］提出了采用穩(wěn)定性分析的新思路對(duì)錨桿復(fù)合土釘支護(hù)體系受力情況進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明：最小勢(shì)能法能夠計(jì)算并有效反映上述支護(hù)體系的真實(shí)受力狀態(tài)。郭紅仙等［4］針對(duì)土釘設(shè)置長(zhǎng)度對(duì)加固后的路塹穩(wěn)定性的影響問(wèn)題，采用平衡分析方法進(jìn)行了深度研究。分析結(jié)果表明：在不同地質(zhì)條件的路塹中，土釘長(zhǎng)度根據(jù)路塹深度設(shè)計(jì)成不同的路塹深度比加固效果最佳。孫林娜等［5-6］提出了采用FLAC 3D軟件建立三維模型研究支護(hù)結(jié)構(gòu)間的協(xié)同作用機(jī)理。模擬結(jié)果表明：不同的墻釘比，支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)各不相同。李浩等［7-8］專門就土釘加固方式中主要設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)加固完成后的邊坡安全性的影響進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明：朗肯土壓力理論能夠用于有效了解土釘安設(shè)角度以及邊坡土的力學(xué)特性的相關(guān)因素對(duì)加固效果進(jìn)行影響分析。郝明輝等［9］采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則研究了如何計(jì)算和有效反映土釘對(duì)邊坡的加固作用。研究結(jié)果表明：涉及土釘?shù)南嚓P(guān)參數(shù)諸如間距、長(zhǎng)度等對(duì)邊坡安全系數(shù)有較大影響。

由以上討論可知：當(dāng)前針對(duì)土釘加固支護(hù)方式和土釘和錨桿復(fù)合加固支護(hù)體系的加固效果研究成果頗多，然而對(duì)于路塹邊坡坡度帶來(lái)的對(duì)加固效果的影響研究較少。本文依托某公路路塹開挖邊坡工程，通過(guò)Midas GTS軟件建立了路塹邊坡的土釘加固支護(hù)模型進(jìn)行二維條件下的土釘支護(hù)效果研究，主要通過(guò)對(duì)比3種不同邊坡坡度條件下的土釘軸力大小變化特征，提出了該種土釘加固方式下的較為合理的路塹邊坡坡度。

1 工程概況

某公路路線全長(zhǎng)3.258 km，二級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)，路面寬12 m，兩側(cè)各設(shè)0.5 m路邊石，路基全寬13 m。路面為瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)。部分路段需開挖路塹，開挖模型如圖1所示，開挖深度為5.8 m，周邊有20 kPa的均布荷載分布，采用土釘墻加噴射混凝土支護(hù)，土釘設(shè)計(jì)為20 mmHRB400鋼筋。共設(shè)計(jì)3排土釘，每排土釘長(zhǎng)度為5 m，斜向下以15°打入土體中，同時(shí)加設(shè)預(yù)應(yīng)力抗拉強(qiáng)度為30 MPa。土層自上而下共設(shè)有3層，雖均為第四紀(jì)粉質(zhì)黏土，但每個(gè)土層的物理力學(xué)參數(shù)有一定差異，自上而下分別為土層1、土層2、土層3，各土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

2 數(shù)值模型的建立

根據(jù)上述邊坡工程開挖模型采用Midas GTS軟件對(duì)照進(jìn)行合理建模，通過(guò)網(wǎng)格剖分，將路塹邊坡工程模型剖分為7 052個(gè)有限單元體，單元節(jié)點(diǎn)數(shù)共計(jì)7 021個(gè)。按照表1所示的自上而下的各土層物理力學(xué)參數(shù)對(duì)其各個(gè)區(qū)域的巖土體材料性質(zhì)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和賦值。

邊界條件設(shè)置：路塹左右兩側(cè)均為固定邊界約束，底部也為固定邊界約束，上部及路塹開挖深度范圍內(nèi)的土體邊坡坡面和底部均為自由約束。其中邊坡坡度共設(shè)計(jì)了75°、63.5°、53°3種工況條件。

3 計(jì)算結(jié)果分析

為了對(duì)不同邊坡坡度條件下的土釘受力特性進(jìn)行分析，分別進(jìn)行了75°、63.5°、53°邊坡坡度3種工況條件的土釘加固路塹邊坡的穩(wěn)定性求解計(jì)算，通過(guò)出圖操作導(dǎo)出計(jì)算的土釘軸力圖，得到了75°邊坡坡度條件下的土釘加固路塹邊坡的土釘軸力變化云圖，如圖2所示；63.5°邊坡坡度條件下的土釘加固邊坡的土釘軸力變化云圖，如圖3所示；53°邊坡坡度條件下的土釘加固邊坡的土釘軸力變化云圖，如圖4所示；最后，通過(guò)將各排土釘軸力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并繪制了如圖5所示的3種坡度條件下的各排土釘?shù)妮S力大小分布圖。

3.1 路塹邊坡為75°

當(dāng)邊坡坡度設(shè)置為75°時(shí)，通過(guò)計(jì)算，并繪制相應(yīng)的軸力變化云圖，獲得了如圖2所示的土釘軸力大小分布變化云圖。

由圖3可知，路塹邊坡坡度為75°條件下第一排土釘最大軸力約為24.4 kN，最大軸力沿土釘長(zhǎng)度近似平均分布；第二排土釘?shù)淖畲筝S力約為37.6 kN，最大軸力集中分布于靠近開挖邊界的端部；第三排土釘?shù)淖畲筝S力約為39.3 kN，最大軸力同樣集中分布于靠近開挖邊界的端部并呈現(xiàn)出向深處逐漸變小的趨勢(shì)，但最大軸力分布范圍較第二排土釘更大。

3.2 路塹邊坡為63.5°

由圖3可知，路塹邊坡坡度為63.5°條件下第一排土釘最大軸力約為17.9 kN，最大軸力沿土釘長(zhǎng)度近似平均分布；第二排土釘?shù)淖畲筝S力約為30.4 kN，最大軸力集中分布于靠近開挖邊界的端部；第三排土釘?shù)淖畲筝S力約為34.1 kN，最大軸力同樣集中分布于靠近開挖邊界的端部并呈現(xiàn)出向深處逐漸變小的趨勢(shì)，但最大軸力分布范圍較第二排土釘更大。

3.3 路塹邊坡為53°

由圖4可知，路塹邊坡坡度為53°條件下第一排土釘最大軸力約為14.3 kN，最大軸力沿土釘長(zhǎng)度近似平均分布；第二排土釘?shù)淖畲筝S力約為27.3 kN，最大軸力集中分布于靠近開挖邊界的端部；第三排土釘?shù)淖畲筝S力約為30.1 kN，最大軸力同樣集中分布于靠近開挖邊界的端部并呈現(xiàn)出向深處逐漸變小的趨勢(shì)，但最大軸力分布范圍較第二排土釘更大。

由上述分析可知：隨著路塹邊坡坡率的降低，土釘?shù)淖畲蠛妥钚≥S向拉力均逐漸減小，將上述各工況每排土釘軸力變化統(tǒng)計(jì)，繪制出如圖5所示的各排土釘軸力隨邊坡坡度變化曲線圖。

由圖5（a）可知，第一排土釘?shù)淖畲蟆⒆钚≥S力均隨著路塹邊坡逐漸趨緩而變小，而圖5（b）、5（c）中的第二、三排土釘最大、最小軸力隨著路塹邊坡坡度減小呈逐漸變小的特征。相對(duì)于坡度為75°邊坡，63.5°邊坡的第一排土釘最大軸力降低了約11.6%，第二排土釘?shù)淖畲筝S力降低了約15.4%，第三排土釘?shù)淖畲筝S力降低了約14.3%；53°邊坡的第一排土釘最大軸力降低了約19.5%，第二排土釘?shù)淖畲筝S力降低了約20.3%，第三排土釘?shù)淖畲筝S力降低了約50.4%。3種工況下土釘抗拉強(qiáng)度利用率（軸向拉應(yīng)力/0.7倍抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值）依次為：49.7%、43.1%、39.2%。

4 結(jié)語(yǔ)

本文依托某公路路塹開挖邊坡工程，通過(guò)Midas GTS軟件進(jìn)行了不同邊坡坡度條件下的土釘軸力分布變化分析，得到如下結(jié)論：

（1）各坡度條件下，第一排土釘最大軸力均為最小，且最大軸力沿土釘長(zhǎng)度近似均勻分布；第二排、第三排土釘最大軸力集中分布于靠近開挖邊界的端部，向深處逐漸變小的趨勢(shì)。

（2）相對(duì)于坡度為75°，63.5°邊坡的土釘最大軸力降低幅度自第一排至第三排逐漸增大；53°邊坡各排土釘最大軸力降低了約19.5%，第二排土釘?shù)淖畲筝S力降低了約20.3%，第三排土釘?shù)淖畲筝S力降低了約50.4%，降低幅度最大。

（3）3種工況下土釘抗拉強(qiáng)度利用率（軸向拉應(yīng)力/0.7倍抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值）依次為：49.7%、43.1%、39.2%。均滿足規(guī)范要求。實(shí)際工程中可根據(jù)場(chǎng)地要求進(jìn)行邊坡開挖的坡度設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

［1］盧敦華，王星華.基于應(yīng)變軟化模型的深基坑土釘加固分析［J］.解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，10（1）：61-66.

［2］王 輝，趙 雪，程建華.考慮釘錨耦合的支護(hù)體系最小勢(shì)能分析［J］.廣西大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，46（2）：253-258.

［3］王麗萍，張 嘎，張建民，等.土釘加固黏性土坡動(dòng)力離心模型試驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28（6）：1 226-1 230.

［4］郭紅仙，周 鼎.軟土中基坑土釘支護(hù)穩(wěn)定性問(wèn)題探討［J］.巖土力學(xué)，2018，39（S2）：398-404.

［5］孫林娜，徐福賓.水泥土墻復(fù)合土釘墻的協(xié)同作用機(jī)理數(shù)值模擬［J］.華僑大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020，41（3）：314-322.

［6］黎永索，林 杭.土釘與土體相互作用的仿真試驗(yàn)分析［J］.中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2008（2）：76-79，113.

［7］李 浩，白海波，韓立軍，等.土釘安設(shè)位置與角度對(duì)邊坡加固效果影響分析［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2016，12（2）：496-502.

［8］李朝方，龍鳳華.土釘在河道老舊岸墻補(bǔ)強(qiáng)加固中的應(yīng)用［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2021（1）：108-112.

［9］郝明輝，張 紅，彭 濤，等.土釘加固邊坡穩(wěn)定性分析的等效參數(shù)提高方法［J］.水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2014，12（4）：32-37.

作者簡(jiǎn)介：趙東戈（1988—），工程師，研究方向：公路橋梁養(yǎng)護(hù)工程。