不同坡度下土釘軸力分布及加固效果分析探究

劉力 胡騰

（湖北交投智能檢測(cè)股份有限公司，湖北 武漢 430030）

0 引言

由于施工速度快且便捷，支護(hù)方式成本低廉，加固效果明顯，土釘加固在路塹邊坡工程設(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，盧敦華等[1]應(yīng)用應(yīng)變軟化模型針對(duì)巖土體材料的特性展開(kāi)了研究。結(jié)果表明，應(yīng)變軟化模型結(jié)合三維數(shù)值模擬軟件FLAC3D，能夠模擬路塹位移和受力的合理表征。王輝等[2，3]提出了采用穩(wěn)定性分析的新思路研究錨桿復(fù)合土釘支護(hù)體系受力情況。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)定性影響問(wèn)題，采用平衡分析方法開(kāi)展了深度研究。分析結(jié)果顯示，在不同地質(zhì)條件下，通過(guò)路塹深度設(shè)計(jì)不同的土釘長(zhǎng)度可實(shí)現(xiàn)最佳加固效果。孫林娜等[5，6]提出了采用FLAC3D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]專門研究了土釘加固方式中主要設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)加固完成后邊坡安全性的影響。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)角度及邊坡土力學(xué)特性相關(guān)因素對(duì)加固效果影響的分析。郝明輝等[9]采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則研究了如何計(jì)算并有效反映土釘對(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。楊智等依托快速拉格朗日元數(shù)值方法模擬了施工中土釘與土體的相互作用機(jī)理。模擬結(jié)果表明，開(kāi)挖越深對(duì)土體的擾動(dòng)越大，且不同高度處設(shè)置的土釘受力特點(diǎn)亦有不同。

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、錨桿”復(fù)合加固支護(hù)體系的加固效果研究成果頗多，針對(duì)路塹邊坡坡度對(duì)加固效果的影響研究較少。本文依托某公路路塹開(kāi)挖邊坡工程，通過(guò)MIDAS/GTS數(shù)值模擬軟件建立了路塹邊坡的土釘加固支護(hù)模型，用于研究二維條件下土釘支護(hù)效果，主要通過(guò)對(duì)比三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中較為合理的路塹邊坡坡度。

1 工程概況

某公路路線全長(zhǎng)3.258km，按照二級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，單幅路面寬12m，兩側(cè)各設(shè)0.5m路邊石，路基全寬13m。路面為瀝青混凝土結(jié)構(gòu)。部分路段須開(kāi)挖路塹，開(kāi)挖模型如圖1所示，開(kāi)挖深度為5.8m，周邊有20kPa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HRB400鋼筋，采用φ20mm。共設(shè)計(jì)3排土釘，每排土釘長(zhǎng)度為5m，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30MPa。土層自上而下共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。

圖1 實(shí)體工程模型

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

2 數(shù)值模型建立

根據(jù)上述邊坡工程開(kāi)挖模型采用MIDAS/GTS軟件對(duì)照后合理建模，通過(guò)網(wǎng)格剖分，將路塹邊坡工程模型剖分為7052個(gè)有限單元體，單元節(jié)點(diǎn)數(shù)共計(jì)7021個(gè)。按照表1中所示的自上而下的各土層物理力學(xué)參數(shù)，設(shè)置各個(gè)區(qū)域的巖土體材料性質(zhì)并賦值。

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(kāi)挖深度范圍內(nèi)的土體邊坡坡面和底部均為自由約束。

3 計(jì)算結(jié)果分析

為了分析不同邊坡坡度條件下的土釘受力特性，本文分別設(shè)置75°、63.5°、53°三種邊坡坡度工況條件，求解計(jì)算土釘加固路塹邊坡的穩(wěn)定性，通過(guò)出圖操作將計(jì)算的土釘軸力圖導(dǎo)出，分別得到了三種邊坡坡度條件下土釘加固路塹邊坡的土釘軸力變化云圖，如圖2至圖4所示，并繪制了三種坡度條件下各排土釘軸力大小分布圖，如圖5所示。

3.1 路塹邊坡為75°

當(dāng)邊坡坡度設(shè)置為75°時(shí)，軸力變化如圖2所示。

圖2 邊坡坡度75°土釘軸力云圖

由圖2可知，在路塹邊坡坡度為75°的條件下，第一排土釘最大軸力約為24.4kN，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37.6kN，最大軸力集中分布于靠近開(kāi)挖邊界的端部；第三排土釘?shù)淖畲筝S力約為39.3kN，最大軸力同樣集中分布于靠近開(kāi)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°

圖3 邊坡坡度63.5°土釘軸力云圖

由圖3可知，在路塹邊坡坡度為63.5°的條件下，第一排土釘最大軸力約為17.9kN，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30.4kN，最大軸力集中分布于靠近開(kāi)挖邊界的端部；第三排土釘?shù)淖畲筝S力約為34.1kN，最大軸力同樣集中分布于靠近開(kāi)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°

圖4 邊坡坡度53°土釘軸力云圖

由圖4可知，在路塹邊坡坡度為53°的條件下，第一排土釘最大軸力約為14.3kN，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27.3kN，最大軸力集中分布于靠近開(kāi)挖邊界的端部；第三排土釘?shù)淖畲筝S力約為30.1kN，最大軸力同樣集中分布于靠近開(kāi)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，根據(jù)上述各工況每排土釘軸力變化的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，繪制出各排土釘軸力隨邊坡坡度的變化情況，如圖5所示。

圖5 各工況每排土釘軸力分布

由圖5（a）所示，第一排土釘?shù)淖畲?、最小軸力均隨著路塹邊坡逐漸趨緩而變小，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特征。相對(duì)于坡度為75°和63.5°時(shí)，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%。三種工況下，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%和39.2%。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文依托某公路路塹開(kāi)挖邊坡工程，通過(guò)MIDAS/GTS數(shù)值模擬軟件分析了不同邊坡坡度條件下的土釘軸力分布變化，并得出如下結(jié)論：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(kāi)挖邊界的端部，呈向深處逐漸變小的趨勢(shì)。相對(duì)于75°坡度，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。三種工況下，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%和39.2%。均滿足規(guī)范要求，在實(shí)際工程中可根據(jù)場(chǎng)地要求設(shè)計(jì)邊坡開(kāi)挖的坡度。