土釘支護邊坡影響因素試驗分析

李國慶，馬海春，崔可銳，錢家忠

(合肥工業(yè)大學資源與環(huán)境工程學院,安徽合肥 230009)

邊坡災害是次生災害的一種，我國的邊坡災害比較嚴重。2017年6月24日四川茂縣特大山體滑坡造成100多人傷亡，造成巨大的人員傷害和財產(chǎn)損失。在邊坡治理中土釘支護是常用措施之一。土釘支護是一種經(jīng)濟、實效、施工簡單的邊坡治理手段[1-2]，它充分利用土體自承力，形成自穩(wěn)結構，在工程中應用較廣。目前，在土釘邊坡支護理論上，增量法[3-4]、能量法[5]為土釘?shù)膽锰峁├碚摶A；在施工監(jiān)測方面，國內(nèi)外已開展有關邊坡復合土釘?shù)募夹g現(xiàn)場監(jiān)測研究[6-10]，以及相關的模型試驗研究。如莫暖嬌等[11]通過設計土釘墻試驗得出土釘?shù)牟贾梅绞綄ν玲攭Ψ€(wěn)定性影響較大，土釘長度一致的土釘墻具有最好的穩(wěn)定性。王麗萍等[12]利用鐵絲模擬土釘，借助動力離心模擬試驗，研究土釘加固土坡機理，驗證了土釘可以提高邊坡的穩(wěn)定性。這些研究都分析了增添土釘可以增強邊坡穩(wěn)定性，但是沒有分析土釘影響邊坡的具體因素。本文從模型試驗出發(fā)，結合工程實踐經(jīng)驗，對土釘邊坡的幾個影響因素(土釘長度、土釘位置、土釘?shù)臄?shù)量及土釘傾角)進行定量分析研究，從而找出對土釘邊坡支護影響較大的因素，為邊坡的土釘支護工程設計與施工提供一定的參考依據(jù)。

1 試驗模型及方案設計

邊坡模型的框架(如圖1和2)由厚6mm的鋼板構成，整體尺寸底面為450mm×450mm，高500mm，斜坡長280mm，坡角 60°，通過扣具組裝在一起，然后向內(nèi)填土。試驗用土為黃沙、黏土粉末和水，按7∶3∶3的比例混合均勻，再分層夯實預制成邊坡。這種按比例制作的混合土基本符合大多數(shù)工程情況下邊坡土的性質(zhì)，重度為20 kN/m3，含水率為23.1%，黏聚力為15 kPa，泊松比為0.3，內(nèi)摩擦角為15°。土釘模型選用直徑3.5mm的鐵絲[12]制成，鐵絲彈性模量為210 GPa，表面未做特殊處理。

試驗共設計土釘角度、位置、長度和數(shù)量4個變量。土釘角度是土釘與水平方向夾角，3種錨固角度分別為30°，50°和70°；土釘位置設為坡上、坡中、坡腳3種；土釘長度分為7和10 cm；土釘數(shù)量為5根和9根。具體試驗步驟如下：①取出黏土土樣，烘干擊碎，將黃沙、黏土粉末和水按7∶3∶3比例混合均勻。②將調(diào)配好的試樣堆填到鋼模具中，用2 kg砝碼進行初步壓實。③在無土釘條件下對邊坡進行預試驗，以了解邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞時所能承受的應力范圍，重新搭建邊坡。④為保證邊坡坡頂承受均布荷載而不是集中荷載，在坡頂位置墊一塊木板，并在坡頂預置百分表，將百分表壓縮至最大形變，通過加壓過程中的百分表形變量表示邊坡破壞的形變量，以邊坡發(fā)生位移突變作為失穩(wěn)判據(jù)。⑤在坡頂木板上逐級添加砝碼，待百分表讀數(shù)穩(wěn)定后，讀取邊坡坡頂形變量，繼續(xù)增加砝碼，直至邊坡失穩(wěn)破壞，記錄相關形變數(shù)據(jù)。⑥將沙土重新烘干，按土水比例10∶3加水攪拌均勻，重新搭建邊坡，分別將土釘插入坡底、坡中和坡頂，按上述試驗方法分別模擬3種情況下邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞的應力應變關系，并記錄不同應力條件下邊坡的形變量。⑦重復其他變量下的邊坡試驗。

圖1 制作邊坡模型Fig.1 Slopemodel

圖2 邊坡坡頂、坡中、坡腳土釘位置Fig.2 Soil nailing at different positions of slope

圖3 無土釘時的邊坡破壞Fig.3 Slope failure without soil nailing

2 試驗成果分析

2.1 無土釘與加土釘邊坡破壞比較分析

2.1.1無土釘邊坡失穩(wěn)破壞 在未施加荷載之前，以試驗用土填滿模具，適當平整、壓實土體，確保土體形狀與模具相吻合。平整土體后，在土體坡頂處放置一塊輕、薄的木板(木板質(zhì)量要遠小于上部荷載)，隨后緩慢施加荷載，直至斜坡破壞。斜坡中部偏下處出現(xiàn)一條明顯的橫向裂縫，大致呈直線狀，局部略有彎曲，此直線與斜坡邊界相切，呈現(xiàn)土體整體滑動破壞，可以發(fā)現(xiàn)邊坡失穩(wěn)破壞的滑動面處于邊坡中部偏下位置(見圖3)。

2.1.2有土釘邊坡失穩(wěn)破壞 按照同樣方法制作土體邊坡，放置木板，并將9根土釘以錨固角50°插入斜坡中部，土釘相距約4～5 cm，隨后緩慢施加荷載，直至破壞。此過程中發(fā)現(xiàn)，隨著荷載的增加，土釘附近土體出現(xiàn)細小裂縫，上部土體出現(xiàn)小顆粒土體滑落，甚至有部分小凹陷出現(xiàn)，至斜坡徹底破壞時，也未出現(xiàn)明顯長直裂縫，土釘下部土體較上部土體破壞較少，大致呈土釘上部邊坡垮塌破壞(見圖4)。

圖4 9根土釘位于坡中(錨固角50°)加載及破壞過程Fig.4 Loading and damaging process of slope placed with nine soil nails atmiddle of slope (anchor angle 50°)

2.2 不同土釘角度下邊坡變形與荷載分析

為了分析土釘角度對邊坡穩(wěn)定性的影響，設計了30°,50°和70°共3種角度，研究不同角度下的變形與荷載曲線，圖5為9根長土釘分別在坡頂、坡中、坡腳設計的3種角度下的變形荷載曲線。

圖5 9根長土釘不同設計角度下邊坡沉降變形與載荷曲線Fig.5 Settlement deformation and load curves of slope under different soil nailing design angles of nine long soil nails

當土釘布置于坡頂和坡中位置時，70°土釘錨固角度支護的邊坡沉降曲線和30°土釘錨固角度支護的邊坡沉降曲線幾乎重合，當土釘布置于坡腳位置時，土釘角度70°支護的邊坡沉降曲線和土釘角度30°支護的邊坡荷載變形曲線差別較小。由此可以得出：①土釘錨固角度70°支護的邊坡穩(wěn)定性和土釘錨固角度30°支護的邊坡穩(wěn)定性幾乎相同；②土釘在邊坡坡頂、坡中、坡腳處，土釘錨固角度50°時支護的邊坡沉降都明顯少于另外兩種土釘角度，說明土釘錨固角度50°支護的邊坡穩(wěn)定性優(yōu)于30°和70°時；③隨著土釘傾角的增大，邊坡穩(wěn)定性呈先增后降的趨勢，表明對錨固邊坡而言存在最優(yōu)錨固傾角；④50°土釘角度時邊坡的滑動面靠坡后的位置較深，且滑動面較緩。30°和70°錨固角支護的邊坡滑動面靠坡前的位置較淺，且滑動面較陡。

2.3 土釘位置不同邊坡變形與荷載分析

對同一傾角的土釘在邊坡3個位置(坡頂、坡中、坡腳)時的土坡進行變形與荷載分析，結果見圖6。由圖6可知：①不論土釘錨固角如何變化，當土釘位于坡中時，邊坡完全破壞時累計沉降變形量最大，承受的極限荷載明顯大于坡頂與坡腳位置；②邊坡破壞前，土釘在坡中位置時的邊坡沉降變形與坡頂及坡腳位置時沉降變形量較一致，破壞后期土釘在坡頂與坡腳位置的先達到極限荷載，土釘在坡中位置的后達到極限荷載，極限荷載為462.29 N。從無土釘邊坡的分析可知，邊坡失穩(wěn)滑動面在邊坡的中部偏下位置，所以當土釘布置于坡腳時，土釘對滑動面沒有固定作用，所以效果不大。坡頂布置土釘在相同荷載下沉降量與其他模型大體相似，但中期錨固效果明顯強于其他模型。這是因為土釘?shù)目箯澴饔米璧K了上部土體的下滑。而對于土釘位于坡中，滑坡體中段滑動面剪切力最大，土釘?shù)目箯澴饔冒l(fā)揮程度最大，最大程度限制了邊坡滑移，土釘?shù)腻^固效果最好。③整體上邊坡的荷載與沉降變形呈線性回歸關系，30°，50°，70°時土釘在坡中位置的沉降荷載線性方程分別為：y=0.777 1x-0.775 2，y=0.552 1x-0.299 1，y=0.773 3x-0.768 6。土釘位于坡中位置時，邊坡失穩(wěn)破壞呈現(xiàn)較好的延性，破壞屬于“漸進”破壞；④隨著土釘在邊坡施加的位置由坡頂?shù)狡履_下移，邊坡的滑動面先向坡后移動，進而又向坡外移動，然后再向坡后移動?；瑒用嫘螤钣啥缸兙徍笥肿兌?。

圖6 土釘位置不同的邊坡變形與荷載曲線Fig.6 Deformation and load curves of slope with soil nailing at different positions

2.4 土釘長度對邊坡變形與載荷影響分析

由圖7可知，當土釘在坡頂時，同樣荷載下，短土釘邊坡的變形量要稍大于長土釘下的邊坡變形量，分析可見：①當土釘布置于坡頂和坡中時，相同總荷載下長土釘支護的邊坡沉降量小于短土釘支護的邊坡，長土釘?shù)闹ёo效果明顯好于短土釘，此時長土釘支護的邊坡有著較大的穩(wěn)定性。隨著土釘長度的增加，邊坡穩(wěn)定性有所增大。②當土釘布置于坡腳時，長土釘和短土釘支護的邊坡在相同荷載下沉降量相似，說明此時邊坡穩(wěn)定性沒有明顯變化。③在土釘布置于坡頂和坡中兩種情況下，長土釘在坡中時邊坡減少了2.4mm的沉降量，而布置于坡頂時減少了1.1mm的沉降量。這說明長土釘布置于坡中時支護效果好于坡頂。④和短土釘邊坡失穩(wěn)時的破壞情況相比，長土釘支護的邊坡破壞面更深，說明隨著土釘長度的增加，邊坡潛在滑動面逐漸往坡內(nèi)移動，破壞模式由淺層滑動變?yōu)樯顚踊瑒印?/p>

圖7 使用長短土釘時邊坡的沉降變形與荷載曲線Fig.7 Settlement deformation and load curves of slope with long and short soil nailing

2.5 土釘數(shù)量對邊坡沉降變形與荷載影響分析

土釘數(shù)量對邊坡沉降變形和荷載影響如圖8所示。

圖8 土釘數(shù)量對邊坡沉降變形與荷載影響曲線Fig.8 Curves of influence of soil nailing quantity on slope settlement deformation and loads

由圖8可知：①當土釘在邊坡位置不變時，布置9根土釘?shù)倪吰鲁两盗可儆诓贾?根土釘?shù)倪吰拢玲敂?shù)量多，土釘?shù)拈g距變小，控制邊坡沉降變形作用變強，表明土釘數(shù)量(間距)是邊坡穩(wěn)定性的重要影響因素。②當土釘布置于坡腳時，布置9根土釘?shù)倪吰滤艹惺艿臉O限荷載稍大于布置5根土釘?shù)倪吰?。對于土釘布置于坡中和坡頂?shù)那闆r，土釘數(shù)量對邊坡極限荷載影響不大。

3 數(shù)值模擬結果分析

采用FLAC3D軟件分析試驗邊坡的穩(wěn)定性，數(shù)值模型的尺寸與試驗模型的尺寸一致，現(xiàn)分別計算土釘在坡頂、坡中、坡腳位置時的邊坡穩(wěn)定性。土釘數(shù)量為9根，土釘間距40 cm，土釘傾角為50°，計算模型見圖9。

圖9 不同土釘位置下的邊坡數(shù)值模擬結果Fig.9 Numerical simulation results of slope under different soil nailing positions

FLAC3D數(shù)值模擬顯示：土釘布置于坡頂、坡中、坡腳時，邊坡安全系數(shù)分別為 0.869，1.045和1.033。土釘處于坡中位置的安全系數(shù)最大，邊坡穩(wěn)定性最好，與試驗結果一致。

4 結 語

(1)邊坡的土釘位置不同，邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞的形式不同:坡底布置土釘時，土體越過土釘頂發(fā)生失穩(wěn)破壞；坡中布置土釘時，邊坡極限荷載最大，對邊坡的支護效果最佳，局部沿土釘頂形成一條破壞面，發(fā)生越土釘破壞；坡頂布置土釘時，土釘前土首先發(fā)生失穩(wěn)破壞，在土釘前位置產(chǎn)生凌空面，土釘?shù)闹ёo效果降低。土釘布置在坡中位置，邊坡沉降變形與荷載呈線性關系，邊坡失穩(wěn)破壞呈現(xiàn)較好的延性，屬于“漸進”破壞，支護效果最好。數(shù)值模擬計算的邊坡穩(wěn)定性與試驗結果一致，土釘在坡中時邊坡的穩(wěn)定性最高，在邊坡工程中可在坡中位置重點布置土釘，坡腳和坡頂位置可以適量減少土釘數(shù)量。

(2)在土釘位置由坡頂向坡腳移動的過程中，滑動面先向坡后移動，進而又向坡外移動，然后再向坡后移動；滑動面形狀由陡變緩后又變陡。

(3)當土釘數(shù)量變少，土釘間距增大時，邊坡安全性明顯降低，表明土釘間距對邊坡穩(wěn)定性有影響。在邊坡施工時，減小土釘間距可增加邊坡穩(wěn)定性。

(4)土釘在邊坡的位置不同，土釘?shù)拈L短對邊坡穩(wěn)定性影響不同，坡頂和坡腳位置受土釘長度影響較小，但是土釘在坡中位置時，隨著土釘長度在一定范圍內(nèi)增加，邊坡穩(wěn)定性呈增大趨勢。隨著土釘長度增加，邊坡潛在滑動面逐漸往坡內(nèi)移動，破壞模式由淺層滑動變?yōu)樯顚踊瑒?。建議在工程實踐中適量增加坡中的土釘長度。

(5)當土釘布置方式和長度不變，隨著土釘傾角的增大，邊坡穩(wěn)定性呈先增后減的趨勢。當傾角達到30°～70°時，邊坡穩(wěn)定性最大。當傾角超過70°后，隨著傾角增加，邊坡穩(wěn)定性降低。試驗中傾角50°時，邊坡承受的極限荷載最大，邊坡穩(wěn)定性最好。隨著傾角增大，滑動面先向邊坡后沿移動，然后又朝坡前移動，滑動面先變緩后變陡。