土釘墻加固公路邊坡的穩(wěn)定性分析

張傳芬

摘要：文章針對(duì)土釘墻對(duì)邊坡加固的效果等問題，基于邊坡有限元數(shù)值分析模型，研究不同土釘設(shè)置參數(shù)（土釘數(shù)目、土釘間距、土釘長(zhǎng)度）條件下，公路邊坡安全次數(shù)的變化規(guī)律。研究成果表明，不同的土釘設(shè)置參數(shù)對(duì)于邊坡安全系數(shù)具有不同的影響規(guī)律：（1）土釘數(shù)目對(duì)邊坡安全系數(shù)影響最大，安全系數(shù)線性增大，由1.231提高到1.622;（2）土釘間距對(duì)安全系數(shù)影響程度較小，最佳的間距范圍為0.5～1.0 m;（3）土釘長(zhǎng)度受滑坡面位置的影響，考慮經(jīng)濟(jì)與施工因素，長(zhǎng)度不宜超出滑坡面過長(zhǎng)。

關(guān)鍵詞：公路邊坡;土釘墻;設(shè)置參數(shù);邊坡安全系數(shù)

0 引言

目前，隨著我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷加速，公路交通數(shù)量與規(guī)模不斷擴(kuò)大，在穿越不同地形區(qū)域時(shí)，公路建設(shè)必然會(huì)形成大量邊坡，道路邊坡的穩(wěn)定性分析及其加固處理也是公路施工的重要內(nèi)容[1]。針對(duì)公路施工建設(shè)過程中的邊坡加固措施，許多學(xué)者根據(jù)施工區(qū)域具體條件展開研究，王聰聰?shù)萚2]研究采用抗滑樁對(duì)邊坡加固的影響，從邊坡內(nèi)部力與位移的變化評(píng)價(jià)其加固效果;吳九江等[3]分析土釘與預(yù)加固相結(jié)合方式對(duì)黃土邊坡穩(wěn)定性的影響;李國(guó)維等[4]研究采用現(xiàn)場(chǎng)模型試驗(yàn)?zāi)M分析玻璃纖維錨桿對(duì)邊坡加固的效果;陳強(qiáng)等[5]以武漢繞城公路為工程背景，總結(jié)工程中所采用的生態(tài)護(hù)坡的方案及其加固效果。公路邊坡的穩(wěn)定性加固已經(jīng)提出多種方式，具體的加固方案應(yīng)該根據(jù)施工區(qū)域的地質(zhì)條件等，綜合考慮安全與經(jīng)濟(jì)因素制定。土釘墻支護(hù)措施是一種有效的邊坡加固方案，既包裹伸入土體內(nèi)部的土釘，還包裹邊坡表面的混凝土面層，能夠?qū)υ煌馏w實(shí)現(xiàn)加筋處理[6-8]。在公路邊坡加固過程中，土釘墻支護(hù)參數(shù)對(duì)于加固效果具有重要影響，尤其是土釘?shù)臄?shù)量、長(zhǎng)度以及放置間距等因素，因此，研究不同設(shè)置參數(shù)影響下土釘墻的支護(hù)效果具有重要意義。

土釘墻對(duì)于邊坡加固具有良好的效果，因此，本文以公路工程中土釘墻加固邊坡為研究對(duì)象，利用有限元數(shù)值分析方法，建立邊坡數(shù)值模型，以邊坡安全系數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過不同土釘參數(shù)設(shè)置，包括土釘數(shù)目、土釘間距、土釘長(zhǎng)度等，研究邊坡安全系數(shù)的變化以確定最佳的設(shè)置參數(shù)，能夠?yàn)楣愤吰峦玲攭庸烫峁┮欢ǖ闹笇?dǎo)。

1 邊坡穩(wěn)定性分析原理

1.1 Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則

Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則是巖土材料穩(wěn)定性分析最為常用的強(qiáng)度準(zhǔn)則之一，強(qiáng)度準(zhǔn)則主要包括2個(gè)部分，其一為巖土體材料自身的粘聚力，反映在巖體結(jié)構(gòu)的粘聚力上，其二為巖土體材料的摩擦特性，體現(xiàn)在材料的內(nèi)摩擦角上。因此，Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則可以表述為：巖土體的抗剪強(qiáng)度可由粘聚力加上法向應(yīng)力產(chǎn)生的摩擦力組成，具體表達(dá)式如式（1）所示[9]：

（3）通過綜合考慮Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則以及邊坡條帶之間力的平衡關(guān)系，最終可以得到Morgenstern-Price法的隱式函數(shù)，具體求解方法可以采用迭代的方式，通過不同安全系數(shù)的迭代，最終求得邊坡分析的安全系數(shù)。

1.3 邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)具體工程中邊坡的具體規(guī)模與范圍，建立了公路邊坡穩(wěn)定性分析模型，如圖1所示，土體以及土釘?shù)木唧w參數(shù)，如表1所示。

根據(jù)Morgenstern-Price方法分析得到的初始未加固狀態(tài)下邊坡的安全系數(shù)為1.231，為了保證邊坡的穩(wěn)定性需要對(duì)邊坡進(jìn)行加固。

2 土釘墻加固邊坡安全系數(shù)

2.1 土釘數(shù)目對(duì)安全系數(shù)的影響

為研究土釘數(shù)目對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響，分別研究土釘數(shù)目為1、2、3、4、7、8時(shí)公路邊坡安全系數(shù)的變化，限于篇幅原因，下頁圖2分別列出了土釘數(shù)目為2、4、7時(shí)，邊坡穩(wěn)定性分析的安全系數(shù)。

根據(jù)上述分析可以得到邊坡安全系數(shù)的變化規(guī)律，土釘數(shù)目為1、2、3、4、7、8時(shí)，邊坡的安全系數(shù)分別為1.287、1.334、1.384、1.454、1.584、1.622，根據(jù)數(shù)據(jù)分析軟件可以得到土釘數(shù)目與邊坡安全系數(shù)大致呈線性關(guān)系（見圖3）。因此，研究結(jié)果表明土釘能夠有效提高邊坡的穩(wěn)定性，土釘數(shù)目越多加固效果越好，但是由于土釘施工需要耗費(fèi)一定的時(shí)間，因此，應(yīng)該根據(jù)具體的施工環(huán)境與施工要求選擇合理的土釘數(shù)目。

2.2 土釘間距對(duì)安全系數(shù)的影響

根據(jù)土釘數(shù)目與邊坡安全系數(shù)的關(guān)系，在分析土釘間距對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響時(shí)，固定土釘數(shù)目為4，土釘間距按照豎向距離分析，距離分別為0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m，分別得到不同距離條件下邊坡安全系數(shù)，限于篇幅原因，圖4分別列出了土釘間距為1.0 m、2.0 m時(shí)，邊坡穩(wěn)定性分析的安全系數(shù)圖。

根據(jù)上述分析可以得到邊坡安全系數(shù)的變化規(guī)律，土釘間距為0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m時(shí)，邊坡的安全系數(shù)分別為1.395、1.393、1.389、1.388。數(shù)值分析結(jié)果表明土釘間距的變化對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響程度較小，當(dāng)土釘間距為0.5～1.0 m時(shí)，安全系數(shù)幾乎不發(fā)生變化，但是相對(duì)于未支護(hù)條件下穩(wěn)定性增強(qiáng);當(dāng)土釘間距為1.5～2.0 m時(shí)，安全系數(shù)值幾乎相同，但相較于0.5～1.0 m范圍，安全系數(shù)是降低的。

2.3 土釘長(zhǎng)度對(duì)安全系數(shù)的影響

通過分析土釘數(shù)目與土釘間距對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響，相較于土釘間距，土釘數(shù)目對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較大，根據(jù)現(xiàn)有工程經(jīng)驗(yàn)表明土釘長(zhǎng)度對(duì)于邊坡的安全系數(shù)具有重要影響。因此，固定土釘數(shù)目為4，土釘間距為2.0 m，土釘長(zhǎng)度分別為7.0 m、8.0 m、9.0 m、10.0 m、12.0 m，分別得到不同距離條件下邊坡安全系數(shù)，限于篇幅原因，圖5分別列出了土釘間距為8.0 m、10.0 m時(shí)邊坡穩(wěn)定性分析的安全系數(shù)圖。

根據(jù)上述分析可以得到邊坡安全系數(shù)的變化規(guī)律，土釘長(zhǎng)度為7.0 m、8.0 m、9.0 m、10.0 m、12.0 m時(shí)，邊坡的安全系數(shù)分別為1.258、1.361、1.367、1.375、1.385。根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果可以得到，土釘長(zhǎng)度對(duì)于邊坡加固的效果的主要影響因素為滑動(dòng)面的位置，當(dāng)土釘長(zhǎng)度未超過滑動(dòng)面時(shí)，土釘幾乎對(duì)滑坡起不到加固效果，隨著土釘超出滑動(dòng)面的部分逐漸增大，邊坡的安全系數(shù)逐漸增大，加固效果越來越明顯。

3 結(jié)語

針對(duì)土釘墻加固公路邊坡效果的問題，建立有限元邊坡數(shù)值模型，根據(jù)不同土釘設(shè)置參數(shù)下邊坡安全系數(shù)變化規(guī)律，對(duì)土釘墻對(duì)邊坡的加固效果進(jìn)行研究。根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果表明土釘對(duì)于邊坡具有明顯的加固效果，不同的設(shè)置參數(shù)加固效果不同，其中土釘數(shù)目是影響加固效果的最主要因素，邊坡的安全系數(shù)提高明顯。土釘間距與土釘長(zhǎng)度對(duì)邊坡加固也具有一定程度的影響，不同范圍的土釘間距加固效果相差不大，土釘長(zhǎng)度的作用效果主要受到滑坡帶位置的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]林興超，汪小剛，陳文強(qiáng)，等. 邊坡錨固與加固協(xié)調(diào)作用機(jī)制研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2014，33（S1）：3 123-3 128.

[2]王聰聰，李江騰，廖 峻，等. 抗滑樁加固邊坡穩(wěn)定性分析及其優(yōu)化[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，46（1）：231-237.

[3]吳九江，程謙恭，孟祥龍. 黃土高邊坡土釘-預(yù)加固樁復(fù)合支護(hù)體系性狀分析[J]. 巖土力學(xué)，2014，35（7）：2 029-2 040.

[4]李國(guó)維，劉朝權(quán)，黃志懷，等. 應(yīng)用玻璃纖維錨桿加固公路邊坡現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29（S2）：4 056-4 062.

[5]陳 強(qiáng)，韓 軍，劉自楷，等. 武漢繞城高速公路生態(tài)防護(hù)膨脹土邊坡失穩(wěn)的幾種形式及加固處理[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006（S2）：4 040-4 045.

[6]付文光，楊志銀，劉俊巖，等. 復(fù)合土釘墻的若干理論問題、兼論《復(fù)合土釘墻基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)范》[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012，31（11）：2 291-2 304.

[7]付文光，楊志銀. 土釘墻技術(shù)的新進(jìn)展及前景展望[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，2010，32（S1）：17-21.

[8]張玉成，楊光華，吳舒界，等. 土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)變形與穩(wěn)定性關(guān)系探討[J]. 巖土力學(xué)，2014，35（1）：238-247.

[9]尤明慶. 巖石強(qiáng)度準(zhǔn)則的數(shù)學(xué)形式和參數(shù)確定的研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29（11）：2 172-2 184.

[10]石祥超，孟英峰，李 皋. 幾種巖石強(qiáng)度準(zhǔn)則的對(duì)比分析[J]. 巖土力學(xué)，2011，32（S1）：209-216.

[11]凌道盛，戚順超，陳 鋒，等. 一種基于Morgenstern-Price法假定的三維邊坡穩(wěn)定性分析法[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2013，32（1）：107-116.

[12]王 科，王常明，王 彬，等. 基于Morgenstern-Price法和強(qiáng)度折減法的邊坡穩(wěn)定性對(duì)比分析[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（地球科學(xué)版），2013，43（3）：902-907.

收稿日期：2020-05-27