土釘支護方式加固邊坡的應力變形力學特性研究

計 陽

（南水北調中線實業(yè)發(fā)展有限公司,北京 100070）

1 前言

土質邊坡工程在實際邊坡施工中廣泛存在,其常受土體強度不足,自穩(wěn)定較差的影響,工程中廣泛采用土釘加固支護的方式對邊坡土體進行加固,以提高開挖邊坡土體的穩(wěn)定性,使其在設計使用年限內保持穩(wěn)定。工程領域的大量學者對土釘加固支護的方式的效果開展了研究。張宗領等[1]采用有限元方法對采用土釘支護方式的邊坡,在地震動荷載作用下的變形和受力特性進行了研究。研究結果表明：地震的發(fā)生使得邊坡土體的穩(wěn)定性變差,且土釘的軸力和變形也顯著增大。鄧東平等[2,3]對土釘支護邊坡采用擬靜力方法,分析了其在地震等動力荷載發(fā)生時或存在條件下的穩(wěn)定性。分析結果表明：采用橫向和豎向相結合的條分方法,能夠有效預測土體在動荷載作用下的變形及受力特性。董建華等[4]對一土釘加固邊坡進行了數值模擬雙向地震作用研究。研究結果表明：動力彈塑性有限元數值模擬方法,可以實現對橫向和豎向、縱波和橫波同時作用的地震加速度條件下,邊坡的穩(wěn)定性分析與比較。

上述對土釘加固邊坡的相關研究,表明土釘支護方式對邊坡進行加固在邊坡工程中廣泛采用,研究涉及土釘軸力、邊坡變形、含水邊坡加固效果等各個方面。本文根據邊坡加固工程,通過采用三維數值計算軟件,對邊坡在采用土釘加固方式條件下的支護效果進行了研究。主要采用FLAC3D 軟件分析計算,對土釘加固條件下的邊坡受力及變形特性進行了探討。

2 工程概況

南水北調中線工程,是從長江最大支流漢江中上游橫跨湖北和河南兩省的丹江口水庫調水,在丹江口水庫東岸河南省淅川縣境內工程渠首開挖干渠,經長江流域與淮河流域的分水嶺方城埡口,沿華北平原中西部邊緣開挖渠道,通過隧道穿過黃河,沿京廣鐵路西側北上,自流到北京市頤和園團城湖的輸水工程。工程施工過程中部分渠段因地質情況及自然條件等限制需要對邊坡需要加固處理,以保證工程輸水安全。某區(qū)段邊坡橫斷面圖見圖1,邊坡右側高34.5 m,邊坡底部長130 m；邊坡分上中下三層,各層土體類型見圖1,各層土體材料的相關物理力學參數見表1。

表1 各層材料物理力學參數

圖1 開挖邊坡橫斷面圖

3 數值模擬

3.1 模型的建立

由于圖1中所示邊坡形式較為復雜,因此本文在構建上述邊坡模型時,采用CAD 結合Rhino 軟件根據圖1中所示邊坡實際尺寸進行模型構建,首先畫出邊坡外圍輪廓,在分層界面處,采用多段線的方式對分層處的輪廓進行描繪,最后輸入EXTRUDE 命令對上述平面邊坡模型在法向進行延伸,延伸后導入犀牛軟件中,進行相應的網格剖分,采用四面體的網格剖分方式生成體網格,采用三角形的網格剖分方式生成網格,最后的模型圖見圖2。

圖2 構建的邊坡及土釘加固模型

3.2 邊坡內的變形及應力特點

數值求解結束后,通過FLAC3D 自帶的繪制窗口及相應的人機交互界面,繪制了邊坡在土釘加固條件下的整體變形位移云圖見圖3,同時為了研究邊坡土體在土釘加固條件下的應力變化,繪制了相應的整體邊坡受力變化特征圖,見圖4。

圖3 土釘加固邊坡位移云圖（單位：m）

圖4 土釘加固邊坡最大有效應力云圖（單位：Pa）

邊坡在土釘加固條件下的整體變形位移云圖可知,土釘支護條件下的邊坡加固方式,對邊坡進行加固后,邊坡內張拉的最大位移為3.18×102m,最大張拉位移位于中部邊坡位置,處于邊坡中部的表層土體位移值普遍較大,而向土釘布置區(qū)域,邊坡土體的位移值迅速減小,減小速率約為0.25×102（量綱為1）,而由邊坡表層最大位移的土體向邊坡上方,位移值同樣逐漸減小,但是較小速率顯著小于下方有土釘加固的邊坡位移減小速率,約為0.05×102（量綱為1）,表明下部土釘起到了有效減小邊坡位移的作用,說明在多階梯同坡度的設計條件下,該土釘支護加固方式的加固效果明顯,在上部也應采用類似下部的土釘加固方式進行加固。

由整體邊坡受力變化特征圖可知,土釘支護條件下的邊坡加固方式,對邊坡進行加固后,邊坡內受壓的最大應力為3.28×105Pa,最大受壓應力位于邊坡最底部豎向方向的高度最大的位置處,而最小受壓應力位于邊坡表層位置,和邊坡右側表面的豎向方向的高度較小位置區(qū)域,最小受壓應力為2.5×104Pa,邊坡表層的受壓應力的變化梯度較小,約為0.5×104Pa/m,隨著逐漸向邊坡下部,邊坡內的受壓應力變化梯度增大,最大約為1.52×104Pa/m,可見,應力集中于邊坡體內,而在邊坡表層的應力和應力變化均較小。

3.3 邊坡內土釘的變形及受力

土釘的工作性能影響著邊坡的穩(wěn)定,為了研究土釘的工作性能,在繪圖窗口繪制相應的結構部件變形及應力圖,土釘的位移云圖見圖5,主要展示了計算完成后土釘內的位移特征,同時繪制了土釘的軸力云圖,主要展示了計算完成后土釘內的軸力大小及分布特征。

圖5 邊坡內的土釘位移云圖（單位：m）

圖5所示邊坡內的土釘位移云圖可知,土釘支護條件下的邊坡加固方式,對邊坡進行加固后,邊坡內發(fā)生最大位移的土釘主要位于邊坡上部,最大位移值為2.2×102m,最大位移位于上部土釘的端部位置,隨著逐漸向邊坡下部,土釘端部位置的最大位移值逐漸變小,至最下端的土釘,其端部最大位移值為8×103m,表明該邊坡采用土釘加固方式時,在上部位置的土釘間距應適當減小,以使上部和下部的土釘位移值協(xié)調一致,更好地確保加固效果。

根據邊坡內的土釘軸力云圖（圖6）可知,土釘支護條件下的邊坡加固方式,對邊坡進行加固后,邊坡內發(fā)生最大軸力的土釘主要位于邊坡中部,最大軸力值為7.14×102Pa,最大軸力沿著土釘的整長度范圍,軸力值大小較為一致,表明土釘未產生偏壓受力現象,說明土釘的布置角度選擇是合理的；最小軸力值為2.51 Pa,位于邊坡上部的土釘沿其軸向方向的軸力值出現最小值；上述軸力分布特征表明土釘的整體布置合理,在邊坡上部應適當布置土釘,以減小其下部土釘的偏壓受力不均勻現象。

圖6 邊坡內的土釘軸力云圖（單位：Pa）

4 結論

本文通過采用三維數值計算軟件,分析南水北調工程某邊坡土釘加固方式條件下的支護效果,并對土釘加固條件下的邊坡受力及變形特性進行了探討,得到如下結論：

（1）邊坡內張拉的最大位移為3.18×102m,最大張拉位移位于中部邊坡位置,邊坡內受壓的最大應力為3.28×105Pa,最大受壓應力位于邊坡最底部豎向方向的高度最大的位置處。

（2）邊坡內發(fā)生最大位移的土釘主要位于邊坡上部,最大位移值為2.2×102m,最大位移位于上部土釘的端部位置,邊坡內發(fā)生最大軸力的土釘主要位于邊坡中部,最大軸力值為7.14×102Pa。

（3）上述邊坡內最大張拉位移和最大應力、土釘的位移及受力分析結果,表明在多階梯同坡度的設計條件下,當前土釘支護加固方式的加固效果明顯；同時說明在邊坡上部采用類似土釘加固方式進行加固是可行的。