土釘墻加固公路邊坡的穩定性分析

張傳芬

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

關鍵詞：公路邊坡;土釘墻;設置參數;邊坡安全系數

0 引言

目前，隨著我國交通基礎設施建設的不斷加速，公路交通數量與規模不斷擴大，在穿越不同地形區域時，公路建設必然會形成大量邊坡，道路邊坡的穩定性分析及其加固處理也是公路施工的重要內容[1]。針對公路施工建設過程中的邊坡加固措施，許多學者根據施工區域具體條件展開研究，王聰聰等[2]研究采用抗滑樁對邊坡加固的影響，從邊坡內部力與位移的變化評價其加固效果;吳九江等[3]分析土釘與預加固相結合方式對黃土邊坡穩定性的影響;李國維等[4]研究采用現場模型試驗模擬分析玻璃纖維錨桿對邊坡加固的效果;陳強等[5]以武漢繞城公路為工程背景，總結工程中所采用的生態護坡的方案及其加固效果。公路邊坡的穩定性加固已經提出多種方式，具體的加固方案應該根據施工區域的地質條件等，綜合考慮安全與經濟因素制定。土釘墻支護措施是一種有效的邊坡加固方案，既包裹伸入土體內部的土釘，還包裹邊坡表面的混凝土面層，能夠對原位土體實現加筋處理[6-8]。在公路邊坡加固過程中，土釘墻支護參數對于加固效果具有重要影響，尤其是土釘的數量、長度以及放置間距等因素，因此，研究不同設置參數影響下土釘墻的支護效果具有重要意義。

土釘墻對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象，利用有限元數值分析方法，建立邊坡數值模型，以邊坡安全系數為評價指標，通過不同土釘參數設置，包括土釘數目、土釘間距、土釘長度等，研究邊坡安全系數的變化以確定最佳的設置參數，能夠為公路邊坡土釘墻加固提供一定的指導。

1 邊坡穩定性分析原理

1.1 Mohr-Coulomb強度準則

Mohr-Coulomb強度準則是巖土材料穩定性分析最為常用的強度準則之一，強度準則主要包括2個部分，其一為巖土體材料自身的粘聚力，反映在巖體結構的粘聚力上，其二為巖土體材料的摩擦特性，體現在材料的內摩擦角上。因此，Mohr-Coulomb強度準則可以表述為：巖土體的抗剪強度可由粘聚力加上法向應力產生的摩擦力組成，具體表達式如式（1）所示[9]：

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

1.3 邊坡穩定性分析

根據具體工程中邊坡的具體規模與范圍，建立了公路邊坡穩定性分析模型，如圖1所示，土體以及土釘的具體參數，如表1所示。

根據Morgenstern-Price方法分析得到的初始未加固狀態下邊坡的安全系數為1.231，為了保證邊坡的穩定性需要對邊坡進行加固。

2 土釘墻加固邊坡安全系數

2.1 土釘數目對安全系數的影響

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

根據上述分析可以得到邊坡安全系數的變化規律，土釘數目為1、2、3、4、7、8時，邊坡的安全系數分別為1.287、1.334、1.384、1.454、1.584、1.622，根據數據分析軟件可以得到土釘數目與邊坡安全系數大致呈線性關系（見圖3）。因此，研究結果表明土釘能夠有效提高邊坡的穩定性，土釘數目越多加固效果越好，但是由于土釘施工需要耗費一定的時間，因此，應該根據具體的施工環境與施工要求選擇合理的土釘數目。

2.2 土釘間距對安全系數的影響

根據土釘數目與邊坡安全系數的關系，在分析土釘間距對邊坡安全系數的影響時，固定土釘數目為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，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，邊坡穩定性分析的安全系數圖。

根據上述分析可以得到邊坡安全系數的變化規律，土釘間距為0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m時，邊坡的安全系數分別為1.395、1.393、1.389、1.388。數值分析結果表明土釘間距的變化對邊坡安全系數的影響程度較小，當土釘間距為0.5～1.0 m時，安全系數幾乎不發生變化，但是相對于未支護條件下穩定性增強;當土釘間距為1.5～2.0 m時，安全系數值幾乎相同，但相較于0.5～1.0 m范圍，安全系數是降低的。

2.3 土釘長度對安全系數的影響

通過分析土釘數目與土釘間距對邊坡安全系數的影響，相較于土釘間距，土釘數目對邊坡穩定性影響較大，根據現有工程經驗表明土釘長度對于邊坡的安全系數具有重要影響。因此，固定土釘數目為4，土釘間距為2.0 m，土釘長度分別為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，限于篇幅原因，圖5分別列出了土釘間距為8.0 m、10.0 m時邊坡穩定性分析的安全系數圖。

根據上述分析可以得到邊坡安全系數的變化規律，土釘長度為7.0 m、8.0 m、9.0 m、10.0 m、12.0 m時，邊坡的安全系數分別為1.258、1.361、1.367、1.375、1.385。根據數值分析結果可以得到，土釘長度對于邊坡加固的效果的主要影響因素為滑動面的位置，當土釘長度未超過滑動面時，土釘幾乎對滑坡起不到加固效果，隨著土釘超出滑動面的部分逐漸增大，邊坡的安全系數逐漸增大，加固效果越來越明顯。

3 結語

針對土釘墻加固公路邊坡效果的問題，建立有限元邊坡數值模型，根據不同土釘設置參數下邊坡安全系數變化規律，對土釘墻對邊坡的加固效果進行研究。根據數值分析結果表明土釘對于邊坡具有明顯的加固效果，不同的設置參數加固效果不同，其中土釘數目是影響加固效果的最主要因素，邊坡的安全系數提高明顯。土釘間距與土釘長度對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，土釘長度的作用效果主要受到滑坡帶位置的影響。

參考文獻：

[1]林興超，汪小剛，陳文強，等. 邊坡錨固與加固協調作用機制研究[J]. 巖石力學與工程學報，2014，33（S1）：3 123-3 128.

[2]王聰聰，李江騰，廖 峻，等. 抗滑樁加固邊坡穩定性分析及其優化[J]. 中南大學學報（自然科學版），2015，46（1）：231-237.

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

[4]李國維，劉朝權，黃志懷，等. 應用玻璃纖維錨桿加固公路邊坡現場試驗[J]. 巖石力學與工程學報，2010，29（S2）：4 056-4 062.

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

[6]付文光，楊志銀，劉俊巖，等. 復合土釘墻的若干理論問題、兼論《復合土釘墻基坑支護技術規范》[J]. 巖石力學與工程學報，2012，31（11）：2 291-2 304.

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

[8]張玉成，楊光華，吳舒界，等. 土釘支護結構變形與穩定性關系探討[J]. 巖土力學，2014，35（1）：238-247.

[9]尤明慶. 巖石強度準則的數學形式和參數確定的研究[J]. 巖石力學與工程學報，2010，29（11）：2 172-2 184.

[10]石祥超，孟英峰，李 皋. 幾種巖石強度準則的對比分析[J]. 巖土力學，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定性分析法[J]. 巖石力學與工程學報，2013，32（1）：107-116.

[12]王 科，王常明，王 彬，等. 基于Morgenstern-Price法和強度折減法的邊坡穩定性對比分析[J]. 吉林大學學報（地球科學版），2013，43（3）：902-907.

收稿日期：2020-05-27