土釘支護參數對土質路塹邊坡穩定性的影響

牟 丹

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

引言

借助有限元軟件對實際工程進行模擬仿真，分析復雜環境下各種影響因素的影響，解決傳統計算難以解決的復雜工程問題。土釘支護結構的一般形式為先進行鉆孔，再在孔中放置鋼筋，鋼筋的直徑根據實際工程情況確定，然后進行注漿，再沿其邊坡坡面，采用掛網噴射混凝土的方式，形成完整的土釘支護結構。支護的基本原理是利用土釘結構與土體的黏結力和摩擦力，在基坑或者邊坡土體發生位移或變形時，被動地承受由土體帶來的拉力[1-2]。

宋二祥、鄭穎人、尹驥等[3-5]采用強度折減法分析土釘支護的穩定性，并將其與極限平衡法作了比較。余登華等[6]對復合土釘支護下的位移和穩定性展開分析，并結合實際工程驗證了有限元方法在計算邊坡穩定性上的可行性。趙杰[7]研究了土釘布設方式及長度對邊坡穩定性的影響，指出最大滑移面往往與最大拉應力連線的位置是一致的。

1 建立有限元模型

選取Mohr-Coulomb 作為土體本構模型。假設有一均質土坡，邊坡橫截面見圖1，有限元模型網格劃分見圖2。土體計算參數見表1，土釘參數見表2。

圖1 邊坡模型/m

圖2 基坑模型的網格劃分

表1 土體參數選取

表2 土釘計算參數選取

在路塹邊坡開挖面，按照要求，掛網噴80 厚C20 混凝土。混凝土面層計算參數見表3。

表3 混凝土面層計算參數

強度折減法[8-9]保留了有限元軟件在分析復雜因素下實際工程的優點，而且結果直觀，在實際工程分析中應用越來越廣泛。

2 計算結果分析

2.1 土釘布設位置的影響

考慮在不同位置設置土釘，工況見表4。可以看出：（1）土釘布設位置從一級邊坡的上部、中部至下部，土釘所受拉應力分別為17.6 MPa、18.4 MPa、16.3 MPa，大致呈現先增后減的趨勢。在中部加土釘時，土釘所受拉應力數值最大。表明當土體發生位移或變形時，土釘布設位置在土體中部時，對維持土體穩定性效果最好。（2）加釘位置從上部、中部至下部，安全系數呈線性增長，增長速率約為12%，在下部加釘時安全系數達到最大值為1.68，說明在下部加土釘時能更好的維持邊坡土釘穩定性。

表4 土釘布設工況一

2.2 土釘間距的影響

考慮土釘間距作為變量，工況見表5。可以看出：（1）隨著土釘間距從0.7 m 逐漸增加至2.8 m，土釘所受拉應力不斷增加，間距0.7 m 時土釘拉應力最小為16.9 MPa，間距2.8 m 時土釘拉應力最大為20 MPa。從土釘拉應力的變化規律可以看出，土釘間距越大，土釘的作用范圍越廣，所受到的拉應力也更大，對維持邊坡土體的穩定性效果越好，但當間距增加到一定程度后所受拉應力的增加速率放緩，表明對于維持邊坡土體穩定性，間距適當即可。（2）在土釘布設間距從0.7 m 增加到2.8 m 的過程中，邊坡的安全系數逐漸增長，大致呈線性關系，在土釘間距為2.8 m 時安全系數達到最大為1.67，說明在土釘間距更大時能更好地維持邊坡土體穩定性，間距從0.7 m 至1.4 m 時，安全系數逐漸增加，且增加的速度最快。

表5 土釘布設工況二

2.3 土釘直徑的影響

考慮土釘直徑作為變量，工況見表6。可以看出：（1）隨著土釘直徑從80 mm 逐漸增加至140 mm，土釘所受拉應力逐漸減小，減小速率逐漸降低，土釘直徑80 mm 時，土釘拉應力最大，為26.3 MPa，土釘直徑140 mm 時，土釘拉應力最小，為10 MPa。從土釘應力的變化規律可以看出，土釘直徑越小，土釘橫截面面積越小，土釘所承受的拉應力越大，同時土釘處于更危險的狀態。土釘直徑越大，橫截面面積越大，被動所受的土體的力為定值，故其應力表現為數值更小。（2）土釘直徑從80 mm 至140 mm，安全系數看似在100 mm 時達到最大值，但實從數值范圍上得出，4種不同工況下的安全系數基本處于同一數值范圍內，約為1.52，說明在土釘直徑的變化對維持邊坡土釘穩定性影響較小，敏感性也更低。

表6 土釘布設工況三

3 結語

（1）在每級邊坡中部加土釘時，所受拉應力最大。（2）隨著土釘間距從0.7 m 逐漸增加至2.8 m，土釘所受拉應力呈增加趨勢，但增幅逐漸減小。（3）隨著土釘直徑從80 mm 不斷增加至140 mm，土釘所受拉應力呈減小趨勢，但減小幅度逐漸變小。（4）在布設位置、間距、直徑三種敏感性因素中，對土釘所受拉應力最為敏感的是土釘的直徑，間距次之，布設位置最后。（5）土釘位置從一級邊坡的上部、中部至下部，所計算的安全系數逐漸增長，大致呈線性相關關系。（6）土釘布設間距從0.7 m 逐漸調整至2.8 m，安全系數逐漸增長，大致呈線性關系。（7）土釘直徑從80 mm 至140 mm，安全系數基本處于同一量級，約為1.52。（8）邊坡土體安全系數對加釘部位最為敏感，對間距的敏感性次之，對土釘直徑的敏感性最低。