土釘加固施工效果對邊坡穩定性的影響研究

王繼虎

(濟寧市水利工程施工公司，山東 濟寧 272000)

1 概 述

土釘支護加固的方式因施工工期短、造價相對低廉而在放坡基坑工程的邊坡、常見路基邊坡和其他邊坡工程中得到大量應用，但針對其施工質量控制和加固效果的研究較少。宋廣等[1-2]為了研究微樁復合土釘支護形式相對于傳統單純采用土釘支護形式對邊坡進行加固的優越性，基于某實例基坑邊坡支護工程，在有限元中進行了兩種支護形式下的邊坡工程的模擬計算，通過對比分析其各自相應的土體變形特征，得出微樁復合土釘支護形式的加固方式在控制橫向變形和減小土釘軸力上的優點，為復合加固方式在工程中的優化應用提供了有效幫助。李英俊等[3-4]研究了地震作用下，邊坡土體的滑移對土釘軸力變化構成的多方面影響，得出土釘軸力隨地震發生和邊坡變形位移變化時的量化計算結果，通過實例驗證和搜集文獻中的試驗結果得出該計算結果的合理性。王翠英等[5-6]利用SLIDE軟件，對采用復合土釘支護形式的商住樓基坑邊坡工程進行了變形穩定性探討，結果證明其與實測基坑變形數據吻合，為后續施工變形預測提供了借鑒。郅彬等[7-8]針對復合土釘支護形式在黃土地質條件下的邊坡工程中的適用性與受力特征進行了研究，并以黃土地區某采用復合土釘支護加固形式的邊坡工程為依托，主要采用現監測的方式獲得相關數據，并采用數值分析進行計算分析，將兩種手段下獲得的數據進行對照研究，結果表明復合土釘相對于純土釘支護方式能夠有效加強黃土邊坡的穩定性，為復合土釘在黃土地質條件下邊坡工程中的應用提供了理論依據。吳坤銘等[9-10]為了使土釘支護形式在基坑工程的應用更加合理化，進行了隨機變量條件下的可靠度計算，實例驗證了利用可靠度理論函數進行基坑土釘支護形式的設計計算是合理的。陳兵等[11]研究了在地震荷載作用下的穩定性，采用ABAQUS有限元軟件，進行了不同季節條件下熱-動力耦合計算模擬邊坡變形位移響應特性，為土釘支護形式的加固方式在季節性凍土邊坡工程中的應用提供了參考。

本文對位于山東省濟寧市任城區的某建筑基坑土質邊坡工程的土釘支護施工效果開展研究，通過模擬同一土釘支護設計方案在兩種不同的施工質量下，土釘加固邊坡后的邊坡穩定性參數特征，得出在有效保證施工質量情況下的穩定性顯著大于施工質量較差的情況。基于此，提出在工程設計方案確定后，一定保證在施工階段的施工質量控制，這是保證土釘支護方式有效發揮相應效應的前提。

2 工程地質

擬建邊坡工程位于山東省濟寧市任城區內，為一建筑基坑土質邊坡工程，邊坡工程土體主要為第四紀沉積黏土，其相關物理力學參數見表1。計劃隨著基坑不斷放坡開挖，對基坑邊坡采用土釘支護加固的方式進行加固處理，以增強邊坡的變形穩定性，見圖1。計劃開挖坡長10 m，為了有效保證基坑旁上方道路留有足夠空間供材料運輸的車輛通過，設計坡頂長18 m，坡高15 m，坡底長12 m。

表1 第四紀黏土層參數

圖1 基坑邊坡剖面

3 Geo-studio軟件介紹

Geo-studio軟件具有較強的可供用戶選擇的建模和進行多種分析的模塊，而且針對同一模型可以進行不同條件下的變形分析。在Slope模塊，使用者可以建立一個邊坡模型，同時進行支護和無支護條件下的模擬計算分析，也可以進行變支護條件下的計算分析，通過設置不同的支護材料相關力學參數大小，實現同一模型不同支護條件下的模擬計算。例如，在進行支護效果研究中，可以將其中支護施工質量達到要求的土釘或者錨桿設置成真實的設計承受荷載能力，而相應的沒有達到施工質量控制要求的，可以將力學強度參數值設置成較小值，而將完全沒有達到施工質量的桿件設置成0，這樣可以實現在變參數條件下的邊坡穩定性分析研究。

4 邊坡體模型創建

根據圖1中的基坑邊坡模型，通過Geo-studio中繪制區域的方式，建立多邊形形式的邊坡整體區域。通過輸入材料選項，建立兩種材料參數屬性：一種為土釘的相關參數設置；另一種為土體的相關材料屬性設置。在進行土釘的相關材料屬性設置時，應將土釘的位置一并設置，通過將設置好的材料屬性給以區域，即可使區域實現由黏土組成，并且由土釘加固支護。由于研究部分土釘施工質量不良時對邊坡穩定性的影響，因此在進行第二個分析時，應將假設施工質量不良的土釘參數設置成較小值。假設上部3根施工質量均不良，因此將上部3根土釘的抗拉強度設置成0 kPa。基坑邊坡分析模型見圖2。

圖2 基坑邊坡分析模型

5 模擬結果

通過對施工質量控制良好條件下的基坑邊坡穩定性分析與施工質量不良條件下造成上部3根土釘未有效發揮作用時的基坑邊坡穩定性分析，得出有效保證施工質量在邊坡工程中采用土釘加固形式下實現邊坡穩固的重要性。

5.1 施工質量良好

圖3為在保證4根設計的土釘都施工良好條件下的基坑邊坡穩定性計算結果，圖3中包括土條劃分形式和相應的計算求解的臨界滑面及臨界滑面的安全系數結果。由圖3可知，在采用土釘加固并有效保證施工質量的條件下，土質基坑邊坡的穩定性明顯較好，臨界滑面的安全系數為1.474，大于1，并大于《建筑基坑設計規范》(JGJ 120-2012)中規定的1.2的安全系數，能夠可靠保證基坑內相關基礎建設施工的順利進行。

圖3 施工質量良好時邊坡穩定性

圖4為施工質量良好情況下的土坡臨界滑面的抗剪強度大小分布情況。由圖4可知，采用土釘加固形式并有效保證各個土釘的施工質量時，臨界滑面上的最大土體抗剪強度約為130 kPa，土體與臨界滑面之間的摩擦強度隨著X值的增大先是逐漸增大，而后又迅速減小至20 kPa左右；在保持一段距離不變后，又緩慢減小至零。

圖4 施工質量良好的滑面抗剪強度

5.2 施工質量不佳

圖5為施工質量不佳條件下僅有一根土釘發揮加固土體的作用，圖5中包括土條劃分形式和相應的計算求解的臨界滑面及臨界滑面的安全系數結果。由圖5可知，在采用但是施工質量沒有得到有效保證的條件下，土質基坑邊坡的穩定性明顯較差，臨界滑面的安全系數僅為1.062，略大于1，但是小于《建筑基坑設計規范》(JGJ 120-2012)中規定的1.2的安全系數，一定程度上不能可靠保證基坑內相關基礎建設施工的順利進行。

圖5 施工質量不佳時邊坡穩定性

圖6為施工質量不佳情況下的土坡臨界滑面的抗剪強度大小分布情況。

圖6 施工質量不佳的滑面抗剪強度

由圖6可知，采用土釘加固形式但只有最下方一根土釘施工質量良好并發揮了相應作用時，臨界滑面上的最大土體抗剪強度約為100 kPa，顯然小于4根土釘均發揮作用時的最大土體抗剪強度。土體與臨界滑面之間的摩擦強度隨著X值的增大先是逐漸增大，而后又迅速減小至略大于0 kPa值處，在保持一段距離不變后，又緩慢減小至零。

6 結 論

1) 在有效保證施工質量的條件下，土釘加固有效加強了土體抗剪強度，土質基坑邊坡臨界滑面的安全系數大小為1.474，大于《建筑基坑設計規范》(JGJ 120-2012)中規定的1.2的安全系數，能夠可靠保證基坑內相關基礎建設施工的順利進行。

2) 在施工質量沒有得到有效保證的條件下，土釘加固土體抗剪強度的加強有限，臨界滑面的安全系數僅為1.062，小于《建筑基坑設計規范》(JGJ 120-2012)中規定的1.2的安全系數，不能夠可靠保證基坑內相關基礎建設施工的順利進行。

3) 在采用土釘加固形式對土質邊坡進行加固時，施工單位在施工人員進行施工時應進行實時監督，有效保證施工質量，確保每一根土釘都有效發揮作用。