坡度對土釘支護加固效果的影響研究

摘要：為了探究坡度對土釘加固路塹邊坡的支護作用，文章依托某公路路塹開挖工程，通過Midas GTS數值模擬軟件，對比研究了75°、63.5°、53°這3種不同邊坡坡度條件下的土釘軸力大小變化特征，得出了該種土釘加固方式下的較為合理的路塹邊坡坡度。

關鍵詞：深路塹；數值模擬；土釘墻；噴射混凝土；坡率

0引言

土釘加固由于具有施工速度快、施工便捷、成本低廉、加固效果明顯（尤其對土質較好的邊坡）的優點，在路塹邊坡工程設計中受到普遍青睞并在實際工程中得到廣泛應用。學者們針對土釘支護方式的加固效果做了大量研究工作，盧敦華等［1］應用應變軟化模型針對巖土體材料的特性進行了研究。研究結果表明：應變軟化模型結合FLAC 3D軟件，能夠實現模擬路塹的位移和受力的合理表征。王輝等［2-3］提出了采用穩定性分析的新思路對錨桿復合土釘支護體系受力情況進行了研究。研究結果表明：最小勢能法能夠計算并有效反映上述支護體系的真實受力狀態。郭紅仙等［4］針對土釘設置長度對加固后的路塹穩定性的影響問題，采用平衡分析方法進行了深度研究。分析結果表明：在不同地質條件的路塹中，土釘長度根據路塹深度設計成不同的路塹深度比加固效果最佳。孫林娜等［5-6］提出了采用FLAC 3D軟件建立三維模型研究支護結構間的協同作用機理。模擬結果表明：不同的墻釘比，支護結構的受力狀態各不相同。李浩等［7-8］專門就土釘加固方式中主要設計參數對加固完成后的邊坡安全性的影響進行了研究。研究結果表明：朗肯土壓力理論能夠用于有效了解土釘安設角度以及邊坡土的力學特性的相關因素對加固效果進行影響分析。郝明輝等［9］采用Mohr-Coulomb準則研究了如何計算和有效反映土釘對邊坡的加固作用。研究結果表明：涉及土釘的相關參數諸如間距、長度等對邊坡安全系數有較大影響。

由以上討論可知：當前針對土釘加固支護方式和土釘和錨桿復合加固支護體系的加固效果研究成果頗多，然而對于路塹邊坡坡度帶來的對加固效果的影響研究較少。本文依托某公路路塹開挖邊坡工程，通過Midas GTS軟件建立了路塹邊坡的土釘加固支護模型進行二維條件下的土釘支護效果研究，主要通過對比3種不同邊坡坡度條件下的土釘軸力大小變化特征，提出了該種土釘加固方式下的較為合理的路塹邊坡坡度。

1 工程概況

某公路路線全長3.258 km，二級公路標準，路面寬12 m，兩側各設0.5 m路邊石，路基全寬13 m。路面為瀝青混凝土路面結構。部分路段需開挖路塹，開挖模型如圖1所示，開挖深度為5.8 m，周邊有20 kPa的均布荷載分布，采用土釘墻加噴射混凝土支護，土釘設計為20 mmHRB400鋼筋。共設計3排土釘，每排土釘長度為5 m，斜向下以15°打入土體中，同時加設預應力抗拉強度為30 MPa。土層自上而下共設有3層，雖均為第四紀粉質黏土，但每個土層的物理力學參數有一定差異，自上而下分別為土層1、土層2、土層3，各土層物理力學參數如表1所示。

2 數值模型的建立

根據上述邊坡工程開挖模型采用Midas GTS軟件對照進行合理建模，通過網格剖分，將路塹邊坡工程模型剖分為7 052個有限單元體，單元節點數共計7 021個。按照表1所示的自上而下的各土層物理力學參數對其各個區域的巖土體材料性質進行參數設置和賦值。

邊界條件設置：路塹左右兩側均為固定邊界約束，底部也為固定邊界約束，上部及路塹開挖深度范圍內的土體邊坡坡面和底部均為自由約束。其中邊坡坡度共設計了75°、63.5°、53°3種工況條件。

3 計算結果分析

為了對不同邊坡坡度條件下的土釘受力特性進行分析，分別進行了75°、63.5°、53°邊坡坡度3種工況條件的土釘加固路塹邊坡的穩定性求解計算，通過出圖操作導出計算的土釘軸力圖，得到了75°邊坡坡度條件下的土釘加固路塹邊坡的土釘軸力變化云圖，如圖2所示；63.5°邊坡坡度條件下的土釘加固邊坡的土釘軸力變化云圖，如圖3所示；53°邊坡坡度條件下的土釘加固邊坡的土釘軸力變化云圖，如圖4所示；最后，通過將各排土釘軸力進行統計并繪制了如圖5所示的3種坡度條件下的各排土釘的軸力大小分布圖。

3.1 路塹邊坡為75°

當邊坡坡度設置為75°時，通過計算，并繪制相應的軸力變化云圖，獲得了如圖2所示的土釘軸力大小分布變化云圖。

由圖3可知，路塹邊坡坡度為75°條件下第一排土釘最大軸力約為24.4 kN，最大軸力沿土釘長度近似平均分布；第二排土釘的最大軸力約為37.6 kN，最大軸力集中分布于靠近開挖邊界的端部；第三排土釘的最大軸力約為39.3 kN，最大軸力同樣集中分布于靠近開挖邊界的端部并呈現出向深處逐漸變小的趨勢，但最大軸力分布范圍較第二排土釘更大。

3.2 路塹邊坡為63.5°

由圖3可知，路塹邊坡坡度為63.5°條件下第一排土釘最大軸力約為17.9 kN，最大軸力沿土釘長度近似平均分布；第二排土釘的最大軸力約為30.4 kN，最大軸力集中分布于靠近開挖邊界的端部；第三排土釘的最大軸力約為34.1 kN，最大軸力同樣集中分布于靠近開挖邊界的端部并呈現出向深處逐漸變小的趨勢，但最大軸力分布范圍較第二排土釘更大。

3.3 路塹邊坡為53°

由圖4可知，路塹邊坡坡度為53°條件下第一排土釘最大軸力約為14.3 kN，最大軸力沿土釘長度近似平均分布；第二排土釘的最大軸力約為27.3 kN，最大軸力集中分布于靠近開挖邊界的端部；第三排土釘的最大軸力約為30.1 kN，最大軸力同樣集中分布于靠近開挖邊界的端部并呈現出向深處逐漸變小的趨勢，但最大軸力分布范圍較第二排土釘更大。

由上述分析可知：隨著路塹邊坡坡率的降低，土釘的最大和最小軸向拉力均逐漸減小，將上述各工況每排土釘軸力變化統計，繪制出如圖5所示的各排土釘軸力隨邊坡坡度變化曲線圖。

由圖5（a）可知，第一排土釘的最大、最小軸力均隨著路塹邊坡逐漸趨緩而變小，而圖5（b）、5（c）中的第二、三排土釘最大、最小軸力隨著路塹邊坡坡度減小呈逐漸變小的特征。相對于坡度為75°邊坡，63.5°邊坡的第一排土釘最大軸力降低了約11.6%，第二排土釘的最大軸力降低了約15.4%，第三排土釘的最大軸力降低了約14.3%；53°邊坡的第一排土釘最大軸力降低了約19.5%，第二排土釘的最大軸力降低了約20.3%，第三排土釘的最大軸力降低了約50.4%。3種工況下土釘抗拉強度利用率（軸向拉應力/0.7倍抗拉強度設計值）依次為：49.7%、43.1%、39.2%。

4 結語

本文依托某公路路塹開挖邊坡工程，通過Midas GTS軟件進行了不同邊坡坡度條件下的土釘軸力分布變化分析，得到如下結論：

（1）各坡度條件下，第一排土釘最大軸力均為最小，且最大軸力沿土釘長度近似均勻分布；第二排、第三排土釘最大軸力集中分布于靠近開挖邊界的端部，向深處逐漸變小的趨勢。

（2）相對于坡度為75°，63.5°邊坡的土釘最大軸力降低幅度自第一排至第三排逐漸增大；53°邊坡各排土釘最大軸力降低了約19.5%，第二排土釘的最大軸力降低了約20.3%，第三排土釘的最大軸力降低了約50.4%，降低幅度最大。

（3）3種工況下土釘抗拉強度利用率（軸向拉應力/0.7倍抗拉強度設計值）依次為：49.7%、43.1%、39.2%。均滿足規范要求。實際工程中可根據場地要求進行邊坡開挖的坡度設計。

參考文獻：

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作者簡介：趙東戈（1988—），工程師，研究方向：公路橋梁養護工程。