不同坡度下土釘軸力分布及加固效果分析探究

劉力 胡騰

（湖北交投智能檢測股份有限公司，湖北 武漢 430030）

0 引言

由于施工速度快且便捷，支護方式成本低廉，加固效果明顯，土釘加固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，盧敦華等[1]應用應變軟化模型針對巖土體材料的特性展開了研究。結果表明，應變軟化模型結合三維數值模擬軟件FLAC3D，能夠模擬路塹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研究錨桿復合土釘支護體系受力情況。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影響問題，采用平衡分析方法開展了深度研究。分析結果顯示，在不同地質條件下，通過路塹深度設計不同的土釘長度可實現最佳加固效果。孫林娜等[5，6]提出了采用FLAC3D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]專門研究了土釘加固方式中主要設計參數對加固完成后邊坡安全性的影響。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及邊坡土力學特性相關因素對加固效果影響的分析。郝明輝等[9]采用Mohr-Coulomb準則研究了如何計算并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。楊智等依托快速拉格朗日元數值方法模擬了施工中土釘與土體的相互作用機理。模擬結果表明，開挖越深對土體的擾動越大，且不同高度處設置的土釘受力特點亦有不同。

由以上討論可知，當前針對土釘加固支護方式和“土釘、錨桿”復合加固支護體系的加固效果研究成果頗多，針對路塹邊坡坡度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數值模擬軟件建立了路塹邊坡的土釘加固支護模型，用于研究二維條件下土釘支護效果，主要通過對比三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中較為合理的路塹邊坡坡度。

1 工程概況

某公路路線全長3.258km，按照二級公路標準建設，單幅路面寬12m，兩側各設0.5m路邊石，路基全寬13m。路面為瀝青混凝土結構。部分路段須開挖路塹，開挖模型如圖1所示，開挖深度為5.8m，周邊有20kPa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HRB400鋼筋，采用φ20mm。共設計3排土釘，每排土釘長度為5m，斜向下以15°打入土體中，同時加設預應力抗拉強度30MPa。土層自上而下共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。

圖1 實體工程模型

表1 土層物理力學參數

2 數值模型建立

根據上述邊坡工程開挖模型采用MIDAS/GTS軟件對照后合理建模，通過網格剖分，將路塹邊坡工程模型剖分為7052個有限單元體，單元節點數共計7021個。按照表1中所示的自上而下的各土層物理力學參數，設置各個區域的巖土體材料性質并賦值。

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。

3 計算結果分析

為了分析不同邊坡坡度條件下的土釘受力特性，本文分別設置75°、63.5°、53°三種邊坡坡度工況條件，求解計算土釘加固路塹邊坡的穩定性，通過出圖操作將計算的土釘軸力圖導出，分別得到了三種邊坡坡度條件下土釘加固路塹邊坡的土釘軸力變化云圖，如圖2至圖4所示，并繪制了三種坡度條件下各排土釘軸力大小分布圖，如圖5所示。

3.1 路塹邊坡為75°

當邊坡坡度設置為75°時，軸力變化如圖2所示。

圖2 邊坡坡度75°土釘軸力云圖

由圖2可知，在路塹邊坡坡度為75°的條件下，第一排土釘最大軸力約為24.4kN，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37.6kN，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39.3kN，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°

圖3 邊坡坡度63.5°土釘軸力云圖

由圖3可知，在路塹邊坡坡度為63.5°的條件下，第一排土釘最大軸力約為17.9kN，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30.4kN，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34.1kN，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°

圖4 邊坡坡度53°土釘軸力云圖

由圖4可知，在路塹邊坡坡度為53°的條件下，第一排土釘最大軸力約為14.3kN，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27.3kN，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30.1kN，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，根據上述各工況每排土釘軸力變化的統計結果，繪制出各排土釘軸力隨邊坡坡度的變化情況，如圖5所示。

圖5 各工況每排土釘軸力分布

由圖5（a）所示，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，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特征。相對于坡度為75°和63.5°時，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%。三種工況下，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%和39.2%。

4 結束語

本文依托某公路路塹開挖邊坡工程，通過MIDAS/GTS數值模擬軟件分析了不同邊坡坡度條件下的土釘軸力分布變化，并得出如下結論：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，呈向深處逐漸變小的趨勢。相對于75°坡度，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。三種工況下，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%和39.2%。均滿足規范要求，在實際工程中可根據場地要求設計邊坡開挖的坡度。