不同坡度下土钉轴力分布及加固效果分析探究

刘力 胡腾

（湖北交投智能检测股份有限公司，湖北 武汉 430030）

0 引言

由于施工速度快且便捷，支护方式成本低廉，加固效果明显，土钉加固在路堑边坡工程设计中受到普遍青睐，并在实际工程中得到广泛应用。学者们针对土钉支护方式的加固效果做了大量研究，卢敦华等[1]应用应变软化模型针对岩土体材料的特性展开了研究。结果表明，应变软化模型结合三维数值模拟软件FLAC3D，能够模拟路堑位移和受力的合理表征。王辉等[2，3]提出了采用稳定性分析的新思路研究锚杆复合土钉支护体系受力情况。研究结果表明，最小势能法能够计算并有效反映上述支护体系的真实受力状态。郭红仙等[4]针对土钉设置长度对加固后的路堑稳定性影响问题，采用平衡分析方法开展了深度研究。分析结果显示，在不同地质条件下，通过路堑深度设计不同的土钉长度可实现最佳加固效果。孙林娜等[5，6]提出了采用FLAC3D软件建立三维模型研究支护结构间的协同作用机理。模拟结果表明，不同的墙钉比，支护结构的受力状态各不相同。李浩等[7，8]专门研究了土钉加固方式中主要设计参数对加固完成后边坡安全性的影响。研究结果表明，朗肯土压力理论能够用于有效了解土钉安设角度及边坡土力学特性相关因素对加固效果影响的分析。郝明辉等[9]采用Mohr-Coulomb准则研究了如何计算并有效反映土钉对边坡的加固作用。研究结果表明，涉及土钉的相关参数，诸如间距、长度等对边坡安全系数有较大影响。杨智等依托快速拉格朗日元数值方法模拟了施工中土钉与土体的相互作用机理。模拟结果表明，开挖越深对土体的扰动越大，且不同高度处设置的土钉受力特点亦有不同。

由以上讨论可知，当前针对土钉加固支护方式和“土钉、锚杆”复合加固支护体系的加固效果研究成果颇多，针对路堑边坡坡度对加固效果的影响研究较少。本文依托某公路路堑开挖边坡工程，通过MIDAS/GTS数值模拟软件建立了路堑边坡的土钉加固支护模型，用于研究二维条件下土钉支护效果，主要通过对比三种不同边坡坡度条件下的土钉轴力大小变化特征，提出了该种土钉加固方式中较为合理的路堑边坡坡度。

1 工程概况

某公路路线全长3.258km，按照二级公路标准建设，单幅路面宽12m，两侧各设0.5m路边石，路基全宽13m。路面为沥青混凝土结构。部分路段须开挖路堑，开挖模型如图1所示，开挖深度为5.8m，周边有20kPa的均布荷载分布，采用土钉墙加喷射混凝土支护，土钉设计为HRB400钢筋，采用φ20mm。共设计3排土钉，每排土钉长度为5m，斜向下以15°打入土体中，同时加设预应力抗拉强度30MPa。土层自上而下共3层，虽均为第四纪粉质黏土，但每个土层的物理力学参数有一定差异，自上而下分别为土层1、土层2、土层3，各土层物理力学参数如表1所示。

图1 实体工程模型

表1 土层物理力学参数

2 数值模型建立

根据上述边坡工程开挖模型采用MIDAS/GTS软件对照后合理建模，通过网格剖分，将路堑边坡工程模型剖分为7052个有限单元体，单元节点数共计7021个。按照表1中所示的自上而下的各土层物理力学参数，设置各个区域的岩土体材料性质并赋值。

路堑左右两侧均为固定边界约束，底部也为固定边界约束，上部及路堑开挖深度范围内的土体边坡坡面和底部均为自由约束。

3 计算结果分析

为了分析不同边坡坡度条件下的土钉受力特性，本文分别设置75°、63.5°、53°三种边坡坡度工况条件，求解计算土钉加固路堑边坡的稳定性，通过出图操作将计算的土钉轴力图导出，分别得到了三种边坡坡度条件下土钉加固路堑边坡的土钉轴力变化云图，如图2至图4所示，并绘制了三种坡度条件下各排土钉轴力大小分布图，如图5所示。

3.1 路堑边坡为75°

当边坡坡度设置为75°时，轴力变化如图2所示。

图2 边坡坡度75°土钉轴力云图

由图2可知，在路堑边坡坡度为75°的条件下，第一排土钉最大轴力约为24.4kN，最大轴力沿土钉长度近似平均分布；第二排土钉的最大轴力约为37.6kN，最大轴力集中分布于靠近开挖边界的端部；第三排土钉的最大轴力约为39.3kN，最大轴力同样集中分布于靠近开挖边界的端部，并呈现出向深处逐渐变小的趋势，但最大轴力分布范围较第二排土钉更大。

3.2 路堑边坡为63.5°

图3 边坡坡度63.5°土钉轴力云图

由图3可知，在路堑边坡坡度为63.5°的条件下，第一排土钉最大轴力约为17.9kN，最大轴力沿土钉长度近似平均分布；第二排土钉的最大轴力约为30.4kN，最大轴力集中分布于靠近开挖边界的端部；第三排土钉的最大轴力约为34.1kN，最大轴力同样集中分布于靠近开挖边界的端部并呈现出向深处逐渐变小的趋势，但最大轴力分布范围较第二排土钉更大。

3.3 路堑边坡为53°

图4 边坡坡度53°土钉轴力云图

由图4可知，在路堑边坡坡度为53°的条件下，第一排土钉最大轴力约为14.3kN，最大轴力沿土钉长度近似平均分布；第二排土钉的最大轴力约为27.3kN，最大轴力集中分布于靠近开挖边界的端部；第三排土钉的最大轴力约为30.1kN，最大轴力同样集中分布于靠近开挖边界的端部并呈现出向深处逐渐变小的趋势，但最大轴力分布范围较第二排土钉更大。

由上述分析可知，随着路堑边坡坡率的降低，土钉的最大和最小轴向拉力均逐渐减小，根据上述各工况每排土钉轴力变化的统计结果，绘制出各排土钉轴力随边坡坡度的变化情况，如图5所示。

图5 各工况每排土钉轴力分布

由图5（a）所示，第一排土钉的最大、最小轴力均随着路堑边坡逐渐趋缓而变小，图5（b）、5（c）中的第二、三排土钉最大、最小轴力随着路堑边坡坡度减小呈逐渐变小特征。相对于坡度为75°和63.5°时，第一排土钉最大轴力降低了约11.6%，第二排土钉的最大轴力降低了约15.4%，第三排土钉的最大轴力降低了约14.3%；53°边坡的第一排土钉最大轴力降低了约19.5%，第二排土钉的最大轴力降低了约20.3%，第三排土钉的最大轴力降低了约50.4%。三种工况下，土钉抗拉强度利用率（轴向拉应力/0.7倍抗拉强度设计值）依次为49.7%、43.1%和39.2%。

4 结束语

本文依托某公路路堑开挖边坡工程，通过MIDAS/GTS数值模拟软件分析了不同边坡坡度条件下的土钉轴力分布变化，并得出如下结论：各坡度条件下，第一排土钉最大轴力均为最小，且最大轴力沿土钉长度近似均匀分布；第二排、第三排土钉最大轴力集中分布于靠近开挖边界的端部，呈向深处逐渐变小的趋势。相对于75°坡度，63.5°边坡的土钉最大轴力降低幅度自第一排至第三排逐渐增大；53°边坡各排土钉最大轴力降低了约19.5%，第二排土钉的最大轴力降低了约20.3%，第三排土钉的最大轴力降低了约50.4%，降低幅度最大。三种工况下，土钉抗拉强度利用率（轴向拉应力/0.7倍抗拉强度设计值）依次为49.7%、43.1%和39.2%。均满足规范要求，在实际工程中可根据场地要求设计边坡开挖的坡度。