喻曉今

（華東交通大學土木建筑學院，江西南昌330013）

對邊坡基坑臨空面附近土體的力學性質(zhì)有許多研究。關于土壓力理論，主要還是在朗肯土壓力和庫侖土壓力理論上的發(fā)展與調(diào)試；關于土體的強度，主要還是以屈斯卡、廣義屈斯卡、米澤斯、廣義米澤斯和莫爾-庫侖等等理論為基礎；而土體穩(wěn)定性則以塑性力學的極限理論等為主要的依據(jù)［1-2］。對于邊坡基坑工程的穩(wěn)定性評價，有關方法都基于一定的假定，建立某種實體模型，故適于某些應用范圍。文［3］更具體地列舉了以下主要幾種方法的特點，例如：瑞典圓弧法，以滑弧塊體為對象，適于某些軟弱淤泥地基；Terzaghi法，采用土體豎直條分，其穩(wěn)定性系數(shù)被廣泛性應用，偏于安全，誤差不超過15%；Bishop法用于近圓弧對象，考慮土條兩側推力時，分條數(shù)不宜過大；Janbu法適于任意形狀滑動面，豎直條分；Sarma法評價各種破壞模式下的邊坡的穩(wěn)定性，條塊的分條是任意的；Morgenstern-Prise法要求垂直條分滑體，充分考慮條間作用力，計算過程比較復雜；Spencer法用于圓弧破壞穩(wěn)定性，等寬條分等等。從中可見，土體穩(wěn)定性研究采用平面應變問題假定，最危險的滑弧、滑裂面一般過坡腳，綜合了力、力矩平衡理論，即涉及土體的應力、抗剪能力的分析等因素。文［4］將邊坡位移細分過程計算，未提出新參數(shù)。文［5-6］爭論焦點在Mohr-Coulomb強度準則與統(tǒng)一強度理論的本質(zhì)是繼承還是發(fā)展的看法上。文［1-14］未發(fā)現(xiàn)土釘支護后全面仿照純土體的參數(shù)的概念的演繹。

為尋找土釘支護工程中簡便分析方法，同時又使概念清晰，用于探討土釘支護后的土體對于破裂時的數(shù)據(jù)與土工參數(shù)的對應規(guī)律，以小尺度試驗為根據(jù)，提出土釘支護后的有關混合體的力學性質(zhì)參數(shù)，以確定土釘支護強度比與有關參數(shù)的比值關系，具體是土釘支護強度比與類粘聚力、類破裂角的關系。

1 土釘支護試驗及數(shù)據(jù)整理

利用現(xiàn)場原位土體進行試驗，試驗場地是挖掘直立面坡腳，土釘支護采用擊入釘方式。利用地表水平面超載模式，加載采用逐級加載，直至土體破裂，試驗土體側面視圖見圖1。土體共進行了7次試驗。其中3 次無支護加載試驗，用以測定土體的物理力學性質(zhì)，定性對比試驗效果的可靠性，其余用于土釘支護試驗，以確定相應條件下的土釘支護參數(shù)與土體力學性質(zhì)的對應關系，如強度比B與超載值q、滑裂面水平長度d、滑裂面高度H等等參數(shù)的變化規(guī)律。

表1 試驗參數(shù)在破裂時所得數(shù)據(jù)Tab.1 Data of parameters of experiment at fracture

2 類土體參數(shù)的提出和計算

鑒于土體在土釘支護后，其相應的抗壓、抗剪強度等土工指標比不加支護者將有較大改變。為了使支護前后的有關參數(shù)既有實際意義又有可對比性、取得對這種比較的定量結論，避免誤讀誤解，這里借用土體物理力學性質(zhì)的已有概念，在已有名詞的基礎上，定義新的適用于土釘支護后土體對應的物理力學性質(zhì)參數(shù)，即將描述純土體的參數(shù)推廣于土釘支護后的土體，為與原來的參數(shù)區(qū)別，在原參數(shù)名稱的前面冠以“類”字，參數(shù)符號右上標為“*”。

這樣，對應于土體的破裂角度αf、內(nèi)摩擦角φ、朗肯主動土壓力系數(shù)Ka、粘聚力c、單位面積主動土壓力pa等，分別提出支護土體滑裂虛線與水平線夾角為類破裂角度、類內(nèi)摩擦角φ*、類朗肯主動土壓力系數(shù)Ka*、類粘聚力c*、類單位面積主動土壓力pa*等。另外，滑裂的臨界深度（高度）寫為z0，即等于H，見圖2，圖中h、e分別表示超載和滑裂體的重力中心與滑裂線（虛線）的交點之距離超載地面高度和該點距臨空面水平距離。

試驗現(xiàn)象表明，滑塌體幾乎接近三角楔，呈體內(nèi)破壞形式。為計算便捷，視滑塌體為一整體，看超載和滑塌體的重力中心與正側面的滑裂線的交點，認為此點的強度等參量可代表整體狀態(tài)，考察此處大主應力與類粘聚力c*的比值與強度比、類破裂角度的關系。

圖1 土釘支護立坡簡圖Fig1. Straight slope of soil nailing

圖2 土釘支護滑裂圖Fig2. Slipping fracture of soil nailing supporting

這里土體的滑塌采用朗肯主動土壓力假定來分析，求解滑裂高度以其理論中存在超載的情形進行計算，即滑裂面的高度H是由土壓力大于零處而確定的。據(jù)此，以下便是土體釘后相應類力學性質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)的計算步驟：① 按三角形滑楔體計算類破裂角度，即以滑裂面水平長度與滑裂面高度確定滑裂線與水平線的夾角；② 按公式φ=2(αf-45°)計算類內(nèi)摩擦角φ*；③ 以公式Ka=tan2(45°-φ/2)計算類朗肯主動土壓力系數(shù)Ka*；④ 按臨界深度公式計算類粘聚力c*；⑤ 計算超載和滑裂體的重力中心與滑裂線交點處的土壓力，公式是pa=(q+γ·z)Ka-2c，z值取h；⑥ 計算大主應力σ1=σ3tan2(45°+φ/2)+2c·tan(45°+φ/2)。按以上步驟的計算結果見表2。

表2 試驗類參數(shù)計算結果Tab.2 Computing results of experimental parameters

3 強度比等參數(shù)關系的擬合

測取、計算有關試驗數(shù)據(jù)后，進行數(shù)據(jù)的多元線性回歸擬合，模型為y=b0+b1x1+b2x2，令其中y為大主應力與類粘聚力之比σ1/c*，x1為強度比B，x2為類破裂角。得到的回歸方程為

σ1/c*=-6.016+0.162B+0.146

4 土釘支護實例回歸值與定義值

文［8］中基坑為直立面，坑深9.0 m，土釘支護設計參數(shù)為：土釘水平和垂直間距分別為SH，SV，SH=SV=1.5 m，土釘鋼筋為4 Φ 28，土體重度是18 kN·m-3，地面超載為50 kPa，支護工作正常。按一般穩(wěn)定安全系數(shù)取1.2 計，取坑深失穩(wěn)深度與正常支護深度比值為1.2，預計其在現(xiàn)狀時的破裂線高度H，則得H=10.8 m，按以上類參數(shù)定義的計算步驟和公式進行計算，并按回歸公式算得該例有關參數(shù)的有限個取值見表3。

表3 土釘支護實例的計算值與回歸值的比較Tab.3 Comparison of computing values and regression values of a case

5 結論

1）適應土體在土釘支護后的變化，借用土工參數(shù)，擴展為“類”參數(shù)，既說明問題，又不被誤解。以朗肯主動土壓力假定來分析計算陡坡基坑土釘支護的類物理力學參數(shù)、存在超載的情況求解滑裂高度時，其滑裂面的高度H是對應土壓力等于零處的臨界深度，找到了類粘聚力c*等參數(shù)用于描述被支護土體。

2）若以相同重度、不相同超載的土釘支護土體實例計算結果而論，在γ約為18 kN·m-3，φ約為24°的粉砂質(zhì)土條件時，本試驗結果的大主應力與類粘聚力的比值、強度比、類破裂角之間關系的回歸值對應實例中的破裂角為80°的情形，可以回歸公式來作為土釘支護預期破裂數(shù)據(jù)的依據(jù)之一。

［1］陳希哲.土力學地基基礎［M］.4版.北京：清華大學出版社，2004：188-234.

［2］李廣信.高等土力學［M］.北京：清華大學出版社，2004：114-174.

［3］佴磊，徐燕，代樹林.邊坡工程［M］.北京：科學出版社，2010：64-85.

［4］董建華，朱彥鵬.地震作用下土釘支護邊坡永久位移計算方法研究［J］.工程力學，2011，28（10）：101-110.

［5］余文龍.關于“非飽和土抗剪強度及土壓力統(tǒng)一解”的討論［J］.巖石力學，2011，32（4）：1278.

［6］張常光，趙均海.對“關于‘非飽和土抗剪強度及土壓力統(tǒng)一解’的討論”的答復［J］.巖石力學，2011，32（4）：1278-1280.

［7］陳肇元，崔京浩.土釘支護在基坑工程中的應用［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1997：16-25.

［8］段立平，李海深.考慮土拱效應的土釘墻內(nèi)部豎向平均應力分析［J］.路基工程，2011（1）：111-113.

［9］曾鮮明，林潤德，易平.基坑與邊坡事故警示錄［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1999：4-97.

［10］喻曉今.土釘瞬態(tài)應力動力特性對比研究［J］.合肥工業(yè)大學學報，2007，30（11）：1505-1508.

［11］蘇立君，李彥龍，殷建華.土的剪脹性及灌漿壓力對土釘抗拔強度影響的數(shù)值分析［J］.西安建筑科技大學學報，2011，43（4）：480-485.

［12］李平，郭佳隴，高德清.基坑坑壁土釘支護技術應用研究［J］.路基工程，2011（4）：28-30.

［13］YU XIAOJIN. Studies of structural parameters of soil nailing support on steep slope［C］//The Second International Symposium on Innovation and Sustainability of Modern Railway. Irkutsk，Russia：Irkutsk State Transport University，2010：260-269.

［14］喻曉今，余學文，張豫.數(shù)種情形下土釘?shù)乃矐B(tài)應變累積效應分析［J］.華東交通大學學報，2006，23（4）：1-4.