張 瀾

(天津市勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300191 )

土釘支護(hù)是指以土釘作為主要受力構(gòu)件的巖土工程加固支護(hù)技術(shù)，它由密集的土釘群、被加固的原位土體、噴混凝土面層、置于面層中的鋼筋網(wǎng)和必要的防水系統(tǒng)組成。在軟土等不良地質(zhì)條件下，土釘支護(hù)效果好，成本低，在當(dāng)前基坑開挖和邊坡開挖支護(hù)中應(yīng)用較廣。丁曉斌[1]以某工程為例，對(duì)復(fù)合土釘墻技術(shù)在基坑支護(hù)工程中適用的土質(zhì)范圍及設(shè)計(jì)選型進(jìn)行介紹，并對(duì)基坑支護(hù)中采用復(fù)合土釘墻施工技術(shù)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了總結(jié)分析; 闕云等[2]以實(shí)測(cè)土釘軸力數(shù)據(jù), 建立數(shù)據(jù)庫并進(jìn)行全面分析，以此對(duì)朗肯簡化增量法的模型準(zhǔn)確性進(jìn)行評(píng)估，并考察3種不同的工況對(duì)模型準(zhǔn)確性的影響；劉建維等[3]針對(duì)東黃山國際小鎮(zhèn)工程溝槽深基坑支護(hù)具有支護(hù)空間狹小、砂卵石地層滲透性強(qiáng)、顆粒松散、邊坡整體穩(wěn)定性差的特點(diǎn), 提出運(yùn)用微型樁、預(yù)應(yīng)力錨桿、土釘墻組合的復(fù)合支護(hù)體系；古海東等[4]采用同濟(jì)大學(xué)中型巖土離心機(jī)進(jìn)行了8組疏排樁-土釘墻組合支護(hù)基坑的離心模型試驗(yàn)?；陔x心模型試驗(yàn)結(jié)果,提出了疏排樁-土釘墻組合支護(hù)基坑樁間土拱效應(yīng)的最終形態(tài)分析模型,并結(jié)合三維有限元數(shù)值分析探討了樁間土拱效應(yīng)的動(dòng)態(tài)發(fā)展過程以及樁間距和土釘參數(shù)對(duì)土拱形態(tài)的影響規(guī)律。此外還有部分學(xué)者同樣采用數(shù)值方法，能量法等對(duì)土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析[5-9]。

本文以土釘墻邊坡支護(hù)為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬方法研究了粘聚力、噴錨混凝土厚度對(duì)邊坡側(cè)向位移和安全系數(shù)的影響，同時(shí)對(duì)比分析了帶土釘墻垂直開挖和不帶土釘墻開挖兩種施工方案下，邊坡安全系數(shù)的動(dòng)態(tài)變化過程。研究結(jié)果可為相關(guān)工程提供參考。

1 工程地質(zhì)概況

擬建工程所處大地構(gòu)造單元為華北準(zhǔn)地臺(tái)。以寶坻-寧河巖石圈斷裂為界，北部為燕山臺(tái)褶帶，南部為華北斷坳。華北斷坳是華北準(zhǔn)地臺(tái)的Ⅱ級(jí)構(gòu)造單元，是新生代以來的斷陷區(qū)。天津處于華北斷坳的東北部，其中包括滄縣隆起、黃驊坳陷和冀中坳陷三個(gè)Ⅲ級(jí)構(gòu)造單元。滄縣隆起含有王草莊凸起、潘莊凸起、白塘口凹陷、大城凸起、小韓莊凸起、雙窯凸起等Ⅳ級(jí)構(gòu)造單元，黃驊坳陷含有寧河凸起、北塘凹陷、板橋凹陷、港西凸起、岐口凹陷等Ⅳ級(jí)構(gòu)造單元。工程跨越了滄縣隆起內(nèi)的小韓莊凸起及黃驊凹陷內(nèi)的板橋凹陷、港西凸起、岐口凹陷，滄東斷裂、大張坨斷裂等從擬建道路內(nèi)通過。

擬建公路沿線跨越的主要斷裂構(gòu)造包括滄東斷裂、長蘆斷裂、大張坨斷裂。滄東斷裂—該斷裂南起山東大名，北與寧河—昌黎斷裂相交，全長約350 km。表現(xiàn)重力為梯度帶，斷裂總走向NE25°～45°，傾向SE，傾角20°～60°，多為上陡下緩的正斷層，斷裂為切穿古生界的基底斷裂。滄東斷裂形成于中生代，以始新世和漸新世早期活動(dòng)最強(qiáng)烈，兩盤落差近千米。漸新世晚期活動(dòng)減弱，斷距自南向北減小，落差700～100 m。至中新世斷距繼續(xù)減小，落差在二百米至幾十米，一直延續(xù)到第四紀(jì)。長蘆斷裂：位于塘沽城區(qū)西南，長度約14 km，走向北東，傾向南，傾角50°～73°，為正斷層，屬蓋層斷裂。大張坨斷裂：位于大港城區(qū)東南，長度約23 km，走向北東，傾向北西，傾角55°～62°，為正斷層，屬蓋層斷裂。

2 數(shù)值模型與計(jì)算參數(shù)

此次數(shù)值模擬采用二維有限元方法，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)土釘和擋水構(gòu)件的各種特性，土釘以及擋水結(jié)構(gòu)采用彈性模型，且均使用梁單元用于建模。圖1為實(shí)際工程中用土釘支護(hù)邊坡的幾何圖形。邊界的設(shè)置為左右兩端未開挖部分采用水平約束，頂部自由表面，土體采用彈塑性模型。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試，邊坡土體主要為軟黏性土，礦物成分主要包括有蒙脫石、伊利石等，碎屑礦物主要有石英與長石，其次含有少量方解石。通過對(duì)部分黏土樣進(jìn)行物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)定，測(cè)得其密度為1.86 g/m3，干密度1.32 g/m3，含水率20%，塑限含水率23%，液限含水率40%，塑性與液性指數(shù)分別為23，0.28。此次的黏土計(jì)算參數(shù)分別取自試驗(yàn)結(jié)果的平均值。

圖1 土釘墻模型

3 未開挖前邊坡穩(wěn)定性影響因素分析

3.1 粘聚力

材料參數(shù)的變化對(duì)土釘墻支護(hù)效果的影響十分顯著，因此保持幾何形狀恒定，來確定不同參數(shù)對(duì)土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。為探究粘聚力對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響，研究中使用的數(shù)值模型與前面分析中使用的模型相同，粘聚力值由20 kPa提高到120 kPa。圖2為不同粘聚力下，坡體側(cè)向位移變化情況。由圖可知，隨著粘聚力的增大，坡體位移呈非線性減小的變化趨勢(shì)。當(dāng)粘聚力位于20 kPa至60 kPa之間時(shí)，坡體位移減少速度最快，而當(dāng)粘聚力大于60 kPa時(shí)，坡體位移幾乎處于不變的趨勢(shì)，可見當(dāng)粘聚力為60 kPa時(shí)，坡體可以達(dá)到穩(wěn)定。圖3為邊坡安全系數(shù)隨粘聚力的變化規(guī)律。由圖可知，粘聚力與邊坡的安全系數(shù)成正比，這是由于粘聚力表征土的抗剪性能的大小，抗剪強(qiáng)度越大，邊坡越穩(wěn)定。

圖2 粘聚力與坡體位移變化規(guī)律 圖3 粘聚力與邊坡安全系數(shù)變化規(guī)律

3.2 噴錨涂層厚度

把錨固和噴混凝土結(jié)合起來，可以加固地下洞室圍巖或邊坡的措施。噴混凝土是利用噴漿設(shè)備向坡面開挖面噴一定厚度的混凝土層，借以支護(hù)邊坡。由于混凝土噴層密貼邊坡，并具柔軟性等特點(diǎn)，所以能承受較大荷載，并能控制坡體變形，充填膠結(jié)巖體表層裂隙，保護(hù)和發(fā)揮土體抗剪潛力。圖4為噴射的涂層厚度與坡體位移變化規(guī)律。由圖可知，混凝土噴射厚度的改變對(duì)坡體位移的影響不大，本例中采用40 mm即可滿足邊坡穩(wěn)定性要求，同時(shí)也可看到，邊坡的安全系數(shù)與涂層厚度同樣不相關(guān)，因此從經(jīng)濟(jì)的角度來看，只需按照最小噴射厚度進(jìn)行加固即可。

圖4 涂層厚度與坡體位移 圖5 涂層厚度與邊坡安全系數(shù)變化規(guī)律 變化規(guī)律

4 不同施工方案下邊坡安全系數(shù)的影響分析

本文對(duì)帶土釘墻垂直開挖和不帶土釘墻開挖兩種施工方案進(jìn)行了分析。模擬中每步開挖深度為0.5 m，1 m，2 m，其中土釘?shù)拇怪遍g距為0.5 m。圖6為不帶土釘墻支撐情況下，邊坡安全系數(shù)的動(dòng)態(tài)變化過程。由圖可知，隨著施工的進(jìn)行，邊坡的安全系數(shù)呈非線性逐漸減小，在開挖40%左右土方后，邊坡安全系數(shù)下降最快。此外，當(dāng)開挖土方量為32%以前，在每步開挖1 m的施工方案下，邊坡的安全系數(shù)都要大于其他兩種開挖方案。圖7為帶土釘墻支撐情況下，邊坡安全系數(shù)的動(dòng)態(tài)變化過程。由圖可知，在同一工程進(jìn)度下，帶土釘墻支撐的邊坡安全系數(shù)明顯大于不帶土釘墻邊坡的安全系數(shù)，這是由于土釘依靠與土體之間的界面粘結(jié)力或摩擦力，在土體發(fā)生變形的條件下被動(dòng)受力，并主要承受拉力作用。同時(shí)也可得出，土釘墻，充分的利用了原位土體自然穩(wěn)定的能力，能夠比較明顯的提高邊坡土體部分的抗傾覆、抗變形以及抗滑移的能力，有效的減小了土體側(cè)向的變形，增加了整體的穩(wěn)定性。可總結(jié)為以下幾點(diǎn)：(1)土釘對(duì)復(fù)合型土體進(jìn)行骨架箍束的作用；(2)土釘分別承擔(dān)載荷的作用；(3) 土釘在承受應(yīng)力時(shí)的應(yīng)力傳遞以及擴(kuò)散的作用；(4) 第四，土釘對(duì)面層約束的作用。

圖6 不帶土釘支護(hù)邊坡安全 圖7 帶土釘支護(hù)邊坡安全系數(shù)的動(dòng)態(tài)變化過程 系數(shù)的動(dòng)態(tài)變化過程

5 結(jié)語

本文以土釘墻邊坡支護(hù)為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬方法研究了粘聚力、噴錨混凝土厚度對(duì)邊坡側(cè)向位移和安全系數(shù)的影響，同時(shí)對(duì)比分析了帶土釘墻垂直開挖和不帶土釘墻開挖兩種施工方案下，邊坡安全系數(shù)的動(dòng)態(tài)變化過程。主要得到以下結(jié)果：

隨著粘聚力的增大，坡體位移呈非線性減小的變化趨勢(shì)，同時(shí)粘聚力與邊坡的安全系數(shù)成正比。此外當(dāng)粘聚力位于20～60 kPa之間時(shí)，坡體位移減少速度最快，而當(dāng)粘聚力大于60 kPa時(shí)，坡體位移幾乎處于不變的趨勢(shì)，混凝土噴射厚度的改變對(duì)坡體位移的影響不大，本例中采用40 mm即可滿足邊坡穩(wěn)定性要求，同時(shí)邊坡的安全系數(shù)與涂層厚度同樣不相關(guān)。無論有無土釘支撐情況下，邊坡的安全系數(shù)隨開挖深度增加均呈非線性逐漸減小，其中無土釘支撐情況下，在開挖40%左右土方后，邊坡安全系數(shù)下降最快。