土钉墙加固公路边坡的稳定性分析

张传芬

摘要：文章针对土钉墙对邊坡加固的效果等问题，基于边坡有限元数值分析模型，研究不同土钉设置参数（土钉数目、土钉间距、土钉长度）条件下，公路边坡安全次数的变化规律。研究成果表明，不同的土钉设置参数对于边坡安全系数具有不同的影响规律：（1）土钉数目对边坡安全系数影响最大，安全系数线性增大，由1.231提高到1.622;（2）土钉间距对安全系数影响程度较小，最佳的间距范围为0.5～1.0 m;（3）土钉长度受滑坡面位置的影响，考虑经济与施工因素，长度不宜超出滑坡面过长。

关键词：公路边坡;土钉墙;设置参数;边坡安全系数

0 引言

目前，随着我国交通基础设施建设的不断加速，公路交通数量与规模不断扩大，在穿越不同地形区域时，公路建设必然会形成大量边坡，道路边坡的稳定性分析及其加固处理也是公路施工的重要内容[1]。针对公路施工建设过程中的边坡加固措施，许多学者根据施工区域具体条件展开研究，王聪聪等[2]研究采用抗滑桩对边坡加固的影响，从边坡内部力与位移的变化评价其加固效果;吴九江等[3]分析土钉与预加固相结合方式对黄土边坡稳定性的影响;李国维等[4]研究采用现场模型试验模拟分析玻璃纤维锚杆对边坡加固的效果;陈强等[5]以武汉绕城公路为工程背景，总结工程中所采用的生态护坡的方案及其加固效果。公路边坡的稳定性加固已经提出多种方式，具体的加固方案应该根据施工区域的地质条件等，综合考虑安全与经济因素制定。土钉墙支护措施是一种有效的边坡加固方案，既包裹伸入土体内部的土钉，还包裹边坡表面的混凝土面层，能够对原位土体实现加筋处理[6-8]。在公路边坡加固过程中，土钉墙支护参数对于加固效果具有重要影响，尤其是土钉的数量、长度以及放置间距等因素，因此，研究不同设置参数影响下土钉墙的支护效果具有重要意义。

土钉墙对于边坡加固具有良好的效果，因此，本文以公路工程中土钉墙加固边坡为研究对象，利用有限元数值分析方法，建立边坡数值模型，以边坡安全系数为评价指标，通过不同土钉参数设置，包括土钉数目、土钉间距、土钉长度等，研究边坡安全系数的变化以确定最佳的设置参数，能够为公路边坡土钉墙加固提供一定的指导。

1 边坡稳定性分析原理

1.1 Mohr-Coulomb强度准则

Mohr-Coulomb强度准则是岩土材料稳定性分析最为常用的强度准则之一，强度准则主要包括2个部分，其一为岩土体材料自身的粘聚力，反映在岩体结构的粘聚力上，其二为岩土体材料的摩擦特性，体现在材料的内摩擦角上。因此，Mohr-Coulomb强度准则可以表述为：岩土体的抗剪强度可由粘聚力加上法向应力产生的摩擦力组成，具体表达式如式（1）所示[9]：

（3）通过综合考虑Mohr-Coulomb强度准则以及边坡条带之间力的平衡关系，最终可以得到Morgenstern-Price法的隐式函数，具体求解方法可以采用迭代的方式，通过不同安全系数的迭代，最终求得边坡分析的安全系数。

1.3 边坡稳定性分析

根据具体工程中边坡的具体规模与范围，建立了公路边坡稳定性分析模型，如图1所示，土体以及土钉的具体参数，如表1所示。

根据Morgenstern-Price方法分析得到的初始未加固状态下边坡的安全系数为1.231，为了保证边坡的稳定性需要对边坡进行加固。

2 土钉墙加固边坡安全系数

2.1 土钉数目对安全系数的影响

为研究土钉数目对边坡安全系数的影响，分别研究土钉数目为1、2、3、4、7、8时公路边坡安全系数的变化，限于篇幅原因，下页图2分别列出了土钉数目为2、4、7时，边坡稳定性分析的安全系数。

根据上述分析可以得到边坡安全系数的变化规律，土钉数目为1、2、3、4、7、8时，边坡的安全系数分别为1.287、1.334、1.384、1.454、1.584、1.622，根据数据分析软件可以得到土钉数目与边坡安全系数大致呈线性关系（见图3）。因此，研究结果表明土钉能够有效提高边坡的稳定性，土钉数目越多加固效果越好，但是由于土钉施工需要耗费一定的时间，因此，应该根据具体的施工环境与施工要求选择合理的土钉数目。

2.2 土钉间距对安全系数的影响

根据土钉数目与边坡安全系数的关系，在分析土钉间距对边坡安全系数的影响时，固定土钉数目为4，土钉间距按照竖向距离分析，距离分别为0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m，分别得到不同距离条件下边坡安全系数，限于篇幅原因，图4分别列出了土钉间距为1.0 m、2.0 m时，边坡稳定性分析的安全系数图。

根据上述分析可以得到边坡安全系数的变化规律，土钉间距为0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m时，边坡的安全系数分别为1.395、1.393、1.389、1.388。数值分析结果表明土钉间距的变化对边坡安全系数的影响程度较小，当土钉间距为0.5～1.0 m时，安全系数几乎不发生变化，但是相对于未支护条件下稳定性增强;当土钉间距为1.5～2.0 m时，安全系数值几乎相同，但相较于0.5～1.0 m范围，安全系数是降低的。

2.3 土钉长度对安全系数的影响

通过分析土钉数目与土钉间距对边坡安全系数的影响，相较于土钉间距，土钉数目对边坡稳定性影响较大，根据现有工程经验表明土钉长度对于边坡的安全系数具有重要影响。因此，固定土钉数目为4，土钉间距为2.0 m，土钉长度分别为7.0 m、8.0 m、9.0 m、10.0 m、12.0 m，分别得到不同距离条件下边坡安全系数，限于篇幅原因，图5分别列出了土钉间距为8.0 m、10.0 m时边坡稳定性分析的安全系数图。

根据上述分析可以得到边坡安全系数的变化规律，土钉长度为7.0 m、8.0 m、9.0 m、10.0 m、12.0 m时，边坡的安全系数分别为1.258、1.361、1.367、1.375、1.385。根据数值分析结果可以得到，土钉长度对于边坡加固的效果的主要影响因素为滑动面的位置，当土钉长度未超过滑动面时，土钉几乎对滑坡起不到加固效果，随着土钉超出滑动面的部分逐渐增大，边坡的安全系数逐渐增大，加固效果越来越明显。

3 结语

针对土钉墙加固公路边坡效果的问题，建立有限元边坡数值模型，根据不同土钉设置参数下边坡安全系數变化规律，对土钉墙对边坡的加固效果进行研究。根据数值分析结果表明土钉对于边坡具有明显的加固效果，不同的设置参数加固效果不同，其中土钉数目是影响加固效果的最主要因素，边坡的安全系数提高明显。土钉间距与土钉长度对边坡加固也具有一定程度的影响，不同范围的土钉间距加固效果相差不大，土钉长度的作用效果主要受到滑坡带位置的影响。

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收稿日期：2020-05-27