土钉加固施工效果对边坡稳定性的影响研究

2022-10-18王继虎

水利科技与经济 2022年10期

王继虎

(济宁市水利工程施工公司，山东济宁 272000)

1 概述

土钉支护加固的方式因施工工期短、造价相对低廉而在放坡基坑工程的边坡、常见路基边坡和其他边坡工程中得到大量应用，但针对其施工质量控制和加固效果的研究较少。宋广等[1-2]为了研究微桩复合土钉支护形式相对于传统单纯采用土钉支护形式对边坡进行加固的优越性，基于某实例基坑边坡支护工程，在有限元中进行了两种支护形式下的边坡工程的模拟计算，通过对比分析其各自相应的土体变形特征，得出微桩复合土钉支护形式的加固方式在控制横向变形和减小土钉轴力上的优点，为复合加固方式在工程中的优化应用提供了有效帮助。李英俊等[3-4]研究了地震作用下，边坡土体的滑移对土钉轴力变化构成的多方面影响，得出土钉轴力随地震发生和边坡变形位移变化时的量化计算结果，通过实例验证和搜集文献中的试验结果得出该计算结果的合理性。王翠英等[5-6]利用SLIDE软件，对采用复合土钉支护形式的商住楼基坑边坡工程进行了变形稳定性探讨，结果证明其与实测基坑变形数据吻合，为后续施工变形预测提供了借鉴。郅彬等[7-8]针对复合土钉支护形式在黄土地质条件下的边坡工程中的适用性与受力特征进行了研究，并以黄土地区某采用复合土钉支护加固形式的边坡工程为依托，主要采用现监测的方式获得相关数据，并采用数值分析进行计算分析，将两种手段下获得的数据进行对照研究，结果表明复合土钉相对于纯土钉支护方式能够有效加强黄土边坡的稳定性，为复合土钉在黄土地质条件下边坡工程中的应用提供了理论依据。吴坤铭等[9-10]为了使土钉支护形式在基坑工程的应用更加合理化，进行了随机变量条件下的可靠度计算，实例验证了利用可靠度理论函数进行基坑土钉支护形式的设计计算是合理的。陈兵等[11]研究了在地震荷载作用下的稳定性，采用ABAQUS有限元软件，进行了不同季节条件下热-动力耦合计算模拟边坡变形位移响应特性，为土钉支护形式的加固方式在季节性冻土边坡工程中的应用提供了参考。

本文对位于山东省济宁市任城区的某建筑基坑土质边坡工程的土钉支护施工效果开展研究，通过模拟同一土钉支护设计方案在两种不同的施工质量下，土钉加固边坡后的边坡稳定性参数特征，得出在有效保证施工质量情况下的稳定性显著大于施工质量较差的情况。基于此，提出在工程设计方案确定后，一定保证在施工阶段的施工质量控制，这是保证土钉支护方式有效发挥相应效应的前提。

2 工程地质

拟建边坡工程位于山东省济宁市任城区内，为一建筑基坑土质边坡工程，边坡工程土体主要为第四纪沉积黏土，其相关物理力学参数见表1。计划随着基坑不断放坡开挖，对基坑边坡采用土钉支护加固的方式进行加固处理，以增强边坡的变形稳定性，见图1。计划开挖坡长10 m，为了有效保证基坑旁上方道路留有足够空间供材料运输的车辆通过，设计坡顶长18 m，坡高15 m，坡底长12 m。

表1 第四纪黏土层参数

图1 基坑边坡剖面

3 Geo-studio软件介绍

Geo-studio软件具有较强的可供用户选择的建模和进行多种分析的模块，而且针对同一模型可以进行不同条件下的变形分析。在Slope模块，使用者可以建立一个边坡模型，同时进行支护和无支护条件下的模拟计算分析，也可以进行变支护条件下的计算分析，通过设置不同的支护材料相关力学参数大小，实现同一模型不同支护条件下的模拟计算。例如，在进行支护效果研究中，可以将其中支护施工质量达到要求的土钉或者锚杆设置成真实的设计承受荷载能力，而相应的没有达到施工质量控制要求的，可以将力学强度参数值设置成较小值，而将完全没有达到施工质量的杆件设置成0，这样可以实现在变参数条件下的边坡稳定性分析研究。

4 边坡体模型创建

根据图1中的基坑边坡模型，通过Geo-studio中绘制区域的方式，建立多边形形式的边坡整体区域。通过输入材料选项，建立两种材料参数属性：一种为土钉的相关参数设置；另一种为土体的相关材料属性设置。在进行土钉的相关材料属性设置时，应将土钉的位置一并设置，通过将设置好的材料属性给以区域，即可使区域实现由黏土组成，并且由土钉加固支护。由于研究部分土钉施工质量不良时对边坡稳定性的影响，因此在进行第二个分析时，应将假设施工质量不良的土钉参数设置成较小值。假设上部3根施工质量均不良，因此将上部3根土钉的抗拉强度设置成0 kPa。基坑边坡分析模型见图2。

图2 基坑边坡分析模型

5 模拟结果

通过对施工质量控制良好条件下的基坑边坡稳定性分析与施工质量不良条件下造成上部3根土钉未有效发挥作用时的基坑边坡稳定性分析，得出有效保证施工质量在边坡工程中采用土钉加固形式下实现边坡稳固的重要性。

5.1 施工质量良好

图3为在保证4根设计的土钉都施工良好条件下的基坑边坡稳定性计算结果，图3中包括土条划分形式和相应的计算求解的临界滑面及临界滑面的安全系数结果。由图3可知，在采用土钉加固并有效保证施工质量的条件下，土质基坑边坡的稳定性明显较好，临界滑面的安全系数为1.474，大于1，并大于《建筑基坑设计规范》(JGJ 120-2012)中规定的1.2的安全系数，能够可靠保证基坑内相关基础建设施工的顺利进行。

图3 施工质量良好时边坡稳定性

图4为施工质量良好情况下的土坡临界滑面的抗剪强度大小分布情况。由图4可知，采用土钉加固形式并有效保证各个土钉的施工质量时，临界滑面上的最大土体抗剪强度约为130 kPa，土体与临界滑面之间的摩擦强度随着X值的增大先是逐渐增大，而后又迅速减小至20 kPa左右；在保持一段距离不变后，又缓慢减小至零。

图4 施工质量良好的滑面抗剪强度

5.2 施工质量不佳

图5为施工质量不佳条件下仅有一根土钉发挥加固土体的作用，图5中包括土条划分形式和相应的计算求解的临界滑面及临界滑面的安全系数结果。由图5可知，在采用但是施工质量没有得到有效保证的条件下，土质基坑边坡的稳定性明显较差，临界滑面的安全系数仅为1.062，略大于1，但是小于《建筑基坑设计规范》(JGJ 120-2012)中规定的1.2的安全系数，一定程度上不能可靠保证基坑内相关基础建设施工的顺利进行。

图5 施工质量不佳时边坡稳定性

图6为施工质量不佳情况下的土坡临界滑面的抗剪强度大小分布情况。

图6 施工质量不佳的滑面抗剪强度

由图6可知，采用土钉加固形式但只有最下方一根土钉施工质量良好并发挥了相应作用时，临界滑面上的最大土体抗剪强度约为100 kPa，显然小于4根土钉均发挥作用时的最大土体抗剪强度。土体与临界滑面之间的摩擦强度随着X值的增大先是逐渐增大，而后又迅速减小至略大于0 kPa值处，在保持一段距离不变后，又缓慢减小至零。