不同降雨入滲條件下預(yù)應(yīng)力錨索加固邊坡穩(wěn)定性分析①

次仁拉姆

（西藏自治區(qū)交通勘察設(shè)計(jì)研究院，西藏 拉薩850000）

根據(jù)邊坡失穩(wěn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)［1］，多數(shù)邊坡在降雨過程中或者降雨結(jié)束一定時(shí)間內(nèi)發(fā)生失穩(wěn)破壞。 諸多學(xué)者已經(jīng)認(rèn)識(shí)到降雨入滲對(duì)邊坡失穩(wěn)的影響：降雨入滲導(dǎo)致邊坡含水量增加，使邊坡自重增大，并且會(huì)引起邊坡非飽和區(qū)域的基質(zhì)吸力降低；對(duì)于部分土體，降雨還會(huì)弱化其力學(xué)參數(shù)，降低抗剪強(qiáng)度［2］。 分析已有研究成果可知，諸多學(xué)者對(duì)于未加固自然邊坡因降雨入滲引起的失穩(wěn)機(jī)理方面進(jìn)行了較多研究［3-13］，但對(duì)于加固前后邊坡安全系數(shù)及加固結(jié)構(gòu)內(nèi)力與降雨特性之間關(guān)系的研究較少。

基于以上研究現(xiàn)狀，本文結(jié)合實(shí)際工程實(shí)例，分析雨水入滲對(duì)孔隙水壓的影響，研究不同降雨特性對(duì)加固前后邊坡安全系數(shù)及預(yù)應(yīng)力錨索內(nèi)力的影響，為邊坡穩(wěn)定性分析和加固設(shè)計(jì)提供參考。

1 研究理論基礎(chǔ)

1.1 飽和-非飽和滲流

降雨過程中，邊坡內(nèi)部發(fā)生飽和-非飽和滲流，假定滲流滿足達(dá)西定律，根據(jù)質(zhì)量守恒原理，可以得到其滲流基本微分方程為［3］：

式中kx和ky分別為土體x和y方向的滲透系數(shù)；H為總水頭；Q為源匯項(xiàng)；mw為比水容重；γw為水的重度；t為滲流時(shí)間。

非飽和滲流過程中，土體體積含水量的變化會(huì)對(duì)基質(zhì)吸力和滲透系數(shù)產(chǎn)生影響，該影響可通過土水特征曲線和滲透系數(shù)曲線來描述。 該曲線可通過室內(nèi)外試驗(yàn)結(jié)合以下V-G 經(jīng)驗(yàn)公式［6］進(jìn)行擬合確定。

式中ua與uw分別為孔隙氣壓力和孔隙水壓力；θw為土體體積含水量；θr為土體殘余體積含水量；θs為土體飽和體積含水量；ψ為基質(zhì)吸力，ψ＝ua-uw；k（ψ）為不同基質(zhì)吸力對(duì)應(yīng)的滲透系數(shù)；ks為飽和滲透系數(shù)；m、n、a均為擬合曲線參數(shù)，其中

1.2 強(qiáng)度折減法

目前，邊坡穩(wěn)定性分析中常用的極限平衡法不能準(zhǔn)確地考慮孔隙水壓力和基質(zhì)吸力對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。 強(qiáng)度折減法計(jì)算理論簡(jiǎn)單，且能有效避免極限平衡法的缺陷。 對(duì)于采用摩爾-庫(kù)倫模型的材料，強(qiáng)度折減法計(jì)算安全系數(shù)的基本思路可表示為［9］：

式中σ和σ′分別為破裂面法向總應(yīng)力和法向有效應(yīng)力；τ、c、φ分別為邊坡土體抗剪強(qiáng)度、黏聚力和內(nèi)摩擦角；τ′、c′、φ′分別為考慮折減系數(shù)后的土體抗剪強(qiáng)度、黏聚力和內(nèi)摩擦角；Fs為折減系數(shù)，對(duì)于邊坡穩(wěn)定性分析中的最大折減系數(shù)即為安全系數(shù)。

2 數(shù)值模型計(jì)算

2.1 工程概況與計(jì)算參數(shù)

西藏林芝地區(qū)波密縣內(nèi)省道S303 沿線某邊坡位于河流侵蝕堆積工程地質(zhì)區(qū)，邊坡天然坡度達(dá)60°以上，地層條件較復(fù)雜，地表水系發(fā)育，地下水位埋置深度2.50～25.00 m。 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察與鉆探數(shù)據(jù)，該區(qū)域巖石破壞嚴(yán)重，呈碎石角礫夾少量的土狀。 各土層由上至下分別為含礫粉質(zhì)黏土、強(qiáng)分化砂巖和中風(fēng)化砂巖，對(duì)采取的土樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得各土層基本參數(shù)如表1 所示。

表1 各土層特性參數(shù)

由試驗(yàn)測(cè)得含礫粉質(zhì)黏土飽和體積含水量θs為26.9%，殘余體積含水量θr為12.7%；強(qiáng)風(fēng)化砂巖的θs和θr分別為23.5%和10.6%，邊坡內(nèi)部的中風(fēng)化砂巖層受雨水入滲影響小，本次計(jì)算中未考慮其非飽和滲流。 采用V-G 模型描述含礫粉質(zhì)黏土和強(qiáng)風(fēng)化砂巖在非飽和滲流中的基質(zhì)吸力和滲透系數(shù)關(guān)系如圖1～2所示。

2.2 降雨方案擬定

分析當(dāng)?shù)亟?0 年內(nèi)的水文氣象資料，擬定不同雨強(qiáng)和降雨持續(xù)時(shí)間的計(jì)算工況如表2 所示，以研究不同降雨條件對(duì)邊坡滲流與穩(wěn)定性影響。

圖1 土水特征曲線

圖2 滲透系數(shù)曲線

表2 降雨工況

2.3 邊坡加固措施

擬采用放坡結(jié)合預(yù)應(yīng)力錨索格構(gòu)梁護(hù)坡加固。 預(yù)應(yīng)力錨索規(guī)格為D185 mm，12S15.2 mm@3 000 mm，長(zhǎng)度2 100 cm，錨索設(shè)計(jì)值1 500 kN；鎖定錨固值900 kN，錨固長(zhǎng)度1 000 cm。 加固處理后的邊坡剖面如圖3所示。

圖3 邊坡剖面圖

2.4 數(shù)值分析模型

采用MIDAS-GTS 建立數(shù)值分析模型如圖4 所示。模型的底部鉸接，兩側(cè)的邊界約束X方向；邊坡頂部和側(cè)面為降雨入滲邊界，當(dāng)雨強(qiáng)大于坡體表面單元滲透系數(shù)時(shí)，雨強(qiáng)由滲透系數(shù)控制。 計(jì)算過程中，程序先通過飽和-非飽和滲流計(jì)算某時(shí)刻的孔隙水壓分布，再根據(jù)非飽和強(qiáng)度理論和強(qiáng)度折減法計(jì)算邊坡安全系數(shù)與錨索內(nèi)力。

圖4 有限元計(jì)算模型

3 計(jì)算數(shù)據(jù)分析

3.1 孔隙水壓隨降雨時(shí)間變化

考慮飽和非飽和滲流特性，計(jì)算不同降雨工況下邊坡內(nèi)部雨水入滲情況。 當(dāng)各工況降雨量達(dá)到200 mm 時(shí)，邊坡孔隙水壓分布如圖5 所示。 對(duì)比不同工況的孔壓分布可知：降雨入滲引起地表附近孔隙水壓不同程度上升，入滲影響范圍隨雨強(qiáng)增大而明顯減小，但坡體表面的暫態(tài)飽和區(qū)域隨雨強(qiáng)增大而增加；當(dāng)雨強(qiáng)為50 mm/d 時(shí)，入滲影響范圍最大，但暫態(tài)飽和區(qū)僅在坡體表面局部區(qū)域出現(xiàn)，而雨強(qiáng)為200 mm/d 時(shí)則相反，入滲范圍明顯縮小，但表面均出現(xiàn)了暫態(tài)飽和區(qū)域。 其原因主要是：當(dāng)降雨量一定時(shí)，雨強(qiáng)越小，降雨持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，因此雨水入滲量和入滲范圍均越大；而雨強(qiáng)增大時(shí)，雖然坡體水分補(bǔ)給增多，容易達(dá)到飽和，但當(dāng)雨強(qiáng)大于邊坡的滲水能力時(shí)，多余雨水會(huì)在表面形成徑流，同時(shí)，降雨時(shí)間縮短，導(dǎo)致雨水入滲范圍和雨水滲入量減小。

圖5 降雨量為200 mm 時(shí)不同雨強(qiáng)工況下孔隙水壓分布圖

3.2 邊坡穩(wěn)定性分析

加固前，不同工況下邊坡在降雨量為200 mm 時(shí)的剪應(yīng)變?cè)茍D如圖6 所示。 該邊坡的潛在滑裂面均出現(xiàn)在坡腳上方，且均未形成貫通區(qū)域。 采用強(qiáng)度折減法計(jì)算邊坡加固前后的安全系數(shù)并整理如圖7 所示，可知邊坡的安全系數(shù)隨降雨量增加而不斷減小，當(dāng)降雨量相同時(shí)，雨強(qiáng)50 mm/d 對(duì)應(yīng)的邊坡安全系數(shù)最小，雨強(qiáng)100 mm/d 次之，雨強(qiáng)200 mm/d 對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)最大；且隨著降雨量增加，雨強(qiáng)50 mm/d 時(shí)安全系數(shù)的降幅明顯大于其他雨強(qiáng)。 當(dāng)降雨量為200 mm時(shí)，加固前邊坡安全系數(shù)由1.311 降至1.102，降低幅度達(dá)到15%，參考《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30—2015）［14］中關(guān)于降雨條件下的邊坡安全系數(shù)要求，此時(shí)安全系數(shù)1.102 不滿足規(guī)范要求值1.15，應(yīng)對(duì)邊坡進(jìn)行加固支護(hù)。 采用預(yù)應(yīng)力錨桿加固后邊坡安全系數(shù)增加至1.852，較加固前提升了41%，降雨對(duì)安全系數(shù)的影響規(guī)律與加固前基本一致；但降雨后，邊坡最小安全系數(shù)為1.809，降幅僅3%，滿足規(guī)范要求，說明預(yù)應(yīng)力錨索能有效加固邊坡，并減小降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

圖6 降雨量為200 mm 時(shí)不同雨強(qiáng)工況下邊坡剪應(yīng)變?cè)茍D

圖7 邊坡加固前后安全系數(shù)隨降雨量變化關(guān)系

3.3 錨索內(nèi)力變化規(guī)律分析

降雨入滲引起坡體的下滑力增大，導(dǎo)致錨索提供的抗滑力增加。 為研究不同降雨特性對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索內(nèi)力的影響，將錨索從上到下依次編號(hào)為1#、2#、3#，不同工況下錨索軸力增量與降雨量的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖8 所示。 從圖8 可知，隨著降雨量增加，各錨索軸力均出現(xiàn)一定程度增大，其中雨強(qiáng)為50 mm/d 時(shí)軸力變化最顯著。 在降雨過程中，當(dāng)降雨量小于100 mm 時(shí)，各錨索軸力增量值與降雨量基本呈線性變化；而當(dāng)降雨量大于100 mm 時(shí)，各錨索軸力增量呈非線性提升，其中雨強(qiáng)越小，對(duì)應(yīng)的錨索軸力提升幅度越大。 另外，在所有工況中，位于上方的1#錨索軸力對(duì)降雨的敏感性明顯低于底部的3#錨索軸力，這表明坡體底部錨索對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的可靠性起控制作用，在錨索設(shè)計(jì)或內(nèi)力監(jiān)測(cè)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)分析坡體底部錨索。

圖8 不同雨強(qiáng)下錨索軸力隨降雨量變化關(guān)系

4 結(jié) 論

1） 降雨入滲引起坡體表面孔隙水壓增大，當(dāng)降雨量相同時(shí)，降雨入滲范圍隨雨強(qiáng)增大而減小，坡體表面附近暫態(tài)飽和區(qū)域隨雨強(qiáng)增加而增大。

2） 邊坡加固前后的安全系數(shù)均隨降雨量增加而不斷減小，降雨量相同時(shí)，雨強(qiáng)越小，邊坡安全系數(shù)的下降程度越大。 錨索加固能有效提高邊坡安全系數(shù)，并降低降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

3） 隨著降雨量增加，各錨索軸力均增大，當(dāng)降雨量大于100 mm 時(shí)，各錨索軸力增量呈非線性提升，雨強(qiáng)越小，降雨時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)的錨索軸力提升幅度越大。 此外，在所有工況中，位于下方的錨索軸力對(duì)降雨更敏感，在設(shè)計(jì)或內(nèi)力監(jiān)測(cè)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)分析坡體底部錨索。