抗滑樁加固邊坡降雨條件下的穩(wěn)定性

魏 巍

(貴州有色地質(zhì)工程勘察公司，貴州 貴陽 550005)

1 概述

隨著我國工程建設(shè)大規(guī)模進(jìn)行[1]，每年因滑坡導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)上百億[2]。我國的西南地區(qū)雨水充沛，雨季經(jīng)常發(fā)生滑坡，對人民的生命財產(chǎn)造成巨大威脅[3]。大量的滑坡災(zāi)害表明，高強(qiáng)度的降雨是引發(fā)邊坡滑坡重要因素[4]。降雨導(dǎo)致邊坡土體受雨水滲入影響，由非飽和土體向飽和土體轉(zhuǎn)變，土體重度增大、含水率增大導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度、粘聚力、內(nèi)摩擦角等均降低致使邊坡發(fā)生不同程度的破壞[5]。因此邊坡中地下水位是如何隨降雨動態(tài)變化，以及確定邊坡地下水位的分布規(guī)律是邊坡穩(wěn)定性首先應(yīng)該解決的問題。然而，目前考慮降雨滲入作用的抗滑樁加固邊坡的穩(wěn)定性研究較少[6,7]。

基于此，本文以修文縣扎佐城區(qū)龍王村地區(qū)邊坡為例，運(yùn)用ABAQUS軟件模擬邊坡降雨[8]，分析在抗滑樁加固邊坡的條件下降雨作用對邊坡孔隙水壓、水平豎直位移、邊坡穩(wěn)定性等方面的影響，并對抗滑樁合理的布樁位置給出參考。

2 工程概況

2.1 邊坡形態(tài)特征

修文縣扎佐城區(qū)龍王村安置房，在山體周邊開挖過程中會形成總長約63 m、高約0.5 m～11.2 m的挖方工程邊坡。根據(jù)邊坡勘察報告，該段邊坡最大切方高度11.29 m，由于設(shè)計變更，邊坡開挖側(cè)移除了排洪溝，最大切方高度為9.8 m。邊坡垂直開挖后，邊坡破壞主要以上覆土層的滑動為主，滑動面為土層的圓弧滑動或者土層沿巖土結(jié)合面方向整體滑動，邊坡垂直開挖后處于不穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)原設(shè)計方案，邊坡剩余下滑力為688.54 kN，穩(wěn)定性系數(shù)為0.74。該工程位于貴州省，每年4月～9月雨水充沛且降雨量大。經(jīng)計算，開挖后未采取支護(hù)時，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為0.79。

2.2 滑坡物質(zhì)結(jié)構(gòu)及土體參數(shù)

根據(jù)邊坡中體特征及實(shí)地地形及勘探結(jié)果可知，邊坡物質(zhì)自上而下主要劃分為第四系耕植土、第四系黏土和灰?guī)r。其中，第四系耕植土呈灰褐色，主要成分為黏土，結(jié)構(gòu)松散且含植物根系，厚度在0.2 m～0.7 m之間，平均厚度0.5 m；第四系黏土顏色呈褐黃色，主要礦物成分為石英及云母，夾小顆粒砂石，土質(zhì)均勻。根據(jù)勘察報告并參考了附近同類地區(qū)滑坡的分析數(shù)據(jù)進(jìn)行工程類比。經(jīng)綜合分析后，確定c,φ,γ值，取值結(jié)果見表1。

表1 龍王村巖土計算參數(shù)統(tǒng)計表

3 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

3.1 計算模型及土體參數(shù)

結(jié)合工程實(shí)例采用非飽和滲流有限元法結(jié)合折減強(qiáng)度進(jìn)行模擬[8]。根據(jù)修文縣扎佐城區(qū)龍王村邊坡設(shè)計并確定參數(shù)取值，邊坡坡度為1∶1.5，坡高為30 m，抗滑樁相對坡腳距離分別為6 m，12 m，18 m，24 m，樁徑D=1 m，抗滑樁嵌固于基巖中。邊坡土體材料為可塑黏土，抗滑樁材料為鋼筋混凝土。在降雨條件下分別對不同降雨工況，不同布樁位置情況下的抗滑樁邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。其中AE面處于水面處，毛孔細(xì)水壓力為0，不考慮抗滑樁的透水性[9]。

3.2 降雨工況及布樁位置

根據(jù)當(dāng)?shù)氐乃馁Y料，選取四種降雨工況，具體工況如表2所示。文章分析4種工況對邊坡穩(wěn)定的影響，以及不同布樁方式在降雨情況下對邊坡的加固作用，布樁方式如圖1所示。

表2 降雨工況

3.3 模擬結(jié)果分析

在降雨入滲作用下，邊坡上的地表水轉(zhuǎn)化成地下水后對邊坡應(yīng)力場和土體強(qiáng)度產(chǎn)生影響最終影響邊坡的穩(wěn)定。考慮降雨入滲情況下邊坡的破壞機(jī)理與不考慮降雨的破壞機(jī)理有一定區(qū)別，布樁時需要充分考慮降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響，避免不必要人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。

3.3.1孔壓分布

降雨開始后，邊坡坡體內(nèi)部孔隙水壓力發(fā)展及分布發(fā)生明顯變化，圖2為降雨24 h孔隙水壓力分布云圖，降雨條件下邊坡滲流變化明顯。根據(jù)降雨強(qiáng)度幅值曲線，前24 h隨著時間變化降雨量逐漸增大，雨水滲入使得坡頂以下非飽和土的含水率增高，孔壓逐漸增大，導(dǎo)致基質(zhì)吸力下降，土體的抗剪強(qiáng)度降低，同時導(dǎo)致非飽和土產(chǎn)生因基質(zhì)吸力變化而產(chǎn)生的應(yīng)變，最終產(chǎn)生因?yàn)橥馏w基質(zhì)吸力弱化的位移量。一部分雨水沿坡體表面流動，在較短的時間內(nèi)難以從坡體排除，導(dǎo)致邊坡土體含水量及自重加大，引起的下滑力增大。

3.3.2流速矢量

降雨由地表水轉(zhuǎn)化為地下水，對于松散的透水質(zhì)邊坡，會在土體內(nèi)部形成較大的動水壓力和浮力，大大增加了邊坡的下滑力、減小了抗剪強(qiáng)度。流速矢量圖可以清晰的反映降雨過程中土體內(nèi)部水流下滲現(xiàn)象。水的力學(xué)作用會對邊坡產(chǎn)生較大的破壞影響。圖3為降雨24 h和72 h時刻的流速矢量圖。可知在降雨過程中，降雨前期坡頂?shù)慕涤耆霛B速度最快，坡腳較快，坡中最淺。降雨后期，降雨量減小，坡腳的流速最快，坡體內(nèi)部雨水充分滲入，土體含水率高流速矢量較大。不論樁位與降雨工況，流速矢量均在坡腳處最大，說明坡腳處的水力梯度最大，這對坡腳的穩(wěn)定極為不利。

3.3.3水平位移

降雨導(dǎo)致邊坡潛在滑動面的土體受水浸潤后發(fā)生軟化、泥化作用，使得土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)、內(nèi)摩擦角、粘聚力等均迅速減小。直接改變邊坡土體的應(yīng)力狀態(tài)，這是降雨導(dǎo)致邊坡破壞的主要觸發(fā)因素。根據(jù)降雨條件下抗滑樁加固邊坡的水平方向增量云圖可大致了解邊坡滑動變形趨勢。圖4為降雨24 h和72 h邊坡水平位移云圖。由圖4可看出，抗滑樁附近土體水平位移有明顯的降低，降雨過程中坡體向臨空面產(chǎn)生滲透力作用，降雨結(jié)束后最大水平位移發(fā)生在坡腳處。降雨對坡腳處的穩(wěn)定產(chǎn)生極為不利的影響，在考慮降雨滲流條件下，應(yīng)將抗滑樁布置在坡腳與坡中之間更好的發(fā)揮加固作用。

3.3.4安全系數(shù)

通過對比四種降雨工況，分別從降雨的強(qiáng)度，降雨時長和滲入強(qiáng)度三方面來分析降雨方式不同對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響。對比工況1和工況4，發(fā)現(xiàn)降雨強(qiáng)度增大1倍，穩(wěn)定性降低并且抗滑樁距坡腳越遠(yuǎn)，安全系數(shù)減低率越大。對比工況1和工況3，滲入強(qiáng)度大土體進(jìn)入飽和狀態(tài)的速度加快，降雨初期雨水均勻滲入淺層土體中，當(dāng)土體達(dá)到飽和后更多的積水滲入邊坡的安全系數(shù)下降加快。工況3滲入速度小，邊坡表面的臨時積水多，下滲速度較慢，邊坡整體穩(wěn)定性較好。抗滑樁在邊坡上的布置位置及降雨工況對邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生直接的影響，圖5為4種工況下各樁位對應(yīng)的邊坡安全系數(shù)變化曲線圖。通過模型計算，發(fā)現(xiàn)當(dāng)抗滑樁布置在距坡腳12 m處邊坡安全系數(shù)最大。所以當(dāng)考慮降雨滲入作用時，坡腳具有較高的水利梯度，布置抗滑樁時應(yīng)在較正常樁位更靠近坡腳處。結(jié)合各時刻邊坡水平豎直位移云圖及4種降雨工況下安全系數(shù)的變化，降雨強(qiáng)度對邊坡整體的安全系數(shù)不利影響較大；降雨滲入強(qiáng)度的增加對坡頂和整體的豎向位移產(chǎn)生不利影響；降雨量達(dá)到一定程度后，降雨時長對安全系數(shù)影響較小。

4 結(jié)語

1)在降雨過程中，降雨前期坡頂?shù)臐B流速度最快，坡中部雨水滲入最慢，沉降主要發(fā)生在淺層坡處；降雨后期，由于滲透充分坡體土體含水率較高，坡體內(nèi)部滲流速度較快，沉降量較大。2)降雨條件下，坡腳處具有較高的水利梯度且產(chǎn)生的向臨空面位移最大，坡腳處穩(wěn)定性差。在布置抗滑樁時要兼顧坡腳處土體的穩(wěn)定性，文中的模型布樁位置距坡腳12 m處時邊坡的安全系數(shù)最大。3)其他條件相同時，降雨強(qiáng)度對邊坡整體的安全系數(shù)的影響較大；降雨滲入強(qiáng)度的增加對坡頂和邊坡整體的豎向位移影響較大。