降雨影響下的邊坡穩(wěn)定性及加固研究

趙晨凱，孫懷軍，徐小樂

(天津市勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，天津 300000)

滑坡作為地質(zhì)災(zāi)害的一種，對人類的生活秩序與環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞，因此邊坡穩(wěn)定性分析及其加固成為巖土工程領(lǐng)域中的重要研究問題之一。由于具有抗滑力強(qiáng)、工藝簡單、澆筑方便和樁孔位置適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)，抗滑樁被廣泛應(yīng)用于邊坡加固中，分析抗滑樁對邊坡穩(wěn)定性的影響也成為工程研究中的重點(diǎn)。

研究表明，降雨入滲和地震作用是影響邊坡穩(wěn)定性的最主要因素。中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所的最新資料顯示：2008年汶川地震災(zāi)區(qū)由于強(qiáng)降雨和不斷發(fā)生的地余震而引發(fā)滑坡近6萬次，岷江、沱江、涪江三條河流的輸沙量增加了3～7倍。為了進(jìn)一步防止強(qiáng)降雨引發(fā)邊坡失穩(wěn)，眾多學(xué)者從降雨的角度開展了邊坡穩(wěn)定性的研究，并取得了一定成果。李濤[1]基于厚覆蓋層邊坡失穩(wěn)機(jī)理研究了降雨影響下的厚覆蓋層邊坡滲流特征及穩(wěn)定性；石振明[]2等人改進(jìn)了Green—Ampt模型，研究了多層非飽和土降雨入滲的邊坡穩(wěn)定性。

受季風(fēng)的影響，我國西南地區(qū)氣候濕潤，降水豐富，由于西南邊陲的地勢高差較大，當(dāng)遭遇大暴雨或是連續(xù)降雨時，極易引發(fā)山體巖石松動，發(fā)生滑坡災(zāi)害。本文以云南境內(nèi)某在建高速公路某路段的邊坡為研究對象，對其進(jìn)行力學(xué)校核，放坡開挖，如不滿足安全性，需要砌擋土墻加抗滑樁進(jìn)行加固，然后進(jìn)一步驗證安全性。邊坡巖土在承受強(qiáng)降雨的滲透后，滑體飽和度增加，而粘聚力和內(nèi)摩擦角等抗滑因素會被削弱，滑體處于非穩(wěn)定狀態(tài)，且新滑動面最有可能在老滑動面上發(fā)展。因此本文結(jié)合實際情況進(jìn)一步分析了降雨對滑體穩(wěn)定性的影響，并且對采用抗滑樁支護(hù)后的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。

1 降雨入滲對邊坡穩(wěn)定性影響

滑體的抗剪強(qiáng)度是影響其穩(wěn)定性的重要指標(biāo)之一。學(xué)者Genuchten[3]提出了非飽和土體中存在基質(zhì)吸力的學(xué)說，并給出了基質(zhì)吸力隨土體含水量變化的發(fā)展規(guī)律：

(1)

式中：θω為體積含水率；θr為天然體積含水率；θs為飽和體積含水率；ψ為基質(zhì)吸力；a、m、n為曲線擬合參數(shù)。

學(xué)者Frellund等[4]提到，基質(zhì)吸力在本質(zhì)上是一種應(yīng)力狀態(tài)變量，基質(zhì)吸力的存在能一定程度的提高土體抗剪強(qiáng)度。

含水量的變化同樣影響著土體的粘聚力、內(nèi)摩擦角以及摩擦系數(shù)，降雨影響下的各參數(shù)均由實驗所得。表1給出了本文所用5個工況的參數(shù)組合情況。

表1 各工況對應(yīng)的參數(shù)組合

2 邊坡降雨入滲模型

2.1 材料基本參數(shù)

模型的抗滑樁采用單排C30混凝土灌注樁，樁徑1 m，樁間距0.8 m，樁端打入基巖面以下3.5 m，樁頭自由；原始樁—土接觸面的摩擦系數(shù)為0.36；土樣取粉質(zhì)黏土干密度為，比重，土壤液限46.3%，塑限25.1 %，自然膨脹率%，沙礫含量3.5%，粉礫含量47.4%，粘礫含量14.6%，膠礫含量34.5%，其余主要物理參數(shù)如表2所示。

表2 材料物理參數(shù)

2.2 有限元模型

如圖1所示，建立三種邊坡模型：原始邊坡、放坡開挖后、設(shè)置抗滑樁和擋土墻的邊坡。邊坡左右斷面施加法向位移約束，頂部為自由邊界，基巖底部固定。

圖1 有限元模型

3 計算結(jié)果及分析

3.1 無降雨量的邊坡穩(wěn)定性分析

從圖2(a)可以看出原始邊坡總位移隨高程的增加而加大，最大位移出現(xiàn)在坡頂；如圖2(b)所示，開挖卸載后的公路路基局部有隆起現(xiàn)象，主要是由于土層經(jīng)過上部卸載后，自身初始應(yīng)力被釋放和重新分布，因此出現(xiàn)向上變形和回彈，位移最大值降低；加抗滑樁之后，從圖2(c)可以看出模型總位移的發(fā)展沒有改變，但抗滑樁附近的土體位移由于抗滑樁的影響而減小。

圖2 邊坡總位移云圖

由于該滑體坡度陡，上部重量大，滑體自身的穩(wěn)定性都會降低，引起原本穩(wěn)定的老滑動面復(fù)活，出現(xiàn)新的崩塌和滑坡。因此，采用削坡減載的方法已經(jīng)不能適用于工程實際，除非大范圍的將滑體上部土層挖走，但由于該滑體規(guī)模大，土方量多，工程耗資增加大，所以綜合考慮應(yīng)采用抗滑樁加擋土墻支護(hù)的方案。

3.2 降雨入滲下加抗滑樁后邊坡的穩(wěn)定性

設(shè)置抗滑樁支護(hù)后，土體的下滑位移相比于放坡開挖方案減小了，并且比原始邊坡小了一倍，有效的阻止了土體的下滑，對抗滑樁的樁背土壓力分布進(jìn)行分析，如圖3所示，隨抗滑樁深度的發(fā)展，樁背土壓力沿樁身向下增大，說明樁前土壓力大于樁背土壓力，而樁身以下大約12 m左右位置承受的壓力最大，所以，在抗滑樁的設(shè)計過程中，此部位應(yīng)考慮加大結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

圖3 樁背土壓力

雖然采用抗滑樁支護(hù)后，邊坡基本不會發(fā)生大的變形和垮塌現(xiàn)象，但土體的內(nèi)摩擦力、粘聚力等力學(xué)參數(shù)會隨降雨的持續(xù)而降低，從而降低邊坡的穩(wěn)定性。由圖4和圖5可以看出，當(dāng)含水量為30.16%時，由于飽和水重量增大，土體沉降量也更大，重力沿水平方向的分力更大，導(dǎo)致下滑位移和剪應(yīng)力都非常大，最大剪應(yīng)力達(dá)到0.556 MPa；含水量為12.12%時，土體下滑位移以及剪應(yīng)力都很大，而含水量為18.16%時，下滑位移及剪應(yīng)力卻非常小，這與土在不同含水量情況下的粘聚力以及基質(zhì)吸力有關(guān)。土體在含水量為18.16%時，會形成一種凝聚力，有效地阻止了土體的下滑，因此抗滑樁所承受的各種應(yīng)力都會比較小。含水量為12.12%時所承受的應(yīng)力比18.16%及20.13%都要大，這是因為12.12%含水量對應(yīng)的土體比較松散，摩擦系數(shù)比較小，更容易失穩(wěn)。這也說明，含水量控制在18.16%，對邊坡穩(wěn)定性最為有益。

圖4 邊坡土體下滑位移

圖5 邊坡土體剪應(yīng)力

4 結(jié)語

本文基于有限元軟件建立并分析了高速公路某路段邊坡的二維模型，重點(diǎn)研究了抗滑樁及降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響，得到以下結(jié)論：

(1)與原始邊坡相比，設(shè)置了擋土墻和抗滑樁的邊坡位移分布發(fā)生了明顯變化，說明抗滑樁擋土墻等支護(hù)結(jié)構(gòu)對邊坡滑體有一定約束作用。

(2)隨著降雨的持續(xù)，邊坡土體的含水量及飽和度持續(xù)增加，在土體含水量達(dá)到18.16%時，土體內(nèi)粘聚力與內(nèi)摩擦系數(shù)等參數(shù)達(dá)到最大，此時邊坡穩(wěn)定性最佳。

(3)即使設(shè)置有抗滑樁，在強(qiáng)降雨的情況下，邊坡位移依然很大，下滑位移最大值達(dá)到74.4 mm，因此如果沒有合理的排水系統(tǒng)，放坡開挖方案下的邊坡穩(wěn)定性被大幅削弱，其穩(wěn)定性難以得到保障。