降雨條件下高邊坡穩(wěn)定性及支護效果評價

池全華

（福建致和工程勘察設(shè)計院有限公司，福建 三明 365000）

0 引言

在工程上，高邊坡通常被定義為高度大于30m 的巖質(zhì)邊坡以及高度大于20m 的土質(zhì)邊坡[1]。誘發(fā)高邊坡滑坡的因素較為復(fù)雜，主要分為內(nèi)在因素與外部因素。內(nèi)在因素主要包括邊坡的坡體結(jié)構(gòu)、內(nèi)部應(yīng)力分布、地質(zhì)構(gòu)造、巖土體特性及地下水等，外部因素多受降水、風(fēng)化、地震以及人類活動的影響[2]。其中，暴雨是滑坡的主要誘因。

大量研究表明降雨是成為高邊坡失穩(wěn)的主要因素，降雨不僅會引起巖土體抗剪強度下降，從而導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)，還會影響邊坡支護如抗滑樁的穩(wěn)定性，導(dǎo)致滑坡[3]。

采用有限元強度折減法，分別模擬正常工況與暴雨工況下，高邊坡的穩(wěn)定性情況，以分析降雨對邊坡穩(wěn)定性影響。分析高邊坡的潛在滑移面，從而確定高邊坡的滑移位置。模擬高邊坡分級開挖過程的穩(wěn)定性變化情況，分析施工過程中降雨對高邊坡滑移的潛在風(fēng)險，進一步分析評價預(yù)應(yīng)力錨索-抗滑樁聯(lián)合支護對高邊坡的效果[4]。

1 高邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析

1.1 工程背景

此次高邊坡分析的工程背景為福建省建寧縣某高邊坡建設(shè)項目，選樁號K1+600～K1+720 段邊坡進行實例分析。該項目區(qū)地貌上屬于低山丘陵區(qū)山間凹谷或溝谷地貌，路軸線地形起伏相對較大，沿線丘頂渾圓，斜坡坡度較陡，一般在20～30o，局部可達40o以上。樁號K1+600～K1+720 段邊坡高度最高達到47m，坡頂處有一座高壓電塔[5]。此次選取的典型高邊坡橫斷面示意圖如圖1 所示。在原坡面進行防護施工過程中，遭遇連續(xù)降雨天氣，已施工的第六至三階邊坡，坡體出現(xiàn)貫穿性裂縫，面層整體滑移，頂層平面發(fā)生滲水現(xiàn)象，滑坡鼓丘剛好出現(xiàn)在第三階坡頂位置，如圖2 所示。

圖1 高邊坡橫斷面示意圖

圖2 高邊坡滑坡現(xiàn)場照片

選取天然狀態(tài)的正常工況與降雨作用下的暴雨工況兩種工況進行穩(wěn)定性分析，采用強度折減法分析邊坡的安全系數(shù)及塑性區(qū)。強度折減法由Zienkiewicz[6]在1975 年首次提出，其基本原理是對巖土體的抗剪強度參數(shù)黏聚力c 與內(nèi)摩擦角φ 進行折減，直至邊坡達到極限狀態(tài)。這時對應(yīng)的折減系數(shù)為邊坡的安全系數(shù)，該方法可以得到潛在破壞面的位置。采用Midas 軟件建立二維邊坡模型進行數(shù)值模擬，邊坡橫斷面如圖3 所示。邊坡各巖層物理力學(xué)指標參數(shù)如表1 所示。

表1 邊坡物理力學(xué)指標參數(shù)

圖3 Midas 邊坡二維分析模型

1.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

采用Midas 軟件建立邊坡開挖后的六階邊坡二維模型。模型尺寸為坡腳至邊界距離為坡高的1.5 倍，坡頂至邊界距離為坡高的2.5 倍，上下邊界總高不低于2 倍坡高。模型左右設(shè)置x 向位移約束，底面設(shè)置x 與z 方向的全約束。

正常工況的地下水位線為311.99～350.68m，得出邊坡塑性區(qū)云圖4（a）以及邊坡總位移云圖5（a）。從圖4（a）中可知，邊坡的最大塑性變形區(qū)位于砂土狀強風(fēng)化混合花崗巖層位置，并塑性區(qū)未完全貫通。從圖5（a）中可知，最大位移為12.63cm。天然狀態(tài)下邊坡的安全系數(shù)為1.66，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

另外，暴雨工況下地下水位上漲約3m，高度約為314.99～353.68m，得出邊坡塑性區(qū)云圖4（b）以及邊坡總位移云圖5（b）。從圖4（b）中可知，邊坡的最大塑性變形區(qū)位于砂土狀強風(fēng)化混合花崗巖層位置，塑性區(qū)完全貫通，邊坡極易發(fā)生滑坡，并且滑坡面在淺層位置。李卓[7]等人認為雨水充分滲入邊坡坡面，導(dǎo)致表層土體強度降低，引起非飽和土中基質(zhì)吸力減小，甚至喪失。這一作用機理導(dǎo)致邊坡表層發(fā)生淺層牽引式滑坡。從圖5（b）中可知，最大位移為14.8cm。暴雨狀態(tài)下邊坡的安全系數(shù)為1.01，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。孫廷齡分別用有限元強度折減法分析不同工況下高邊坡穩(wěn)定特性，結(jié)果表明暴雨工況下邊坡的安全系數(shù)顯著下降。

圖4 塑性區(qū)云圖

圖5 邊坡總位移云圖

2 施工過程中高邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析

實際工程中，由于工期原因，常出現(xiàn)邊坡開挖過程中未及時支護的問題。就此問題進行分析，模擬邊坡分級開挖過程中邊坡穩(wěn)定性。表2 展示分級開挖過程中邊坡安全系數(shù)變化情況。結(jié)果表明，第四階開挖完成后，正常工況下邊坡的安全系數(shù)由4.02 驟然下降至1.79，暴雨工況下邊坡的安全系數(shù)由4.02 降至1.16。巨能攀等[8]發(fā)現(xiàn)施工過程中，連續(xù)強降雨作用下，邊坡變形速率明顯增大，更易發(fā)生失穩(wěn)破壞。

表2 分級開挖過程中邊坡安全系數(shù)表

在暴雨工況下，邊坡分級開挖過程中的塑性云圖如圖6 所示。從圖中可以看出，第六階與第五階邊坡開挖過程中并未出現(xiàn)貫穿的塑性區(qū)。第四階開挖后邊坡表層出現(xiàn)完整貫穿的塑性區(qū)。這一現(xiàn)象表明，第四階開挖后，滑坡失穩(wěn)的潛在概率大大增加。研究表明，不良地質(zhì)路塹高邊坡受到開挖和降水的顯著影響，開挖施工引起邊坡深處應(yīng)力場惡化，加之降雨等誘發(fā)因素，很容易發(fā)生深層滑動[9]。

圖6 暴雨工況下邊坡塑性區(qū)云圖

3 高邊坡加固效果分析

通過上述數(shù)值模擬分析，可以得知邊坡的滑動面位置，并制定加固方案。該邊坡加固主要采用抗滑樁+預(yù)應(yīng)力錨索形式加固。加固方案為：在第一階至第五階坡面設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索框架，在第三階坡頂設(shè)置抗滑樁，在第六階坡頂設(shè)置錨桿加固，具體加固示意圖（見圖7）。同時對加固后的邊坡進行數(shù)值模擬分析，研究邊坡加固效果。

圖7 邊坡加固示意圖

表3 為加固前后邊坡安全系數(shù)的變化情況，結(jié)果表明邊坡加固后，正常工況及暴雨工況下邊坡安全系數(shù)有顯著提高。正常工況的安全系數(shù)由1.66 上升至2.43；暴雨工況下邊坡安全系數(shù)由1.01 上升至1.75，滿足《城市道路路基設(shè)計規(guī)范》（CJJ 194—2013）和《公路路基設(shè)計規(guī)范》（JTG D30—2015）相關(guān)要求。

表3 邊坡加固前后邊坡安全系數(shù)表

圖8 為加固后邊坡的塑性云圖，從圖中可以看出，加固后在正常工況和暴雨工況下邊坡坡體均未形成貫穿的塑性區(qū)，因此該加固方案能夠有效地避免邊坡發(fā)生滑移災(zāi)害。從塑性圖中可以看出塑性區(qū)主要在砂土狀強風(fēng)化混合花崗巖巖層間出現(xiàn)。

圖8 邊坡加固后塑性區(qū)云圖

圖9 為暴雨工況下，加固前后邊坡的總位移云圖，數(shù)據(jù)表明加固后坡面位移顯著減小。這是由于預(yù)應(yīng)力錨索能夠充分平衡土中應(yīng)力，從而減小土層水平位移及總位移[10]。抗滑樁能夠承受側(cè)向土壓力，利用穩(wěn)定地層巖土的錨固作用以平衡滑坡推力、穩(wěn)定滑坡。高邊坡滑坡體上部坡面采用錨桿或錨索支護，坡腳采用抗滑樁加固，錨索和抗滑樁聯(lián)合支護結(jié)果既能發(fā)揮預(yù)應(yīng)力錨索主動加固作用，限制邊坡上部變形，又能有效利用抗滑樁被動加固作用，減少邊坡坡腳土方開挖，保證坡腳道路的正常施工及運行。

圖9 暴雨工況下邊坡總位移云圖

4 結(jié)論

以某高邊坡治理項目為案例背景，采用有限元強度折減法的分析方法，對比正常工況與暴雨工況下邊坡穩(wěn)定性，主要研究結(jié)論如下：

一是暴雨工況下，雨水下滲，導(dǎo)致淺層土體基質(zhì)吸力減小，致使土體抗剪強度降低，高邊坡易發(fā)生淺層牽引式滑坡，潛在滑移面為砂土狀強風(fēng)化混合花崗巖巖層面。

二是開挖第四階邊坡過程，邊坡穩(wěn)定性顯著降低，特別是強降雨條件下，邊坡的應(yīng)力場與滲流場均產(chǎn)生變化，邊坡易發(fā)生滑坡失穩(wěn)。因此在施工過程中應(yīng)及時進行支護，防止出現(xiàn)邊坡滑移。

三是采用預(yù)應(yīng)力錨索和抗滑樁聯(lián)合支護結(jié)構(gòu)能有效加固高邊坡，顯著改善邊坡內(nèi)部應(yīng)力，提高邊坡安全系數(shù)，降低邊坡總位移。