降雨條件下山塘邊坡穩(wěn)定性評價及錨桿加固措施研究

萬海龍，齊一帆，張 萍，呂從聰，熊勃勃

（1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司,浙江 杭州 311122；2.三峽大學水利與環(huán)境學院,湖北 宜昌443002）

1 引言

降雨入滲是誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的主要原因之一,是一種典型的非飽和流固耦合現(xiàn)象,且研究表明絕大多數(shù)的滑坡均發(fā)生在雨季［1-3］。究其原因在于,降雨入滲造成坡體內含水量增加,導致非飽和區(qū)域的基質吸力減小,土顆粒間的有效應力降低［4］。由于降雨入滲對邊坡穩(wěn)定性的影響與降雨強度、歷時、雨量、雨型以及邊坡的地形地貌等諸多因素有關［5］,因而難以全面考慮降雨對邊坡穩(wěn)定的影響因素［2］。

目前,分析降雨條件下邊坡穩(wěn)定的方法主要包括：簡化計算滲流的極限平衡法、有限元方法和極限分析法［6］。國內外學者［7-9］已對降雨入滲條件下邊坡的非飽和滲流過程及其對邊坡穩(wěn)定性的影響進行了較多研究,然而這些研究多是針對加固前邊坡,對錨桿加固后降雨邊坡的穩(wěn)定性研究涉及較少。年延凱等［10］利用考慮樁-土-邊坡相互作用的強度折減有限元程序,探討了抗滑樁-邊坡體系的計算模型尺度,并探討了抗滑樁參數(shù)對邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)及臨界滑動面的影響；唐曉松等［11］結合有限元強度折減法分析了抗滑樁間距對邊坡加固效果的影響；他們雖然研究了抗滑樁加固對邊坡穩(wěn)定性的影響,但卻未考慮降雨因素。CAI等［12］利用有限元強度折減法,研究了降雨條件下水平排水對抗滑樁加固邊坡穩(wěn)定性的影響。李寧等［13］提出了降雨作用下抗滑樁邊坡穩(wěn)定性分析的有限元強度折減法,并應用該方法研究了降雨前后抗滑樁對邊坡穩(wěn)定性的影響；郭震山等［14］研究了降雨入滲對邊坡孔隙水壓力分布及邊坡穩(wěn)定性的影響,并對降雨強度、基質吸力及樁頂約束形式對邊坡穩(wěn)定性的影響進行了參數(shù)分析；次仁拉姆［15］基于有限元分析,對不同降雨工況下的孔隙水壓分布、錨索軸力及采用強度折減法計算的邊坡安全系數(shù)變化規(guī)律進行了研究。雖然這些學者對降雨條件下的抗滑樁邊坡開展了相應研究,但未涉及錨桿形式、布置方式及其數(shù)量對加固后邊坡穩(wěn)定性影響的研究。

本文以會東縣松坪山塘邊坡為例,基于ABAQUS有限元軟件進行降雨條件下滲流-應力耦合分析,并采取有限元強度折減法求解其安全系數(shù),分析降雨入滲對山塘邊坡穩(wěn)定性的影響,并在此基礎上進一步探討砂漿錨桿的長度、位置、數(shù)量和縱向間距等因素對降雨邊坡穩(wěn)定性的影響。

2 研究理論基礎

2.1 巖土的非飽和滲流理論

實現(xiàn)非飽和滲流計算的關鍵在于確定非飽和區(qū)滲透系數(shù)和飽和度隨基質吸力的變化關系,文中采用Cho和Lee經(jīng)驗公式［7］,即非飽和區(qū)滲透系數(shù)隨基質吸力的變化關系為：

式中：Kw為非飽和區(qū)材料的滲透系數(shù)；Kws為土體飽和時的滲透系數(shù)；ua為孔隙氣壓力；uw為孔隙水壓力；aw、bw和cw為材料常數(shù)。

飽和度隨基質吸力的變化關系為：

式中：Sr為飽和度；Si為殘余飽和度；Sn為最大飽和度；as、bs、cs均為材料常數(shù)。

由于沒有上述參數(shù)的試驗數(shù)據(jù),所以在后續(xù)數(shù)值分析過程中,上述參數(shù)均參考文獻［2］和［7］進行取值。

2.2 非飽和土邊坡的強度折減法

由于極限平衡法和傳統(tǒng)強度折減法均不能考慮孔隙水壓力和基質吸力的影響,因此難以直接用來求解考慮降雨和地下水位作用下的邊坡穩(wěn)定性問題。Fredlund在飽和土的Mohr-Coulomb強度公式基礎上考慮基質吸力對土體強度的影響,并提出了經(jīng)典的非飽和土抗剪強度計算公式：

式中：c＇為有效粘聚力；σ為正應力；ua為孔隙氣壓力；uw為孔隙水壓力；ua-uw為基質吸力；φ＇為有效內摩擦角；tanφb為抗剪強度隨基質吸力增加的速率。

從式（3）中可看出,基質吸力對非飽和土抗剪強度有一定影響,通常將基質吸力視為黏聚力的一部分,則粘聚力變?yōu)椋?/p>

因此,基于Fredlund理論的非飽和土強度折減法中粘聚力和內摩擦角的折減公式分別變?yōu)椋?/p>

計算中假設不同的強度折減系數(shù),根據(jù)折減后的強度參數(shù)進行有限元分析,并以坡頂點位移拐點作為邊坡失穩(wěn)的判據(jù)［16］。

3 降雨條件下松坪山塘邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 工程概況

松坪山塘位于四川省涼山彝族自治州南端會東縣松坪鄉(xiāng)集鎮(zhèn)內,該地地理環(huán)境復雜多樣,垂直差異明顯。境內地形呈中間低、四周高的山間盆地狀,海拔高度在640 m~3331.8 m之間。場地原始地面高程為1840 m~1880 m,開挖后山塘底部高程為1947.8 m。經(jīng)地質勘測知邊坡內地層巖性不一,由上往下分別是含礫質黏土、粉土和千枚巖,地質情況較為復雜,且氣候變化大,降雨頻發(fā),在自然降雨條件下可能會引起坡內土體的輕微滑動。

選取典型剖面建立二維有限元模型,見圖1。模型的底部采用固定約束,兩側采用鉸支座約束,邊坡的頂面和坡面（水位以上）設置為降雨入滲邊界。有限元模型共劃分單元2503個,節(jié)點7722個。各層材料采用的物理力學參數(shù)見表1［17-18］。

圖1 典型剖面二維有限元模型

表1 材料的物理力學指標

3.2 考慮降雨對山塘邊坡內滲流場的影響

得到不考慮降雨及降雨72 h之后兩種工況下邊坡內孔壓等值線云圖,見圖2。

圖2 不同工況下邊坡內滲流場分布

對比分析可以發(fā)現(xiàn),在降雨72 h之后,山塘邊坡的孔隙水壓力分布仍呈層狀分布,但邊坡表面的孔隙水壓力有所提高。究其原因在于,在邊坡的降雨入滲過程中,邊坡表層逐漸變濕,基質吸力隨著降低,邊坡表層的孔隙水壓力在不斷增加并且形成一個暫態(tài)飽和區(qū),由初始的負孔隙水壓力逐漸上升為正孔隙水壓力。

3.3 考慮降雨對山塘邊坡穩(wěn)定的影響

降雨72 h之后邊坡的水平位移分布及折減系數(shù)隨山塘邊坡水平位移U1的變化關系見圖3~圖4。

圖3 邊坡失穩(wěn)時的水平位移分布

圖4 邊坡的安全系數(shù)

通過強度折減法的評價標準及特征部位（坡頂）的位移拐點可以判斷出,不考慮降雨時邊坡的安全系數(shù)為1.348,大于《建筑邊坡工程技術規(guī)范》規(guī)定安全系數(shù)允許值1.30,說明降雨前邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；而降雨72 h之后邊坡的安全系數(shù)降為1.194,小于規(guī)范建議的允許值。綜上可知,研究坡段受降雨影響劇烈,在降雨72 h之后不穩(wěn)定,并產生較大滑動,最大水平位移達11.03 cm。

4 邊坡加固措施及錨桿參數(shù)對降雨邊坡穩(wěn)定性的影響分析

4.1 邊坡加固措施

由邊坡加固前穩(wěn)定性分析結果可知,研究坡段在降雨工況下處于不穩(wěn)定狀態(tài),需要進行邊坡加固。結合項目區(qū)地質災害發(fā)育特點、相似工程的治理經(jīng)驗,主要采用砂漿錨桿加固的方式,并輔以框格梁并碼放植生袋進行坡面綠化,同時在邊坡周邊設置排水溝以減少降雨對邊坡的不利影響。沿坡面布置砂漿錨桿,錨孔直徑取為110 mm,角度下傾34°。

為進一步探究錨桿參數(shù)對降雨邊坡穩(wěn)定性的影響,分別針對不同錨桿長度、布置位置、以及錨桿數(shù)量開展數(shù)值研究。

4.2 錨桿長度對結果的影響

降雨72 h之后邊坡塑性區(qū)分布見圖5,從圖中可以看出,邊坡塑性區(qū)完全貫通,邊坡失穩(wěn),此時預設值錨桿處的塑性區(qū)深度為8.3 m。為探究降雨條件下錨桿長度不同對邊坡安全系數(shù)的影響,在邊坡中間位置分別布置桿長為6 m、9 m、12 m和15 m的錨桿,并與不設置錨桿情況進行比較。

圖5 降雨邊坡塑性區(qū)分布

計算得到不同錨桿長度下邊坡的安全系數(shù)隨位移變化分布見圖6。從圖中可以看出,隨著錨桿長度的不斷增加,降雨邊坡的安全系數(shù)逐漸增大,說明在一定范圍內,樁長越長,錨桿的抗滑作用越明顯,邊坡安全系數(shù)越高。如果設置錨桿長度小于塑性區(qū)深度8.3 m,比如設置6 m錨桿,則對提高邊坡穩(wěn)定性效果不理想,這是因為錨桿長度較短時,滑動面會越過錨桿底部,造成錨桿和滑動土體一起下滑。

圖6 錨桿長度對安全系數(shù)的影響

4.3 錨桿位置對結果的影響

分別將15 m的錨桿布置在圖7 中的邊坡中點I處、中間偏上3 m的II處和中間偏上6 m的III處,并與不布置錨桿情況進行比較。計算得到錨桿位置不同對邊坡安全系數(shù)的影響見圖8。

圖7 降雨邊坡錨桿位置

圖8 錨桿位置對安全系數(shù)的影響

從圖中可以看出,錨桿分別設置在I、II、III處時邊坡的安全系數(shù)依次為1.258、1.244和1.236,說明考慮降雨條件下,錨桿位置距離坡腳越遠,錨桿加固邊坡的安全系數(shù)越小,加固效果越不理想。分析其原因可能在于降雨引起坡腳處滲透力增大,進而導致坡腳處率先發(fā)生破壞,錨桿距離坡腳較遠起不到穩(wěn)固坡腳的作用。

4.4 錨桿數(shù)量對結果的影響

上述分析表明,無論是增加錨桿長度或合理調整錨桿的位置均有利于提高邊坡的穩(wěn)定,但計算得到的安全系數(shù)均小于規(guī)范建議值1.30,仍不能滿足要求。為此,文中進一步探討錨桿數(shù)量對邊坡穩(wěn)定性的影響,沿邊坡分別布置1根、2根和3根錨桿,并與不布置錨桿情況進行比較。計算得到布置多根錨桿對降雨邊坡安全系數(shù)的影響,見圖9。

圖9 多根錨桿對安全系數(shù)的影響

從圖9（a）中可以看出,隨著錨桿數(shù)量的增加,降雨邊坡的安全系數(shù)逐漸增大,當布置3根錨桿時,安全系數(shù)提高至1.341,大于1.30,說明布置3根及以上錨桿后邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。從圖9（b）中可以看出,考慮降雨情況下,錨桿布置的過密,不利于雨水的排放。分析原因可能在于,樁后地下水位的抬升將增加滑坡體的飽和狀態(tài),使得抗滑力減小,進而降低錨桿抗滑效果。

5 結論

以松坪山塘邊坡為研究對象,基于巖土非飽和滲流理論和非飽和土的強度折減法,并借助ABAQUS軟件研究了降雨對山塘邊坡穩(wěn)定性的影響,并在此基礎上進一步對降雨條件下錨桿加固邊坡進行研究,得到如下結論：

（1）與不考慮降雨情況相比,考慮降雨之后,山塘邊坡的孔隙水壓力分布仍呈層狀分布,但邊坡表面的孔隙水壓力有所提高；邊坡受降雨影響強烈,在降雨之后易邊坡失穩(wěn)。因此,需要對降雨邊坡進行加固處理。

（2）在一定范圍內,錨桿長度越長,降雨邊坡的安全系數(shù)越大,錨桿的抗滑作用越明顯。如果設置錨桿長度過短,且小于塑性區(qū)最大深度,則對提高邊坡穩(wěn)定性效果不理想,所以在進行錨桿加固時,應根據(jù)規(guī)范和實際情況適當加大錨桿長度。

（3）對于常降雨位置邊坡,可布置多根錨桿以提高邊坡的安全系數(shù)；同時,應合理布置多錨桿之間的間距,以便更好地發(fā)揮錨固效果。