降雨影響下的邊坡穩定性及加固研究

趙晨凱，孫懷軍，徐小樂

(天津市勘察設計院集團有限公司，天津 300000)

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

研究表明，降雨入滲和地震作用是影響邊坡穩定性的最主要因素。中國科學院地球環境研究所的最新資料顯示：2008年汶川地震災區由于強降雨和不斷發生的地余震而引發滑坡近6萬次，岷江、沱江、涪江三條河流的輸沙量增加了3～7倍。為了進一步防止強降雨引發邊坡失穩，眾多學者從降雨的角度開展了邊坡穩定性的研究，并取得了一定成果。李濤[1]基于厚覆蓋層邊坡失穩機理研究了降雨影響下的厚覆蓋層邊坡滲流特征及穩定性；石振明[]2等人改進了Green—Ampt模型，研究了多層非飽和土降雨入滲的邊坡穩定性。

受季風的影響，我國西南地區氣候濕潤，降水豐富，由于西南邊陲的地勢高差較大，當遭遇大暴雨或是連續降雨時，極易引發山體巖石松動，發生滑坡災害。本文以云南境內某在建高速公路某路段的邊坡為研究對象，對其進行力學校核，放坡開挖，如不滿足安全性，需要砌擋土墻加抗滑樁進行加固，然后進一步驗證安全性。邊坡巖土在承受強降雨的滲透后，滑體飽和度增加，而粘聚力和內摩擦角等抗滑因素會被削弱，滑體處于非穩定狀態，且新滑動面最有可能在老滑動面上發展。因此本文結合實際情況進一步分析了降雨對滑體穩定性的影響，并且對采用抗滑樁支護后的邊坡穩定性進行了分析。

1 降雨入滲對邊坡穩定性影響

滑體的抗剪強度是影響其穩定性的重要指標之一。學者Genuchten[3]提出了非飽和土體中存在基質吸力的學說，并給出了基質吸力隨土體含水量變化的發展規律：

(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為基質吸力；a、m、n為曲線擬合參數。

學者Frellund等[4]提到，基質吸力在本質上是一種應力狀態變量，基質吸力的存在能一定程度的提高土體抗剪強度。

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

表1 各工況對應的參數組合

2 邊坡降雨入滲模型

2.1 材料基本參數

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為0.36；土樣取粉質黏土干密度為，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%，其余主要物理參數如表2所示。

表2 材料物理參數

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 計算結果及分析

3.1 無降雨量的邊坡穩定性分析

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象，主要是由于土層經過上部卸載后，自身初始應力被釋放和重新分布，因此出現向上變形和回彈，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，滑體自身的穩定性都會降低，引起原本穩定的老滑動面復活，出現新的崩塌和滑坡。因此，采用削坡減載的方法已經不能適用于工程實際，除非大范圍的將滑體上部土層挖走，但由于該滑體規模大，土方量多，工程耗資增加大，所以綜合考慮應采用抗滑樁加擋土墻支護的方案。

3.2 降雨入滲下加抗滑樁后邊坡的穩定性

設置抗滑樁支護后，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行分析，如圖3所示，隨抗滑樁深度的發展，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，在抗滑樁的設計過程中，此部位應考慮加大結構強度。

圖3 樁背土壓力

雖然采用抗滑樁支護后，邊坡基本不會發生大的變形和垮塌現象，但土體的內摩擦力、粘聚力等力學參數會隨降雨的持續而降低，從而降低邊坡的穩定性。由圖4和圖5可以看出，當含水量為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，導致下滑位移和剪應力都非常大，最大剪應力達到0.556 MPa；含水量為12.12%時，土體下滑位移以及剪應力都很大，而含水量為18.16%時，下滑位移及剪應力卻非常小，這與土在不同含水量情況下的粘聚力以及基質吸力有關。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力都會比較小。含水量為12.12%時所承受的應力比18.16%及20.13%都要大，這是因為12.12%含水量對應的土體比較松散，摩擦系數比較小，更容易失穩。這也說明，含水量控制在18.16%，對邊坡穩定性最為有益。

圖4 邊坡土體下滑位移

圖5 邊坡土體剪應力

4 結語

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，重點研究了抗滑樁及降雨對邊坡穩定性的影響，得到以下結論：

(1)與原始邊坡相比，設置了擋土墻和抗滑樁的邊坡位移分布發生了明顯變化，說明抗滑樁擋土墻等支護結構對邊坡滑體有一定約束作用。

(2)隨著降雨的持續，邊坡土體的含水量及飽和度持續增加，在土體含水量達到18.16%時，土體內粘聚力與內摩擦系數等參數達到最大，此時邊坡穩定性最佳。

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