降雨條件下山塘邊坡穩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境學院,湖北 宜昌443002）

1 引言

降雨入滲是誘發邊坡失穩的主要原因之一,是一種典型的非飽和流固耦合現象,且研究表明絕大多數的滑坡均發生在雨季［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定的影響因素［2］。

目前,分析降雨條件下邊坡穩定的方法主要包括：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對邊坡穩定安全系數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定性的影響。李寧等［13］提出了降雨作用下抗滑樁邊坡穩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定性的影響進行了參數分析；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變化規律進行了研究。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、布置方式及其數量對加固后邊坡穩定性影響的研究。

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,分析降雨入滲對山塘邊坡穩定性的影響,并在此基礎上進一步探討砂漿錨桿的長度、位置、數量和縱向間距等因素對降雨邊坡穩定性的影響。

2 研究理論基礎

2.1 巖土的非飽和滲流理論

實現非飽和滲流計算的關鍵在于確定非飽和區滲透系數和飽和度隨基質吸力的變化關系,文中采用Cho和Lee經驗公式［7］,即非飽和區滲透系數隨基質吸力的變化關系為：

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

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。

由于沒有上述參數的試驗數據,所以在后續數值分析過程中,上述參數均參考文獻［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,則粘聚力變為：

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為：

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

3 降雨條件下松坪山塘邊坡穩定性分析

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集鎮內,該地地理環境復雜多樣,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,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,節點7722個。各層材料采用的物理力學參數見表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

對比分析可以發現,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飽和區,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定的影響

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

圖3 邊坡失穩時的水平位移分布

圖4 邊坡的安全系數

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為1.348,大于《建筑邊坡工程技術規范》規定安全系數允許值1.30,說明降雨前邊坡處于穩定狀態；而降雨72 h之后邊坡的安全系數降為1.194,小于規范建議的允許值。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對降雨邊坡穩定性的影響分析

4.1 邊坡加固措施

由邊坡加固前穩定性分析結果可知,研究坡段在降雨工況下處于不穩定狀態,需要進行邊坡加固。結合項目區地質災害發育特點、相似工程的治理經驗,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對降雨邊坡穩定性的影響,分別針對不同錨桿長度、布置位置、以及錨桿數量開展數值研究。

4.2 錨桿長度對結果的影響

降雨72 h之后邊坡塑性區分布見圖5,從圖中可以看出,邊坡塑性區完全貫通,邊坡失穩,此時預設值錨桿處的塑性區深度為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 降雨邊坡塑性區分布

計算得到不同錨桿長度下邊坡的安全系數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,邊坡安全系數越高。如果設置錨桿長度小于塑性區深度8.3 m,比如設置6 m錨桿,則對提高邊坡穩定性效果不理想,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生破壞,錨桿距離坡腳較遠起不到穩固坡腳的作用。

4.4 錨桿數量對結果的影響

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定,但計算得到的安全系數均小于規范建議值1.30,仍不能滿足要求。為此,文中進一步探討錨桿數量對邊坡穩定性的影響,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的影響,見圖9。

圖9 多根錨桿對安全系數的影響

從圖9（a）中可以看出,隨著錨桿數量的增加,降雨邊坡的安全系數逐漸增大,當布置3根錨桿時,安全系數提高至1.341,大于1.30,說明布置3根及以上錨桿后邊坡處于穩定狀態。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,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。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,且小于塑性區最大深度,則對提高邊坡穩定性效果不理想,所以在進行錨桿加固時,應根據規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；同時,應合理布置多錨桿之間的間距,以便更好地發揮錨固效果。