降雨條件下錨桿擋墻加固邊坡穩定性分析

■張宏偉

（山西昔榆高速公路有限公司，晉中 030600）

降雨會提高地下水位， 同時削弱土體的強度，因此研究邊坡的加固措施以及降雨條件下的穩定性對于保證邊坡安全極為重要[1-4]。有學者對此進行了研究，次仁拉姆[5]以某省道沿線邊坡為研究對象，基于土體飽和-非飽和滲流與非飽和強度理論，采用數值模擬的方法對降雨條件下土體孔隙水壓力、邊坡穩定系數和錨桿軸力進行了研究分析。 向文賢等[6]以昆明某邊坡為例，采用MIDAS/GTS 分析軟件， 考慮非飽和土滲流理論， 研究了降雨動態條件下邊坡加固結構內力和邊坡變形規律。 傅能武[7]利用Geo-studio 軟件對降雨入滲條件下某堆浸場邊坡穩定性進行了詳細分析。然而，現有的研究很少對擋墻和錨桿的受力和變形進行分析，基于此，本試驗以某邊坡工程采用錨桿擋墻加固為研究對象，采用數值模擬的方法分析了降雨條件下錨桿擋墻加固效果，研究結果可為擋墻加固工程提供參考。

1 工程概況

某鐵路項目穿越我國西南部某地區，該地區常年降雨量充沛，路線的修建需要進行大面積的邊坡開挖和支護。 以樁號DK23+675 典型斷面為分析研究對象，該位置地層巖性以上層粉質黏土、中層夾碎塊粉質黏土、下層基巖為主，邊坡開挖斷面見圖1。

圖1 原始地貌截面圖

2 數值建模

2.1 模型建立

采用Geo-Studio 軟件中的極限平衡法進行分析，該方法基于摩爾-庫倫強度理論，如圖2 所示。邊坡高度為16.0 m，模型長度和高度分別為32 m和20 m，采用錨桿擋墻支護模式，鋼筋混凝土擋墻共設置為四級，擋墻由立板、底板和斜板構成，在擋墻的立板和斜板均設置排水孔， 其中立板的長寬厚分別為3、3 和0.3 m，底板的長厚分別為1.3、0.2 m，斜板的長厚分別為1.0、0.2 m，斜坡傾斜角度為60°。 最下面一級擋墻埋入地下1.0 m 深。 錨桿錨固段和自由段長度分別為5、7 m， 垂直和水平間距均為3 m，采用HRB335 鋼筋并采用M30注漿，錨桿與水平夾角為25°。錨桿擋墻示意圖見圖2（c）。

圖2 數值模型圖

天然和飽和狀態下土層的物理力學參數以及擋墻和錨桿的物理力學參數見表1～3。

表1 天然狀態下土層和擋墻的物理力學參數

表2 飽和狀態下土層和擋墻的物理力學參數

表3 錨桿的物理力學參數

2.2 邊坡穩定性判定標準

根據GB/50330-2013 《建筑邊坡工程技術規范》，給出了邊坡穩定性系數判定標準，如表4 所示。

表4 邊坡穩定性系數判定標準

3 天然工況和降雨工況下穩定性分析

3.1 邊坡穩定性分析

不同工況下計算得到的邊坡安全系數見表5，并根據表4 給出了各工況下的邊坡穩定狀態。 由表5 可知，天然工況和降雨工況下，不采取支護措施時邊坡的安全系數分別為0.956 和0.901，均為不穩定狀態，故需要采取加固措施。 采用錨桿擋墻支護措施后，天然工況和降雨工況下的邊坡安全系數分別為1.903 和1.654，均能滿足穩定性要求，說明了該加固方法的有效性。

表5 計算得到的不同工況下邊坡安全系數

3.2 邊坡變形分析

為了分析降雨條件下的錨桿擋墻加固邊坡穩定性，給出了天然工況和降雨工況下的邊坡水平位移云圖，由圖3、圖4 可知無支護時邊坡最大水平位移發生在坡面偏下部位置，而采用錨桿擋墻支護之后，邊坡最大水平位移發生在了坡頂面。 無支護時，天然工況和降雨工況下的最大水平位移分別為55 mm 和65 mm；而采用錨桿擋墻支護之后，天然工況和降雨工況下的最大水平位移分別為1.8 mm和3.2 mm，即天然狀態下采用支護措施后最大水平位移減小了96.7%，降雨狀態下采用支護措施后最大水平位移減小了95.1%。 當有支護存在時，降雨條件下邊坡最大水平位移要比天然狀態下增大77.8%。

圖3 天然工況下邊坡水平位移云圖

圖4 降雨工況下邊坡水平位移云圖

圖5、 圖6 給出了天然工況和降雨工況下的邊坡豎向位移云圖。 可知，無支護時天然工況和降雨工況下的最大豎向位移分別為44 mm 和55 mm；而采用錨桿擋墻支護之后，天然工況和降雨工況下的最大豎向位移分別為2.0 mm 和4.4 mm， 即天然狀態下采用支護措施后最大豎向位移減小了95.5%，降雨狀態下采用支護措施后最大豎向位移減小了92.0%。當有支護存在時，降雨條件下邊坡最大豎向位移要比天然狀態下增大120%。

圖5 天然工況下邊坡豎向位移云圖

圖6 降雨工況下邊坡豎向位移云圖

綜上可知，采用錨桿擋墻支護措施之后，使得邊坡最大水平和豎向位移均減小90%以上，說明錨桿擋墻支護具有很好地加固效果，同時相比于天然狀態下，降雨工況下的邊坡變形略有增大。

3.3 擋墻變形分析

為了分析擋墻立板的水平變形，給出了天然和降雨工況下擋墻立板水平位移，由圖7 可知，擋墻立板水平位移隨擋墻高度的增大而增大，在墻頂處的擋墻立板水平位移最大。 降雨工況下擋墻立板水平位移一直大于天然工況下擋墻立板水平位移，降雨工況和天然工況下的最大擋墻立板水平位移分別為1.79 mm 和1.27 mm，降雨工況下擋墻立板水平位移比天然工況下擋墻立板水平位移增大了40.9%。

圖7 天然和降雨工況下擋墻立板水平位移

為了分析擋墻底板的水平變形，以降雨工況下擋墻底板水平位移曲線為例進行分析，由圖8 可知，各級擋墻底板水平位移沿底板寬度方向基本不變。

圖8 降雨工況下擋墻底板水平位移

圖9 給出了天然和降雨工況下擋墻立板豎向位移，由圖可知，擋墻立板豎向位移隨擋墻高度的增大而增大， 在墻頂處的擋墻立板豎向位移最大。相比于天然工況下，降雨工況下擋墻立板水平位移一直較大，降雨工況和天然工況下的最大擋墻立板豎向位移分別為1.78 mm 和1.14 mm，降雨工況下擋墻立板豎向位移比天然工況下擋墻立板豎向位移增大了56.1%。

圖9 天然和降雨工況下擋墻立板豎向位移

為了分析擋墻底板的豎向變形， 以降雨工況下擋墻底板豎向位移曲線為例進行分析， 由圖10可知， 各級擋墻底板豎向位移沿底板寬度方向基本不變。

圖10 降雨工況下擋墻底板豎向位移

3.4 錨桿軸力分析

為了分析錨桿軸力變化，給出了天然和降雨工況下錨桿軸力曲線（圖11、圖12），上、中、下三排錨桿的錨固段長度均為5 m，錨桿均為受拉狀態。其中錨固段端頭軸力最大， 隨著錨固段長度的增大，錨桿軸力減小，在端尾處軸力最小。 由圖11 可知，天然工況下，上、中、下三排錨桿最大軸力值分別為23.8、66.1 和107.2 kN。 由圖12 可知，降雨工況下，上、中、下三排錨桿最大軸力值分別為41.5、83.6 和120.2 kN，降雨工況下上、中、下三排錨桿最大軸力值分別比天然狀態下大74.4%、26.5%和12.1%。 由于本試驗錨桿的抗拉強度為300 N/mm2，因此，在天然工況和降雨工況下錨桿受力滿足要求。

圖11 天然狀態下錨桿錨固段軸力曲線

圖12 降雨狀態下錨桿錨固段軸力曲線

4 結論

本試驗以某邊坡工程采用錨桿擋墻加固為研究對象，采用數值模擬的方法分析了降雨條件下錨桿擋墻加固效果，得到以下結論：（1）天然工況和降雨工況下， 不采取支護措施時邊坡均為不穩定狀態，故需要采取加固措施；采用錨桿擋墻支護措施后，邊坡安全系數均能滿足穩定性要求，驗證了該加固方法的有效性。 （2）采用錨桿擋墻支護措施之后， 邊坡最大水平和豎向位移均減小90%以上，說明錨桿擋墻支護具有很好的加固效果，同時相比于天然狀態下，降雨工況下的邊坡變形略有增大。 （3）降雨工況下擋墻立板水平和豎向位移比天然工況下明顯要大， 擋墻底板水平和豎向位移基本不變。（4）上、中、下三排錨桿最大軸力值從上至下依次增大，降雨工況下上、中、下三排錨桿最大軸力值分別比天然狀態下分別增大74.4%、26.5%和12.1%，但受力均滿足要求，說明錨桿擋墻加固措施的可靠性。