降雨入滲下邊坡穩(wěn)定性的影響研究

王曉偉，朱興旺，李 卓

（中冀建勘集團(tuán)有限公司,河北 石家莊 050200）

1 概述

我國是世界上發(fā)生滑坡等地質(zhì)災(zāi)害最頻繁的國家之一。自20世紀(jì)80代來，隨著社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人們也加速了對自然環(huán)境的開發(fā)及利用。與此同時，自然因素和人類活動導(dǎo)致的邊坡滑坡、坍塌等地質(zhì)災(zāi)害也隨之而來。這給國家經(jīng)濟(jì)和人民安危帶來巨大危害。因此，對邊坡穩(wěn)定性問題的研究已成為當(dāng)前熱點之一。

眾多科研工作者針對邊坡穩(wěn)定性影響的問題展開了一系列的研究，并獲得了寶貴的成果。王述紅等[1]利用三維有限元軟件，建立三維數(shù)值模型，研究了降雨入滲的邊坡穩(wěn)定性問題，評估了聯(lián)合支護(hù)的支護(hù)效果。汪華斌等[2]基于某降雨誘發(fā)邊坡破壞的工程，探討了降雨條件下邊坡穩(wěn)定性模擬的問題，并針對該問題提出了有效的解決方法。朱文等[3]利用數(shù)值手段研究了降雨條件下土體滑坡問題。對比了不同支護(hù)條件下的邊坡穩(wěn)定性，從而確定了該工程最佳的支護(hù)方案。戚國慶等[4]通過建立三維有限元模型，系統(tǒng)分析了巖質(zhì)邊坡降雨入滲過程。吳江鵬等[5]基于某土質(zhì)邊坡工程，研究了降雨條件下土質(zhì)邊坡的開挖過程，獲得了土質(zhì)邊坡變形破壞機(jī)理和變形規(guī)律。周翠英等[6]建立有限元模型分析了邊坡變形破壞過程，針對該邊坡的變形規(guī)律確定了最優(yōu)支護(hù)措施確保了邊坡的穩(wěn)定。張家發(fā)[7]基于某土質(zhì)邊坡工程，分析了土壩在飽和與非飽和條件下的滲流場，獲得了不同條件下的土壩變形規(guī)律。劉立平等[8]針對邊坡穩(wěn)定性問題，總結(jié)了邊坡穩(wěn)定性分析方法的最新進(jìn)展。

本文基于某實際邊坡工程，建立三維數(shù)值模型，評估了聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)對本邊坡的治理效果，確定了邊坡的最佳支護(hù)措施。基于聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步研究了幾種不同因素的影響。

2 工程概況

本研究區(qū)域內(nèi)以低山丘陵地貌為主，植被遭受一定的破壞，覆蓋率一般，山頂海拔高程在88.0～359.9m。同時本研究區(qū)主要所處山體為一座殘丘，殘丘位于西側(cè)低山丘陵區(qū)山間溝谷的下游出口處，植被以灌木為主，斜坡下部為附近居民種植的竹林，該丘頂標(biāo)高約150.8m，坡腳地面標(biāo)高約55～60m，相對高差85～90m，斜坡上陡下緩，一般20°～35°左右。

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查，該滑坡體的左右兩側(cè)邊界清晰，坡體西側(cè)與砌塊石擋墻相連，坡體右側(cè)附近便是近期剛發(fā)生的局部崩塌點，距離僅4～5m。坡體左右側(cè)可見較淺溝槽，一直延伸至坡體后緣邊界，系由于受到地表水侵蝕而逐漸切割形成側(cè)溝。兩側(cè)邊界的滑坡較為發(fā)育，溝中填充雜草碎石。

選取1-1′工程地質(zhì)橫剖面進(jìn)行穩(wěn)定性評估，剖面圖如圖1所示。滑坡體的土體重度：滑坡體組成物質(zhì)主要為坡積②層粉質(zhì)粘土混碎塊石。依據(jù)室內(nèi)土工試驗結(jié)果，結(jié)合區(qū)域工程地質(zhì)資料分析，土體天然重度取18.5kN/m3、飽水重度取20.0kN/m3。

圖1 1-1′剖面圖

考慮滑動面為折線型，采用《滑坡地質(zhì)災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》（DZ/T0218-2006）附錄E中E.1.2的計算公式（如下）計算滑坡體的穩(wěn)定系數(shù)。計算成果匯總見表1。由以上滑坡體穩(wěn)定系數(shù)計算結(jié)果可知：滑坡體在考慮暴雨或強(qiáng)降雨影響時，滑坡體穩(wěn)定性狀態(tài)為不穩(wěn)定。據(jù)此分析，滑坡體在持續(xù)暴雨或強(qiáng)降雨條件下，存在進(jìn)一步向下滑動的極大可能。

表1 經(jīng)驗值穩(wěn)定性驗算及推力計算成果匯總表

3 有限元模型的建立

3.1 三維數(shù)值模型

根據(jù)研究區(qū)勘察資料，同樣以勘察鉆孔ZL01-ZL08的8口鉆孔揭露地層為依托建立計算模型，所建立的模型如圖2所示。對X、Y方向設(shè)置水平向的約束，對Z方向的底部設(shè)置固定約束。整個邊坡布設(shè)了3排抗滑樁，從小往上依次是B型抗滑樁、E型抗滑樁和I型抗滑樁。同時再增設(shè)錨桿。土體參數(shù)及抗滑樁參數(shù)選取參照上一節(jié)。錨桿材料密度為26kN/m3，彈性模量3×107kPa，水平間距為5m，垂直間距為3m。傾角為25°，錨孔直接為130mm，錨固段長度為8m。

圖2 計算模型示意圖

3.2 計算參數(shù)選取

參考該人工邊坡的勘察報告所提供的巖土體物理力學(xué)參數(shù)，并結(jié)合工程經(jīng)驗進(jìn)行賦值計算，考慮粘性土為不透水層，因此強(qiáng)風(fēng)化巖和中風(fēng)化巖的參數(shù)設(shè)置為固定不變值，所選擇的土體的力學(xué)參數(shù)指標(biāo)見表2。

表2 土體參數(shù)

3種抗滑樁均采用現(xiàn)澆混凝土，混凝土密度為26kN/m3，彈性模量3×107kPa，泊松比0.2。其中B型抗滑樁錨固長度為15m，設(shè)計樁長為42m，截面積為2m×3m，水平間距為5m；E型抗滑樁錨固長度為15m，設(shè)計樁長為31m，截面積為2.5m×3.5m，水平間距為5m；I型抗滑樁錨固長度為15m，設(shè)計樁長為34m，截面積為3m×4m，水平間距為5m。

4 聯(lián)合支護(hù)效果分析

圖3給出了聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)下的邊坡水平和豎向位移圖。如圖所示，邊坡的變形規(guī)律同抗滑樁支護(hù)結(jié)構(gòu)下的變形規(guī)律一致。聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)下，坡體最大水平位移僅為0.8cm，坡體最大豎向位移僅為0.9cm，較抗滑樁支護(hù)結(jié)構(gòu)下的邊坡變形顯著減小。傾斜錨桿的作用更好地限制了支護(hù)結(jié)構(gòu)處土體的豎向位移。

圖3 抗滑樁支護(hù)下邊坡位移云圖

圖4給出了聯(lián)合支護(hù)下的邊坡位移增量云圖。如圖所示，聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)下的邊坡不存在潛在滑動面，可以判斷邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。同時，基于有限元強(qiáng)度折減法計算得到該邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.35，邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 聯(lián)合支護(hù)下邊坡位移增量云圖

5 支護(hù)效果影響因素分析

基于聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的研究，利用PLAXIS 3D完全流固耦合功能，研究降雨時長、抗滑樁間距和抗滑樁錨固長度幾個因素對聯(lián)合支護(hù)效果和抗滑樁本身的影響規(guī)律。

5.1 降雨時長的影響

選取降雨時長分別為24h、48h和72h三種工況，降雨強(qiáng)度均為20mm/h，樁間距均為5m，土體重度均為飽和重度21kN/m3。以下關(guān)于抗滑樁內(nèi)力的研究對象均選取最下方B型抗滑樁。表3給出了不同降雨時長的位移最值和安全系數(shù)、B型抗滑樁彎矩極值、B型抗滑樁剪力極值。可以看出，邊坡的最大位移隨著降雨時長的增大而增大，邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)隨著降雨時長的增大而減小。這是因為隨著降雨時長的增加，土體重度由濕重度逐漸地轉(zhuǎn)變?yōu)榱孙柡椭囟龋虼送馏w的滑動力增大。這也導(dǎo)致了抗滑樁的內(nèi)力增大。

表3 不同降雨時長的邊坡計算結(jié)果

5.2 樁間距的影響

選取樁間距分別為3m、5m、7m和9m四種工況，降雨強(qiáng)度均為20mm/h，降雨時長均為72h，土體重度均為飽和重度21kN/m3。表4給出了不同樁間距的位移最值和安全系數(shù)、B型抗滑樁彎矩極值、B型抗滑樁剪力極值。可以看出，樁間距的減小能使邊坡的穩(wěn)定性增大，但樁間距進(jìn)一步減小，這種效果逐漸減弱。同時樁間距的變化對抗滑樁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力影響有限。

表4 不同樁間距的邊坡計算結(jié)果

5.3 錨固長度的影響

選取錨固長度分別為5m、10m、15m和20m四種工況，降雨強(qiáng)度均為20mm/h，降雨時長均為72h，土體重度均為飽和重度21kN/m3。表5給出了不同樁間距的位移最值和安全系數(shù)、B型抗滑樁彎矩極值、B型抗滑樁剪力極值。可以看出，錨固長度的增加可以顯著地提升邊坡的穩(wěn)定性，但錨固長度從15m加長到20m時，不能進(jìn)一步提升錨固長度，這是由于抗滑樁的錨固長度遠(yuǎn)超過滑動面的深度。但錨固長度的增大，會使得抗滑樁的內(nèi)力顯著增大。因此，應(yīng)該選擇合適的抗滑樁錨固長度。

表5 不同錨固長度的邊坡計算結(jié)果

6 結(jié)論

本文通過建立三維有限元軟件，評估了聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)對本邊坡的治理效果，確定了邊坡的最佳支護(hù)措施。基于聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步研究了幾種不同因素的影響。得到以下結(jié)論：

（1）聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)下的邊坡不存在潛在滑動面，邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.35，邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）邊坡的最大位移隨著降雨時長的增大而增大，邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)隨著降雨時長的增大而減小；在一定范圍內(nèi)，減小樁間距和增加錨固長度可以有效地增大邊坡的穩(wěn)定性。