不同降雨持續時間的組合結構支護邊坡穩定性分析

張秀奇

（內蒙古綽勒水利水電有限責任公司,內蒙古 呼和浩特 010010）

1 引言

我國氣候多樣,各地降雨量差異明顯,且同一地區不同季節之間降雨量也極不相同。當然,面臨我國這種多樣性的降雨環境,在邊坡支護工程中也應該根據當地降雨情況,進行支護方式的選擇。近些年來,學者們對降雨工況下邊坡支護的研究十分關注,并取得一定的研究成果。王江榮等[1]依托實際路塹邊坡工程,利用有限元分析軟件FLAC3D,對暴雨工況下路塹高邊坡格構支護效果進行了研究,研究結果表明：持續暴雨工況下,格構支護結構能顯著提升邊坡的穩定性。楊天森等[2]利用數值模擬技術,對暴雨作用下雜填土邊坡滑動機理進行了研究,研究結果表明：對于暴雨影響下非飽和滲流過程,采用簡化分析方法的計算效率明顯要高。

以上研究均是與降雨工況條件有關,但研究的方法以及邊坡支護結構的類型均有顯著差異。然而,以上研究中并未涉及不同降雨持續時間對評價邊坡穩定性指標的影響。基于此,本文結合邊坡支護工程,利用有限元軟件MIDAS GTS,建立不同降雨持續時間下組合結構支護邊坡的模型,對不同降雨持續時間對評價邊坡穩定性進行分析。

2 工程概況

該邊坡支護工程位于內蒙古地區,組成該邊坡的巖土體自下而上分別為中風化頁巖、全風化頁巖、風化土。各種巖土體均為全場地分布,但各巖土體間層厚有明顯差異。

邊坡擬采用抗滑樁+錨桿的組合支護結構進行支護?？够瑯兜拈L度為15 m,截面尺寸為2 m×3 m,抗滑樁采用的鋼筋強度等級為HRB400,采用的混凝土強度等級為C30,采用機械挖孔施工,抗滑樁與巖土體物理力學參數見表1。組合結構中錨桿采用的是HRB335 鋼筋,錨筋直徑為25 mm,錨桿長度為12 m,采用帶螺旋鉆桿的回轉鉆機進行鉆孔,鉆孔的直徑為15 cm,錨桿的橫向與縱向間距均為4 m。水泥剛度為2 MPa,水泥粘結力為1000 kN。

表1 巖土體與抗滑樁物理力學參數

3 有限元模型

邊坡有限元模型采用有限元分析軟件MIDAS GTS 進行建立,模型的尺寸為左高22 m、右高59 m、長111 m,邊坡有限元模型見圖2。為保證計算結果的準確性以及計算過程的便捷有效性,三種主要的巖土體在劃分網格時,采用兩種網格尺寸,其中風化土與全風化頁巖基本尺寸為1 m,中風化頁巖基本尺寸為2 m。為保證抗滑樁與錨桿的受力的均勻性,在不同屬性接觸間共用有限元網格單元。在各種材料本構模型的選擇上,分別為巖土體材料采用摩爾庫倫本構模型、抗滑樁采用梁單元模型、錨桿采用桁架模型。設置靜水位線、邊界約束、曲面流量～線流量以及自重荷載。添加應力～滲流～邊皮施工階段組設置相應施工階段后,運算求解。

圖1 邊坡有限元模型

圖2 邊坡塑性應變云圖

4 數值模擬結果分析

經運算求解后,得出不同降雨持續時間組合結構支護下邊坡不同位置的體積含水率、孔隙水壓力、塑性應變、穩定安全系數與最大總位移,并依次對其進行分析。

4.1 邊坡體積含水率分析

不同降雨持續時間不同位置邊坡體積含水率見表2。由表2 可知,各個位置的體積含水率均隨降雨持續時間的增長而增大；在相同降雨持續時間中,坡腳位置的體積含水率較坡中和坡頂位置的體積含水率較大,原因是由于降雨過程中雨水落地之后不能完全被土壤吸收,一部分雨水會沿著邊坡往坡腳處流動,使得坡腳處雨水匯集,從而導致坡腳處體積含水率偏高。當降雨結束后,坡腳匯集的雨水被完全吸收后,使得坡腳穩定性較差,可能造成滑坡。通過上述分析可知,在邊坡的坡腳設置恰當的排水形式是十分重要的。

4.2 邊坡孔隙水壓力分析

不同降雨持續時間不同位置邊坡孔隙水壓力見表3。由表3 可知,當降雨持續時間為0 h 時,邊坡所觀察的孔隙水壓力處坡腳位置以外的其他位置孔隙水壓力均為負值；在相同降雨持續時間中,坡腳和坡中位置處的孔隙水壓力呈現逐漸減小的趨勢；隨著持續降雨時間的增長,孔隙水壓力逐漸由負值變為正值,表明邊坡巖土體逐漸開始向飽和狀態過度；在相同降雨持續時間下,坡腳處的孔隙水壓力明顯比坡中與坡頂大。

表3 不同降雨持續時間不同位置邊坡孔隙水壓力 單位：kPa

4.3 邊坡穩定性分析

4.3.1 塑性應變分析

不同降雨持續時間邊坡的塑性應變云圖見圖2。由圖2（a）可得,邊坡在未支護天然工況下,邊坡存在潛在滑動面且潛在滑動面貫通；在該狀態下邊坡的塑性應變明顯,塑性應變區主要集中在風化土與全風化頁巖接觸交界面處,塑性應變最大的位置出現在該交界面中下部。由圖2（b）可得,經組合結構支護后且未降雨時,邊坡的塑性應變明顯減小,錨桿的支護作用使潛在邊坡滑動面下移,下移的潛在滑動面被抗滑樁阻斷,可以充分體現出抗滑樁+錨桿組合支護結構的充分協作,充分發揮各自的優勢。結合圖2（b）～圖2（e）可得,隨降雨持續時間的增長,支護后的邊坡塑性應變逐漸增大,但各降雨持續時間下邊坡的最大塑性應變的位置都一致,最大塑性應變的位置均在坡腳處；在降雨持續時間0～12 h中,組合結構支護后邊坡的潛在滑動面均未貫通,說明抗滑樁+錨桿組合結構在持續降雨工況下支護邊坡的優勢。

4.3.2 穩定安全系數與位移分析

不同降雨持續時間邊坡穩定安全系數與最大總位移見表4。由表4 可得,在未支護天然工況下邊坡的穩定安全系數為1.02,邊坡當前處于極不穩定的狀態,極易發生滑動；邊坡的最大總位移為38 mm,遠超過規范要求的20 mm,邊坡最大總位移不滿足要求。邊坡在經組合結構支護后且降雨持續時間為0 h 時,邊坡的穩定安全系數為1.43,較未支護天然狀態提升了40.2%；邊坡的最大總位移僅為6 mm,滿足規范要求,且較未支護天然工況降低了84.2%。由此可見,邊坡在經組合支護結構支護后且還未降雨時,邊坡的穩定安全系數提升顯著,邊坡的最大總位移顯著減小。隨降雨持續時間的不斷增長,邊坡的穩定安全系數逐漸降低,邊坡的最大總位移逐漸增加。在降雨持續時間為12 h 時,邊坡的穩定安全系數為1.31,較未支護天然狀態仍提升28.4%,邊坡的最大總位移為15 mm,較未支護天然狀態仍降低了60.5%。由此可見,邊坡在經組合支護結構支護后且降雨持續時間為12 h 時,邊坡的穩定安全系數仍有一定程度的提升,且提升后滿足規范要求。

表4 不同降雨持續時間邊坡穩定安全系數與最大總位移

5 結論

本文利用有限元軟件MIDAS GTS,建立不同降雨持續時間下組合結構支護邊坡的模型,分析不同降雨降雨持續時間對評價邊坡穩定性指標的影響,得出以下結論：

（1）在持續降雨工況下,邊坡坡腳的體積含水率較其他位置更大,容易引起滑坡。在工程中應注意邊坡排水,以及采用合適排水方式。

（2）相對于坡中與坡頂處,坡腳的孔隙水壓力更大,因此在考慮持續降雨工況支護邊坡時,應更加關注坡腳位置。

（3）組合結構能有效阻斷邊坡潛在滑動面,顯著限制塑性應變與邊坡位移以及提升邊坡穩定安全系數。邊坡經組合結構支護后,未降雨時穩定安全系數達到了1.43,持續降雨12 h 后邊坡的穩定安全系數仍大于1.30。