次仁拉姆

（西藏自治區(qū)交通勘察設(shè)計研究院，西藏 拉薩850000）

根據(jù)邊坡失穩(wěn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)［1］，多數(shù)邊坡在降雨過程中或者降雨結(jié)束一定時間內(nèi)發(fā)生失穩(wěn)破壞。 諸多學者已經(jīng)認識到降雨入滲對邊坡失穩(wěn)的影響：降雨入滲導致邊坡含水量增加，使邊坡自重增大，并且會引起邊坡非飽和區(qū)域的基質(zhì)吸力降低；對于部分土體，降雨還會弱化其力學參數(shù)，降低抗剪強度［2］。 分析已有研究成果可知，諸多學者對于未加固自然邊坡因降雨入滲引起的失穩(wěn)機理方面進行了較多研究［3-13］，但對于加固前后邊坡安全系數(shù)及加固結(jié)構(gòu)內(nèi)力與降雨特性之間關(guān)系的研究較少。

基于以上研究現(xiàn)狀，本文結(jié)合實際工程實例，分析雨水入滲對孔隙水壓的影響，研究不同降雨特性對加固前后邊坡安全系數(shù)及預(yù)應(yīng)力錨索內(nèi)力的影響，為邊坡穩(wěn)定性分析和加固設(shè)計提供參考。

1 研究理論基礎(chǔ)

1.1 飽和-非飽和滲流

降雨過程中，邊坡內(nèi)部發(fā)生飽和-非飽和滲流，假定滲流滿足達西定律，根據(jù)質(zhì)量守恒原理，可以得到其滲流基本微分方程為［3］：

式中kx和ky分別為土體x和y方向的滲透系數(shù)；H為總水頭；Q為源匯項；mw為比水容重；γw為水的重度；t為滲流時間。

非飽和滲流過程中，土體體積含水量的變化會對基質(zhì)吸力和滲透系數(shù)產(chǎn)生影響，該影響可通過土水特征曲線和滲透系數(shù)曲線來描述。 該曲線可通過室內(nèi)外試驗結(jié)合以下V-G 經(jīng)驗公式［6］進行擬合確定。

式中ua與uw分別為孔隙氣壓力和孔隙水壓力；θw為土體體積含水量；θr為土體殘余體積含水量；θs為土體飽和體積含水量；ψ為基質(zhì)吸力，ψ＝ua-uw；k（ψ）為不同基質(zhì)吸力對應(yīng)的滲透系數(shù)；ks為飽和滲透系數(shù)；m、n、a均為擬合曲線參數(shù)，其中

1.2 強度折減法

目前，邊坡穩(wěn)定性分析中常用的極限平衡法不能準確地考慮孔隙水壓力和基質(zhì)吸力對邊坡穩(wěn)定性的影響。 強度折減法計算理論簡單，且能有效避免極限平衡法的缺陷。 對于采用摩爾-庫倫模型的材料，強度折減法計算安全系數(shù)的基本思路可表示為［9］：

式中σ和σ′分別為破裂面法向總應(yīng)力和法向有效應(yīng)力；τ、c、φ分別為邊坡土體抗剪強度、黏聚力和內(nèi)摩擦角；τ′、c′、φ′分別為考慮折減系數(shù)后的土體抗剪強度、黏聚力和內(nèi)摩擦角；Fs為折減系數(shù)，對于邊坡穩(wěn)定性分析中的最大折減系數(shù)即為安全系數(shù)。

2 數(shù)值模型計算

2.1 工程概況與計算參數(shù)

西藏林芝地區(qū)波密縣內(nèi)省道S303 沿線某邊坡位于河流侵蝕堆積工程地質(zhì)區(qū)，邊坡天然坡度達60°以上，地層條件較復(fù)雜，地表水系發(fā)育，地下水位埋置深度2.50～25.00 m。 根據(jù)現(xiàn)場勘察與鉆探數(shù)據(jù)，該區(qū)域巖石破壞嚴重，呈碎石角礫夾少量的土狀。 各土層由上至下分別為含礫粉質(zhì)黏土、強分化砂巖和中風化砂巖，對采取的土樣進行室內(nèi)試驗測得各土層基本參數(shù)如表1 所示。

表1 各土層特性參數(shù)

由試驗測得含礫粉質(zhì)黏土飽和體積含水量θs為26.9%，殘余體積含水量θr為12.7%；強風化砂巖的θs和θr分別為23.5%和10.6%，邊坡內(nèi)部的中風化砂巖層受雨水入滲影響小，本次計算中未考慮其非飽和滲流。 采用V-G 模型描述含礫粉質(zhì)黏土和強風化砂巖在非飽和滲流中的基質(zhì)吸力和滲透系數(shù)關(guān)系如圖1～2所示。

2.2 降雨方案擬定

分析當?shù)亟?0 年內(nèi)的水文氣象資料，擬定不同雨強和降雨持續(xù)時間的計算工況如表2 所示，以研究不同降雨條件對邊坡滲流與穩(wěn)定性影響。

圖1 土水特征曲線

圖2 滲透系數(shù)曲線

表2 降雨工況

2.3 邊坡加固措施

擬采用放坡結(jié)合預(yù)應(yīng)力錨索格構(gòu)梁護坡加固。 預(yù)應(yīng)力錨索規(guī)格為D185 mm，12S15.2 mm@3 000 mm，長度2 100 cm，錨索設(shè)計值1 500 kN；鎖定錨固值900 kN，錨固長度1 000 cm。 加固處理后的邊坡剖面如圖3所示。

圖3 邊坡剖面圖

2.4 數(shù)值分析模型

采用MIDAS-GTS 建立數(shù)值分析模型如圖4 所示。模型的底部鉸接，兩側(cè)的邊界約束X方向；邊坡頂部和側(cè)面為降雨入滲邊界，當雨強大于坡體表面單元滲透系數(shù)時，雨強由滲透系數(shù)控制。 計算過程中，程序先通過飽和-非飽和滲流計算某時刻的孔隙水壓分布，再根據(jù)非飽和強度理論和強度折減法計算邊坡安全系數(shù)與錨索內(nèi)力。

圖4 有限元計算模型

3 計算數(shù)據(jù)分析

3.1 孔隙水壓隨降雨時間變化

考慮飽和非飽和滲流特性，計算不同降雨工況下邊坡內(nèi)部雨水入滲情況。 當各工況降雨量達到200 mm 時，邊坡孔隙水壓分布如圖5 所示。 對比不同工況的孔壓分布可知：降雨入滲引起地表附近孔隙水壓不同程度上升，入滲影響范圍隨雨強增大而明顯減小，但坡體表面的暫態(tài)飽和區(qū)域隨雨強增大而增加；當雨強為50 mm/d 時，入滲影響范圍最大，但暫態(tài)飽和區(qū)僅在坡體表面局部區(qū)域出現(xiàn)，而雨強為200 mm/d 時則相反，入滲范圍明顯縮小，但表面均出現(xiàn)了暫態(tài)飽和區(qū)域。 其原因主要是：當降雨量一定時，雨強越小，降雨持續(xù)時間越長，因此雨水入滲量和入滲范圍均越大；而雨強增大時，雖然坡體水分補給增多，容易達到飽和，但當雨強大于邊坡的滲水能力時，多余雨水會在表面形成徑流，同時，降雨時間縮短，導致雨水入滲范圍和雨水滲入量減小。

圖5 降雨量為200 mm 時不同雨強工況下孔隙水壓分布圖

3.2 邊坡穩(wěn)定性分析

加固前，不同工況下邊坡在降雨量為200 mm 時的剪應(yīng)變云圖如圖6 所示。 該邊坡的潛在滑裂面均出現(xiàn)在坡腳上方，且均未形成貫通區(qū)域。 采用強度折減法計算邊坡加固前后的安全系數(shù)并整理如圖7 所示，可知邊坡的安全系數(shù)隨降雨量增加而不斷減小，當降雨量相同時，雨強50 mm/d 對應(yīng)的邊坡安全系數(shù)最小，雨強100 mm/d 次之，雨強200 mm/d 對應(yīng)的安全系數(shù)最大；且隨著降雨量增加，雨強50 mm/d 時安全系數(shù)的降幅明顯大于其他雨強。 當降雨量為200 mm時，加固前邊坡安全系數(shù)由1.311 降至1.102，降低幅度達到15%，參考《公路路基設(shè)計規(guī)范》（JTG D30—2015）［14］中關(guān)于降雨條件下的邊坡安全系數(shù)要求，此時安全系數(shù)1.102 不滿足規(guī)范要求值1.15，應(yīng)對邊坡進行加固支護。 采用預(yù)應(yīng)力錨桿加固后邊坡安全系數(shù)增加至1.852，較加固前提升了41%，降雨對安全系數(shù)的影響規(guī)律與加固前基本一致；但降雨后，邊坡最小安全系數(shù)為1.809，降幅僅3%，滿足規(guī)范要求，說明預(yù)應(yīng)力錨索能有效加固邊坡，并減小降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響。

圖6 降雨量為200 mm 時不同雨強工況下邊坡剪應(yīng)變云圖

圖7 邊坡加固前后安全系數(shù)隨降雨量變化關(guān)系

3.3 錨索內(nèi)力變化規(guī)律分析

降雨入滲引起坡體的下滑力增大，導致錨索提供的抗滑力增加。 為研究不同降雨特性對預(yù)應(yīng)力錨索內(nèi)力的影響，將錨索從上到下依次編號為1#、2#、3#，不同工況下錨索軸力增量與降雨量的對應(yīng)關(guān)系如圖8 所示。 從圖8 可知，隨著降雨量增加，各錨索軸力均出現(xiàn)一定程度增大，其中雨強為50 mm/d 時軸力變化最顯著。 在降雨過程中，當降雨量小于100 mm 時，各錨索軸力增量值與降雨量基本呈線性變化；而當降雨量大于100 mm 時，各錨索軸力增量呈非線性提升，其中雨強越小，對應(yīng)的錨索軸力提升幅度越大。 另外，在所有工況中，位于上方的1#錨索軸力對降雨的敏感性明顯低于底部的3#錨索軸力，這表明坡體底部錨索對支護結(jié)構(gòu)的可靠性起控制作用，在錨索設(shè)計或內(nèi)力監(jiān)測時應(yīng)重點分析坡體底部錨索。

圖8 不同雨強下錨索軸力隨降雨量變化關(guān)系

4 結(jié) 論

1） 降雨入滲引起坡體表面孔隙水壓增大，當降雨量相同時，降雨入滲范圍隨雨強增大而減小，坡體表面附近暫態(tài)飽和區(qū)域隨雨強增加而增大。

2） 邊坡加固前后的安全系數(shù)均隨降雨量增加而不斷減小，降雨量相同時，雨強越小，邊坡安全系數(shù)的下降程度越大。 錨索加固能有效提高邊坡安全系數(shù)，并降低降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響。

3） 隨著降雨量增加，各錨索軸力均增大，當降雨量大于100 mm 時，各錨索軸力增量呈非線性提升，雨強越小，降雨時間越長，對應(yīng)的錨索軸力提升幅度越大。 此外，在所有工況中，位于下方的錨索軸力對降雨更敏感，在設(shè)計或內(nèi)力監(jiān)測時應(yīng)重點分析坡體底部錨索。