柯宅邦，陳小川，張駿，樂騰勝

（安徽省建筑科學研究設計院綠色建筑與裝配式建造安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230031）

1 引言

眾多研究表明，在經(jīng)歷強降雨入滲下，自然狀態(tài)下穩(wěn)定的邊坡有極大可能發(fā)生失穩(wěn)，形成滑坡災害[1～3]。較多邊坡失穩(wěn)案例都發(fā)生在強降雨后，因此，研究強降雨入滲對邊坡穩(wěn)定性的影響顯得尤為重要。皖南地區(qū)有大量紅砂巖出露，特別是高速公路旁有大量的紅層路塹邊坡，且未進行有效支護，而紅層又是一種遇水易軟化、崩解的特殊性巖體，持續(xù)的強降雨會影響紅層邊坡的穩(wěn)定性[4～7]，故本文將基于此次皖南地區(qū)強降雨后的某邊坡失穩(wěn)案例，開展強降雨下紅層路塹邊坡穩(wěn)定性分析，并結合紅砂巖特性設置合理的支護加固方案，為皖南地區(qū)高速公路的建設與防護提供參考。

2 邊坡模型參數(shù)選取及建立

此次強降雨后發(fā)生的滑坡災害位于皖南地區(qū)某高速公路旁，該公路旁出露大量紅層路塹邊坡，滑坡發(fā)生時該地區(qū)24h降雨量達到300mm以上，屬于特大暴雨。

本文采用室內試驗與數(shù)值模擬相結合的方法，室內試驗主要獲取計算所需的關鍵性邊坡巖性參數(shù)，數(shù)值模擬采用MIDAS GTS NX巖土有限元軟件。通過強度折減法計算出此次強降雨下的紅層邊坡穩(wěn)定性，并結合區(qū)內紅砂巖邊坡特性進行加固，最后通過軟件模擬驗證加固后穩(wěn)定。選取該條公路旁某典型滑坡案例，經(jīng)過現(xiàn)場實測并結合地勘資料，現(xiàn)建立邊坡幾何模型如圖1所示。

圖1 邊坡幾何模型

該邊坡模型所需的計算參數(shù)為天然容重、飽和容重、初始孔隙比、彈性模量、泊松比、黏聚力、摩擦角與巖土水力參數(shù)等，其計算參數(shù)均來自室內試驗結果。本文需模擬降雨入滲對邊坡巖土體的影響，非飽和特性函數(shù)及其參數(shù)的選取對計算結果具有重要影響，現(xiàn)選取包氣帶巖土體水力特征中常用的Van-Genuchten函數(shù)，通過室內試驗及經(jīng)驗值選取獲得邊坡巖土體水力計算參數(shù)。該邊坡巖土體選用Mohr-Colum材料模型，邊坡基本材料計算參數(shù)如表1所示。

邊坡基本材料計算參數(shù) 表1

本文采用邁達斯巖土軟件建立模型，如圖2、圖3所示。邊坡主要分為三層，從上到下巖性依次為全風化砂石土，強風化泥質粉砂巖，中風化泥質粉砂巖，其中全風化厚度平均為5m，強風化平均厚度為15m，中風化層較厚，設置為30m ～70m，邊坡寬度為20m，坡高約35m，屬于高邊坡，坡度為35°。左側水頭設置為30m，右側水頭設置為20m。

圖2 邊坡三維模型

圖3 邊坡模型側視圖

3 邊坡穩(wěn)定性分析

本文通過對自然狀態(tài)和經(jīng)歷此次特大暴雨后的邊坡進行穩(wěn)定性計算，對比分析了該邊坡降雨前后的邊坡體積含水率、位移及應變。

3.1 邊坡體積含水率

分別計算自然狀態(tài)以及特大暴雨后的邊坡體積含水率，結果如圖4所示。

圖4 邊坡體積含水率

由圖5可知，邊坡自然狀態(tài)下坡體含水率較低，含水率最高部位位于全風化砂石土層，且在坡腳處，為10.98%。經(jīng)歷此次特大暴雨后，雨水開始補給含水層，地下水位開始上升，該邊坡大部分區(qū)域達到飽和，受重力影響，邊坡靠近坡腳處幾乎完全飽和。

3.2 最大總位移

分別計算自然狀態(tài)以及經(jīng)歷此次特大暴雨后的邊坡最大總位移，結果如圖5所示。

圖5 邊坡最大總位移

由圖5可知，自然狀態(tài)下該邊坡最大總位移位于靠近坡腳處2.95m，邊坡整體發(fā)生位移部分僅位于全風化層，以下強風化與中風化層均處于穩(wěn)定狀態(tài)。經(jīng)歷此次特大暴雨后，該邊坡最大總位移位于坡面靠近坡腳處3.03m，邊坡整體發(fā)生位移部分僅位于全風化砂石土層，以下強風化與中風化層均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3 最大剪應變

分別計算自然狀態(tài)以及經(jīng)歷此次特大暴雨后的邊坡最大剪應變，結果如圖6所示。

圖6 最大剪應變云圖

由圖6可知，自然狀態(tài)下該邊坡剪應變發(fā)生在全風化層與強風化層接觸面上，以下強風化與中風化層均處于穩(wěn)定狀態(tài)。最大剪應變位于全風化層與強風化層接觸處1.30m。此時未出現(xiàn)塑性貫通區(qū)，邊坡安全系數(shù)FS=1.31，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，但安全系數(shù)較低，容易受外界因素影響。

主要材料計算參數(shù) 表2

經(jīng)歷此次特大暴雨后，該邊坡剪應變主要發(fā)生在全風化砂石土層，以下強風化與中風化層均處于穩(wěn)定狀態(tài)。最大剪應變位于全風化砂石土層與強風化層接觸面1.07m。此時全風化砂石土層與強風化層接觸面出現(xiàn)了從坡腳到坡頂?shù)耐暾苄载炌▍^(qū)，邊坡安全系數(shù)FS=1.06，產(chǎn)生了滑動面，邊坡處于失穩(wěn)狀態(tài)。

通過以上計算，皖南地區(qū)某高速公路旁紅層路塹邊坡在經(jīng)歷此次特大暴雨后，邊坡安全系數(shù)大大降低，出現(xiàn)塑性貫通區(qū)，產(chǎn)生滑動面，邊坡失穩(wěn)。其計算結果與該紅層邊坡失穩(wěn)案例一致，滑動面位于全風化砂石土層與強風化層接觸面處。

4 樁錨加固邊坡計算

該邊坡位移、應變最大值均位于坡腳處，且滑動面較大，危害性高。針對該邊坡特性，擬在坡面噴射混凝土，并施加錨桿進入基巖，在坡腳處設置樁錨結構進行加固，現(xiàn)設計加固方案如下。

在滑動區(qū)域施加預應力錨索進入基巖，錨入基巖深度2m，錨索間距為2m，錨索布置后坡體表面進行噴射混凝土錨固。坡底設置抗滑樁，抗滑樁通過預應力錨索錨固在基巖上，錨入基巖深度2m。主要材料參數(shù)如表2所示，預應力錨索、抗滑樁和混凝土采用彈性材料模型。

建立邊坡加固模型如圖7和圖8所示。

圖7 邊坡加固模型三維圖

圖8 邊坡加固模型側視圖

其中，抗滑樁和預應力錨索組成的樁錨結構示意圖如圖9、圖10所示。

圖9 樁錨結構三維圖

圖10 樁錨結構側視圖

樁錨加固后的邊坡在特大暴雨條件下的計算結果如圖11、圖12所示。

圖11 最大總位移云圖

圖12 最大剪應變云圖

由圖11可知，樁錨加固后，特大暴雨條件下該邊坡最大總位移位于坡腳抗滑樁處7.27m，受錨索的影響，全風化砂石土層、強風化層與中風化層均有一定的位移。由圖12可知，樁錨加固后，特大暴雨條件下該邊坡剪應變發(fā)生在坡腳抗滑樁處，且受錨索影響，錨索進入基巖中風化層端部出現(xiàn)剪應變區(qū)，但影響極小，未出現(xiàn)塑性貫通區(qū)。最大剪應變位于坡腳抗滑樁處2.31m，未出現(xiàn)塑性貫通區(qū)，對邊坡穩(wěn)定性無明顯影響。樁錨加固后，特大暴雨條件下，全風化砂石土層與強風化接觸面的塑性貫通區(qū)消失，此時邊坡安全系數(shù)FS=2.65，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，加固效果明顯。

5 結論

本文通過室內試驗獲取邊坡關鍵性巖土參數(shù)，結合數(shù)值模擬，對強降雨下皖南某高速公路紅層路塹邊坡的穩(wěn)定性進行計算，并針對該邊坡特性設計了一定的邊坡加固方案，主要結論如下。

①通過對該邊坡進行自然狀態(tài)和特大暴雨條件下的穩(wěn)定性計算得出，該邊坡自然狀態(tài)下體積含水率較低，經(jīng)歷此次特大暴雨后，雨水進入中風化層并開始補給含水層。降雨主要影響該邊坡的全風化層，對強風化、中風化層影響不大。經(jīng)歷此次特大暴雨后，該邊坡安全系數(shù)大大降低，全風化層形成塑性貫通區(qū)，產(chǎn)生滑動面，邊坡失穩(wěn)。

②結合該邊坡特性，提出樁錨加固邊坡的方案，計算后得出該方案在特大暴雨下，邊坡安全系數(shù)從自然狀態(tài)的1.31 提高到 2.65，塑性貫通區(qū)消失，加固效果明顯。