不同降雨入渗条件下预应力锚索加固边坡稳定性分析①

次仁拉姆

（西藏自治区交通勘察设计研究院，西藏 拉萨850000）

根据边坡失稳统计数据［1］，多数边坡在降雨过程中或者降雨结束一定时间内发生失稳破坏。 诸多学者已经认识到降雨入渗对边坡失稳的影响：降雨入渗导致边坡含水量增加，使边坡自重增大，并且会引起边坡非饱和区域的基质吸力降低；对于部分土体，降雨还会弱化其力学参数，降低抗剪强度［2］。 分析已有研究成果可知，诸多学者对于未加固自然边坡因降雨入渗引起的失稳机理方面进行了较多研究［3-13］，但对于加固前后边坡安全系数及加固结构内力与降雨特性之间关系的研究较少。

基于以上研究现状，本文结合实际工程实例，分析雨水入渗对孔隙水压的影响，研究不同降雨特性对加固前后边坡安全系数及预应力锚索内力的影响，为边坡稳定性分析和加固设计提供参考。

1 研究理论基础

1.1 饱和-非饱和渗流

降雨过程中，边坡内部发生饱和-非饱和渗流，假定渗流满足达西定律，根据质量守恒原理，可以得到其渗流基本微分方程为［3］：

式中kx和ky分别为土体x和y方向的渗透系数；H为总水头；Q为源汇项；mw为比水容重；γw为水的重度；t为渗流时间。

非饱和渗流过程中，土体体积含水量的变化会对基质吸力和渗透系数产生影响，该影响可通过土水特征曲线和渗透系数曲线来描述。 该曲线可通过室内外试验结合以下V-G 经验公式［6］进行拟合确定。

式中ua与uw分别为孔隙气压力和孔隙水压力；θw为土体体积含水量；θr为土体残余体积含水量；θs为土体饱和体积含水量；ψ为基质吸力，ψ＝ua-uw；k（ψ）为不同基质吸力对应的渗透系数；ks为饱和渗透系数；m、n、a均为拟合曲线参数，其中

1.2 强度折减法

目前，边坡稳定性分析中常用的极限平衡法不能准确地考虑孔隙水压力和基质吸力对边坡稳定性的影响。 强度折减法计算理论简单，且能有效避免极限平衡法的缺陷。 对于采用摩尔-库伦模型的材料，强度折减法计算安全系数的基本思路可表示为［9］：

式中σ和σ′分别为破裂面法向总应力和法向有效应力；τ、c、φ分别为边坡土体抗剪强度、黏聚力和内摩擦角；τ′、c′、φ′分别为考虑折减系数后的土体抗剪强度、黏聚力和内摩擦角；Fs为折减系数，对于边坡稳定性分析中的最大折减系数即为安全系数。

2 数值模型计算

2.1 工程概况与计算参数

西藏林芝地区波密县内省道S303 沿线某边坡位于河流侵蚀堆积工程地质区，边坡天然坡度达60°以上，地层条件较复杂，地表水系发育，地下水位埋置深度2.50～25.00 m。 根据现场勘察与钻探数据，该区域岩石破坏严重，呈碎石角砾夹少量的土状。 各土层由上至下分别为含砾粉质黏土、强分化砂岩和中风化砂岩，对采取的土样进行室内试验测得各土层基本参数如表1 所示。

表1 各土层特性参数

由试验测得含砾粉质黏土饱和体积含水量θs为26.9%，残余体积含水量θr为12.7%；强风化砂岩的θs和θr分别为23.5%和10.6%，边坡内部的中风化砂岩层受雨水入渗影响小，本次计算中未考虑其非饱和渗流。 采用V-G 模型描述含砾粉质黏土和强风化砂岩在非饱和渗流中的基质吸力和渗透系数关系如图1～2所示。

2.2 降雨方案拟定

分析当地近20 年内的水文气象资料，拟定不同雨强和降雨持续时间的计算工况如表2 所示，以研究不同降雨条件对边坡渗流与稳定性影响。

图1 土水特征曲线

图2 渗透系数曲线

表2 降雨工况

2.3 边坡加固措施

拟采用放坡结合预应力锚索格构梁护坡加固。 预应力锚索规格为D185 mm，12S15.2 mm@3 000 mm，长度2 100 cm，锚索设计值1 500 kN；锁定锚固值900 kN，锚固长度1 000 cm。 加固处理后的边坡剖面如图3所示。

图3 边坡剖面图

2.4 数值分析模型

采用MIDAS-GTS 建立数值分析模型如图4 所示。模型的底部铰接，两侧的边界约束X方向；边坡顶部和侧面为降雨入渗边界，当雨强大于坡体表面单元渗透系数时，雨强由渗透系数控制。 计算过程中，程序先通过饱和-非饱和渗流计算某时刻的孔隙水压分布，再根据非饱和强度理论和强度折减法计算边坡安全系数与锚索内力。

图4 有限元计算模型

3 计算数据分析

3.1 孔隙水压随降雨时间变化

考虑饱和非饱和渗流特性，计算不同降雨工况下边坡内部雨水入渗情况。 当各工况降雨量达到200 mm 时，边坡孔隙水压分布如图5 所示。 对比不同工况的孔压分布可知：降雨入渗引起地表附近孔隙水压不同程度上升，入渗影响范围随雨强增大而明显减小，但坡体表面的暂态饱和区域随雨强增大而增加；当雨强为50 mm/d 时，入渗影响范围最大，但暂态饱和区仅在坡体表面局部区域出现，而雨强为200 mm/d 时则相反，入渗范围明显缩小，但表面均出现了暂态饱和区域。 其原因主要是：当降雨量一定时，雨强越小，降雨持续时间越长，因此雨水入渗量和入渗范围均越大；而雨强增大时，虽然坡体水分补给增多，容易达到饱和，但当雨强大于边坡的渗水能力时，多余雨水会在表面形成径流，同时，降雨时间缩短，导致雨水入渗范围和雨水渗入量减小。

图5 降雨量为200 mm 时不同雨强工况下孔隙水压分布图

3.2 边坡稳定性分析

加固前，不同工况下边坡在降雨量为200 mm 时的剪应变云图如图6 所示。 该边坡的潜在滑裂面均出现在坡脚上方，且均未形成贯通区域。 采用强度折减法计算边坡加固前后的安全系数并整理如图7 所示，可知边坡的安全系数随降雨量增加而不断减小，当降雨量相同时，雨强50 mm/d 对应的边坡安全系数最小，雨强100 mm/d 次之，雨强200 mm/d 对应的安全系数最大；且随着降雨量增加，雨强50 mm/d 时安全系数的降幅明显大于其他雨强。 当降雨量为200 mm时，加固前边坡安全系数由1.311 降至1.102，降低幅度达到15%，参考《公路路基设计规范》（JTG D30—2015）［14］中关于降雨条件下的边坡安全系数要求，此时安全系数1.102 不满足规范要求值1.15，应对边坡进行加固支护。 采用预应力锚杆加固后边坡安全系数增加至1.852，较加固前提升了41%，降雨对安全系数的影响规律与加固前基本一致；但降雨后，边坡最小安全系数为1.809，降幅仅3%，满足规范要求，说明预应力锚索能有效加固边坡，并减小降雨对边坡稳定性的影响。

图6 降雨量为200 mm 时不同雨强工况下边坡剪应变云图

图7 边坡加固前后安全系数随降雨量变化关系

3.3 锚索内力变化规律分析

降雨入渗引起坡体的下滑力增大，导致锚索提供的抗滑力增加。 为研究不同降雨特性对预应力锚索内力的影响，将锚索从上到下依次编号为1#、2#、3#，不同工况下锚索轴力增量与降雨量的对应关系如图8 所示。 从图8 可知，随着降雨量增加，各锚索轴力均出现一定程度增大，其中雨强为50 mm/d 时轴力变化最显著。 在降雨过程中，当降雨量小于100 mm 时，各锚索轴力增量值与降雨量基本呈线性变化；而当降雨量大于100 mm 时，各锚索轴力增量呈非线性提升，其中雨强越小，对应的锚索轴力提升幅度越大。 另外，在所有工况中，位于上方的1#锚索轴力对降雨的敏感性明显低于底部的3#锚索轴力，这表明坡体底部锚索对支护结构的可靠性起控制作用，在锚索设计或内力监测时应重点分析坡体底部锚索。

图8 不同雨强下锚索轴力随降雨量变化关系

4 结 论

1） 降雨入渗引起坡体表面孔隙水压增大，当降雨量相同时，降雨入渗范围随雨强增大而减小，坡体表面附近暂态饱和区域随雨强增加而增大。

2） 边坡加固前后的安全系数均随降雨量增加而不断减小，降雨量相同时，雨强越小，边坡安全系数的下降程度越大。 锚索加固能有效提高边坡安全系数，并降低降雨对边坡稳定性的影响。

3） 随着降雨量增加，各锚索轴力均增大，当降雨量大于100 mm 时，各锚索轴力增量呈非线性提升，雨强越小，降雨时间越长，对应的锚索轴力提升幅度越大。 此外，在所有工况中，位于下方的锚索轴力对降雨更敏感，在设计或内力监测时应重点分析坡体底部锚索。