降雨条件下锚杆挡墙加固边坡稳定性分析

■张宏伟

（山西昔榆高速公路有限公司，晋中 030600）

降雨会提高地下水位， 同时削弱土体的强度，因此研究边坡的加固措施以及降雨条件下的稳定性对于保证边坡安全极为重要[1-4]。有学者对此进行了研究，次仁拉姆[5]以某省道沿线边坡为研究对象，基于土体饱和-非饱和渗流与非饱和强度理论，采用数值模拟的方法对降雨条件下土体孔隙水压力、边坡稳定系数和锚杆轴力进行了研究分析。 向文贤等[6]以昆明某边坡为例，采用MIDAS/GTS 分析软件， 考虑非饱和土渗流理论， 研究了降雨动态条件下边坡加固结构内力和边坡变形规律。 傅能武[7]利用Geo-studio 软件对降雨入渗条件下某堆浸场边坡稳定性进行了详细分析。然而，现有的研究很少对挡墙和锚杆的受力和变形进行分析，基于此，本试验以某边坡工程采用锚杆挡墙加固为研究对象，采用数值模拟的方法分析了降雨条件下锚杆挡墙加固效果，研究结果可为挡墙加固工程提供参考。

1 工程概况

某铁路项目穿越我国西南部某地区，该地区常年降雨量充沛，路线的修建需要进行大面积的边坡开挖和支护。 以桩号DK23+675 典型断面为分析研究对象，该位置地层岩性以上层粉质黏土、中层夹碎块粉质黏土、下层基岩为主，边坡开挖断面见图1。

图1 原始地貌截面图

2 数值建模

2.1 模型建立

采用Geo-Studio 软件中的极限平衡法进行分析，该方法基于摩尔-库伦强度理论，如图2 所示。边坡高度为16.0 m，模型长度和高度分别为32 m和20 m，采用锚杆挡墙支护模式，钢筋混凝土挡墙共设置为四级，挡墙由立板、底板和斜板构成，在挡墙的立板和斜板均设置排水孔， 其中立板的长宽厚分别为3、3 和0.3 m，底板的长厚分别为1.3、0.2 m，斜板的长厚分别为1.0、0.2 m，斜坡倾斜角度为60°。 最下面一级挡墙埋入地下1.0 m 深。 锚杆锚固段和自由段长度分别为5、7 m， 垂直和水平间距均为3 m，采用HRB335 钢筋并采用M30注浆，锚杆与水平夹角为25°。锚杆挡墙示意图见图2（c）。

图2 数值模型图

天然和饱和状态下土层的物理力学参数以及挡墙和锚杆的物理力学参数见表1～3。

表1 天然状态下土层和挡墙的物理力学参数

表2 饱和状态下土层和挡墙的物理力学参数

表3 锚杆的物理力学参数

2.2 边坡稳定性判定标准

根据GB/50330-2013 《建筑边坡工程技术规范》，给出了边坡稳定性系数判定标准，如表4 所示。

表4 边坡稳定性系数判定标准

3 天然工况和降雨工况下稳定性分析

3.1 边坡稳定性分析

不同工况下计算得到的边坡安全系数见表5，并根据表4 给出了各工况下的边坡稳定状态。 由表5 可知，天然工况和降雨工况下，不采取支护措施时边坡的安全系数分别为0.956 和0.901，均为不稳定状态，故需要采取加固措施。 采用锚杆挡墙支护措施后，天然工况和降雨工况下的边坡安全系数分别为1.903 和1.654，均能满足稳定性要求，说明了该加固方法的有效性。

表5 计算得到的不同工况下边坡安全系数

3.2 边坡变形分析

为了分析降雨条件下的锚杆挡墙加固边坡稳定性，给出了天然工况和降雨工况下的边坡水平位移云图，由图3、图4 可知无支护时边坡最大水平位移发生在坡面偏下部位置，而采用锚杆挡墙支护之后，边坡最大水平位移发生在了坡顶面。 无支护时，天然工况和降雨工况下的最大水平位移分别为55 mm 和65 mm；而采用锚杆挡墙支护之后，天然工况和降雨工况下的最大水平位移分别为1.8 mm和3.2 mm，即天然状态下采用支护措施后最大水平位移减小了96.7%，降雨状态下采用支护措施后最大水平位移减小了95.1%。 当有支护存在时，降雨条件下边坡最大水平位移要比天然状态下增大77.8%。

图3 天然工况下边坡水平位移云图

图4 降雨工况下边坡水平位移云图

图5、 图6 给出了天然工况和降雨工况下的边坡竖向位移云图。 可知，无支护时天然工况和降雨工况下的最大竖向位移分别为44 mm 和55 mm；而采用锚杆挡墙支护之后，天然工况和降雨工况下的最大竖向位移分别为2.0 mm 和4.4 mm， 即天然状态下采用支护措施后最大竖向位移减小了95.5%，降雨状态下采用支护措施后最大竖向位移减小了92.0%。当有支护存在时，降雨条件下边坡最大竖向位移要比天然状态下增大120%。

图5 天然工况下边坡竖向位移云图

图6 降雨工况下边坡竖向位移云图

综上可知，采用锚杆挡墙支护措施之后，使得边坡最大水平和竖向位移均减小90%以上，说明锚杆挡墙支护具有很好地加固效果，同时相比于天然状态下，降雨工况下的边坡变形略有增大。

3.3 挡墙变形分析

为了分析挡墙立板的水平变形，给出了天然和降雨工况下挡墙立板水平位移，由图7 可知，挡墙立板水平位移随挡墙高度的增大而增大，在墙顶处的挡墙立板水平位移最大。 降雨工况下挡墙立板水平位移一直大于天然工况下挡墙立板水平位移，降雨工况和天然工况下的最大挡墙立板水平位移分别为1.79 mm 和1.27 mm，降雨工况下挡墙立板水平位移比天然工况下挡墙立板水平位移增大了40.9%。

图7 天然和降雨工况下挡墙立板水平位移

为了分析挡墙底板的水平变形，以降雨工况下挡墙底板水平位移曲线为例进行分析，由图8 可知，各级挡墙底板水平位移沿底板宽度方向基本不变。

图8 降雨工况下挡墙底板水平位移

图9 给出了天然和降雨工况下挡墙立板竖向位移，由图可知，挡墙立板竖向位移随挡墙高度的增大而增大， 在墙顶处的挡墙立板竖向位移最大。相比于天然工况下，降雨工况下挡墙立板水平位移一直较大，降雨工况和天然工况下的最大挡墙立板竖向位移分别为1.78 mm 和1.14 mm，降雨工况下挡墙立板竖向位移比天然工况下挡墙立板竖向位移增大了56.1%。

图9 天然和降雨工况下挡墙立板竖向位移

为了分析挡墙底板的竖向变形， 以降雨工况下挡墙底板竖向位移曲线为例进行分析， 由图10可知， 各级挡墙底板竖向位移沿底板宽度方向基本不变。

图10 降雨工况下挡墙底板竖向位移

3.4 锚杆轴力分析

为了分析锚杆轴力变化，给出了天然和降雨工况下锚杆轴力曲线（图11、图12），上、中、下三排锚杆的锚固段长度均为5 m，锚杆均为受拉状态。其中锚固段端头轴力最大， 随着锚固段长度的增大，锚杆轴力减小，在端尾处轴力最小。 由图11 可知，天然工况下，上、中、下三排锚杆最大轴力值分别为23.8、66.1 和107.2 kN。 由图12 可知，降雨工况下，上、中、下三排锚杆最大轴力值分别为41.5、83.6 和120.2 kN，降雨工况下上、中、下三排锚杆最大轴力值分别比天然状态下大74.4%、26.5%和12.1%。 由于本试验锚杆的抗拉强度为300 N/mm2，因此，在天然工况和降雨工况下锚杆受力满足要求。

图11 天然状态下锚杆锚固段轴力曲线

图12 降雨状态下锚杆锚固段轴力曲线

4 结论

本试验以某边坡工程采用锚杆挡墙加固为研究对象，采用数值模拟的方法分析了降雨条件下锚杆挡墙加固效果，得到以下结论：（1）天然工况和降雨工况下， 不采取支护措施时边坡均为不稳定状态，故需要采取加固措施；采用锚杆挡墙支护措施后，边坡安全系数均能满足稳定性要求，验证了该加固方法的有效性。 （2）采用锚杆挡墙支护措施之后， 边坡最大水平和竖向位移均减小90%以上，说明锚杆挡墙支护具有很好的加固效果，同时相比于天然状态下，降雨工况下的边坡变形略有增大。 （3）降雨工况下挡墙立板水平和竖向位移比天然工况下明显要大， 挡墙底板水平和竖向位移基本不变。（4）上、中、下三排锚杆最大轴力值从上至下依次增大，降雨工况下上、中、下三排锚杆最大轴力值分别比天然状态下分别增大74.4%、26.5%和12.1%，但受力均满足要求，说明锚杆挡墙加固措施的可靠性。