降雨入渗条件下锚杆支护高边坡稳定性分析

薛茂强

（中铁二十局集团第四工程有限公司，山东 青岛 266000）

该文主要对高边坡失稳条件、稳定水平性进行计算，预测边坡的现状和发展趋势，从而为边坡防护工作提供理论基础。对高边坡稳定性的研究，可以为边坡施工、防护工程开发与建设等提供支撑。目前，应用较多的高边坡稳定性分析方法包括地质分析法、有限元模拟法等，其中地质分析法是以实际工程为基础，通过分析与计算，对边坡进行初步评价，得出定性分析结果[1]。由于该方法也存在不足，无法在分析中将定量结果与定性结果进行融合，因此该研究采用计算机模拟技术，在明确边坡具有非均质、非线性、非连续、时变和各向异性特点的基础上，考虑边坡稳定性受渗透率、河流冲刷、地面运动等多种因素的影响，深入分析边坡岩石力学特性、几何非线性和渗流场作用，进而精确评价边坡岩石力学特性[2]。为完成该项工作，从更多方面了解高边坡支护结构的稳定性，该文将以江口县沙子坳降坡道路工程建设项目高边坡锚杆支护工程项目为例，将降雨入渗作为前提条件，对其稳定性进行分析。

1 工程概况

该文研究的江口县沙子坳降坡道路工程建设项目地势起伏较大，沙子坳地区两侧地形陡峭，边坡开挖高，起点接云瓦路、经沙子坳、县储粮站，讫于黄家店，接凯德工业园区入口道路，道路全长2484.498m（短链12.143m）路幅宽35m，双向六车道。针对高边坡加固工程，对边坡的土体进行取样，经过分析后发现对应的土体为黄土状的粉土，边坡最高位置为90m，倾斜的坡度60°，根据现场技术人员的勘查报告，确定该地下水位于高边坡脚下7m 处，为保证高边坡的稳定性，施工方采用锚杆进行边坡支护，根据工程实际情况，支护的锚杆使用HR335，直径为32mm 的钢筋，锚杆设计参数见表1。

表1 高边坡支护锚杆设计参数

了解高边坡支护锚杆设计参数后，明确锚杆的柱截面、框架梁截面均为300mm×300mm，当对应挡土墙厚度为150mm时，不同结构与对应位置的设计参数见表2。

表2 锚杆支护加固材料与土体参数

2 建立锚杆支护有限元模型

了解上述内容的基础上，在计算机中安装PLAXIS3D 软件，用建立的钻孔定义土层，确定高边坡土层中的相关信息以及水力学条件后，可以使用PLAXIS3D 软件对土层参数进行分配，分配时，建立一个土壤结构模型（参照摩尔-库伦本构）[3]。建模中，需要将表1、表2 中的参数录入基础模型中。

由于地下水一般都在坡脚深层，因此当能确定水力条件时，根据工程勘察资料，在钻孔中得到孔内压力[4]。确定土体参数以及水力条件后，需要在软件中确定锚杆加固材料，框架锚杆由锚杆、横梁、立柱和挡土板组成，因此采用点到点锚杆仿真自由段，用Embedded 仿真锚杆错位段，用比较连接的方法，将框架梁、柱和挡土板进行集成[5]。有限元模型如图1所示。

图1 有限元模拟图与锚固支护结构图

在对其进行有限元计算前，使用PLAXIS3D 软件划分几何模型的网格，如图2 所示。

图2 高边坡几何模型网格划分

在上述内容的基础上，将土体的渗透系数与饱和系数作为一个常数项，用函数表示，如公式（1）所示。

式中：Kw为高边坡土体的渗透系数；k为饱和土体渗透系数；a为饱和度；ua为基质吸力；uw为基质下滑作用力；pw为锚固段长度；g为黏聚力；n为常数系数。

高边坡土体的饱和系数计算如公式（2）所示。

式中：Se为高边坡土体的饱和系数；S为任意饱和度；Sr为最大饱和度；α为稳态孔压。

安全系数计算如公式（3）所示。

式中：F为安全系数；i为阻力系数；W为拉力总和；Q为重力加速度。

通过公式（1）～公式（3），可以计算不同条件下锚杆支护高边坡的土体渗透系数、土体饱和度和安全系数，判断在不同条件下边坡是否存在失稳、滑坡等风险[6]，并建立锚杆支护有限元模型。

3 锚杆支护前后高边坡稳定性分析

结合锚杆支护有限元模型对锚杆支护前后的高边坡稳定性进行分析。为更准确地分析高边坡在降雨条件下锚杆支护边坡的变形规律，利用PLAXIS3D 软件中的安全分析功能，绘制降雨入渗条件下锚杆支护高边坡偏应变增量云图，如图3所示。

图3 锚杆支护前后高边坡偏应变增量云图

根据图3 可以看出，高边坡的滑移面从坡顶贯穿至坡底，呈现一条近似圆弧状条带结构。在土体自身重力以及降雨带来的渗流力作用下，边坡上的土体经过吸湿，土体颗粒间的黏结效应变降低，黏结因子也随之减少，最终形成塑性应变[7]。高边坡坡脚位置的云图颜色较深，说明坡脚位置的应变程度更大[8]。与锚杆支护前相比，支护后云图中偏应变增量颜色更浅且条带结构也更窄，影响范围缩小。结合公式（3），确定在不同状态下高边坡的安全系数，并将其汇总，见表3。

表3 不同状态下高边坡安全系数计算结果统计表

从表3 的统计结果可以看出，锚杆支护状态下的高边坡安全系数最高，而降雨状态下未进行支护的高边坡安全系数仅为1.426。由此说明，锚杆支护可以有效提高高边坡的稳定性。高边坡位移与稳定性有一定关联，在降雨入渗过程中，随着雨水的持续渗透，会导致土体软化，使其剪切强度系数发生变化，从而引起边坡形变的情况且形变会不断累积。

4 不同降雨入渗条件对高边坡稳定性影响

4.1 降雨时间对高边坡稳定性影响

在完成对锚杆支护前后高边坡稳定性的分析后，对降雨时间、降雨强度等不同降雨入渗条件下，锚杆支护前后高边坡稳定性变化情况进行分析。分别设置六组不同的降雨时间，观察高边坡在锚杆支护前后的安全系数变化情况，如图4 所示。

图4 不同降雨时间高边坡在锚杆支护前后的安全系数变化情况示意图

由图4 可以看出，随着降雨时间不断增长，高边坡的安全系数呈现明显降低趋势，降雨后1h，高边坡的安全系数为1.59，降雨后3h，高边坡的安全系数降至1.425。该现象说明，降雨强度与土体渗透系数在相同的情况下，雨水会全部渗入土体中。随着时间延长，高边坡的安全系数会随之降低，但安全系数能够满足规范要求，所以高边坡不会有滑坡危险。此时采用锚杆支护，1h 时高边坡的安全系数达到1.901，与加固前安全系数相比数明显上升。该现象说明进行锚杆支护后，会很大程度地提高高边坡的安全系数，降雨时间越长，锚杆的支护效果会越明显。

4.2 降雨强度对高边坡稳定性影响

为研究降雨强度对锚杆支护前后高边坡稳定性的影响，分别设置六组不同的降雨强度，并结合该文上述内容，计算各个降雨强度条件下的锚杆支护高边坡安全系数，得出具体数值后，记录不同降雨强度条件下，锚杆支护前后高边坡安全系数计算结果，将其绘制出来，如图5 所示。

图5 不同降雨强度下高边坡在锚杆支护前后的安全系数变化情况示意图

由图5 可以看出，锚杆支护前，降雨强度从0.1m～0.5m，高边坡的安全系数从1.536 降至1.369，降低幅度为0.167。而在锚杆支护后，降雨强度从0.1m～0.5m，高边坡的安全系数从1.986 降至1.864，降低幅度为0.122。锚杆支护前后，随着降雨强度增加，高边坡的安全系数均呈现出明显递减趋势，但锚杆支护后高边坡的安全系数始终高于锚杆支护前，锚杆支护后安全系数下降的幅度也比锚杆支护前低。结合该文降雨时间和降雨强度对高边坡稳定性影响的分析可知，通过锚杆支护可有效提高高边坡的安全稳定性，在不同的降雨入渗条件下，锚杆支护作用不同：降雨时间越长，锚杆支护作用效果越明显。降雨强度逐渐增加，锚杆支护的作用逐渐减弱，但能够确保高边坡的稳定性不受影响。

5 结论

随着科学技术的发展，数值模拟技术已经成为较成熟和高效的计算机技术，该技术突破了传统方法的局限性，在市场各个领域内得到越来越多的应用。当前使用最多的数字模拟软件包括GeoStudio、PLAXIS3D、MIDAS 等，其中PLAXIS 三维软件操作简单、计算能力强、应用范围广，适用于各类岩土工程问题，可以解决复杂问题。在边坡稳定性问题的分析过程中，以强度折减法为基础，进行边坡饱和、非饱和状态下的渗流分析，通过设置复杂的时间相关边界条件，集中分析变形随时间变化等问题，并将边坡失稳时的应力-变形关系耦合起来，自动寻找滑移面，该研究方式可以解决边坡塑性、安全、固结、渗流以及流固耦合等问题。因此，该文应用PLAXIS 三维软件，采用建立有限元模型的方式进行研究，得出结论：1）对高边坡进行锚杆支护可以有效提升边坡的稳定性。2）降雨时间越长，降雨强度越大，高边坡稳定性越低，但锚杆支护后高边坡稳定性始终高于锚杆支护前。