导渗-锚固复合结构体系滑坡防控机理研究

汪 滨,臧德记,朱红军

(南京水利科学研究院,江苏南京210024)

0 前 言

滑坡是斜坡上的岩土,受多种因素影响,沿着一定的软弱面顺坡向下滑动的灾害现象。滑坡的形成因素复杂,自然因素、人为因素都可能导致边坡稳定发生改变,从而诱发滑坡。归纳起来,主要诱因有:降雨和融雪;地表水的冲刷、浸泡;地震;不合理的人类活动,如开挖、爆破等。据统计,其中,雨水诱发滑坡比重约占总数的90%[1]左右。

在防治山体滑坡时,通常采用支挡结构(如抗滑桩、抗滑墙)和锚固结构阻滑加固。此外,理顺边坡水系是防治另一重要方面,通过设置地表截水沟、地下排水洞、排水孔等方式来排出坡内积水,可以降低产生滑坡的可能性。为了使阻滑加固与导渗两个相互独立的体系结合起来,我们提出了导渗-复合锚固体系,用于山体滑坡的防治。

1 导渗-锚固复合结构体与试验研究

1.1 导渗-锚固复合结构的提出

对于降雨诱发的滑坡,从灾害链形成上看,其过程为:降雨-渗流-岩土力学参数劣化降低-失稳。因此,一方面,减少滑动力与增加抗阻力,限制滑移发展(如锚固)。另一方面,从灾害链角度看,导渗可以起到早期孕源断链效果[2]。锚杆深入岩土中,通过合理的设计,可以形成理想的导渗通道,构成导渗-锚固复合体系,达到在深层大面积地调控地下水的目的。

设计结构形式如图1所示。主要构件包括锚杆、透水胶结材料、承压板等。图1(a)锚杆为中空,前部和中部外侧充填透水胶结材料,后部充填砂浆,中空锚杆壁上预留一定数量的透水孔,使得土体中的水通过透水材料汇集到锚杆中,通过出水口流出。图1(b)锚杆为实心的,外侧充填透水胶结材料,形成一个环状透水带。

图1 导渗-锚固复合结构示意图

1.2 导渗-锚固复合结构的试验研究

建立导渗-锚固复合结构的关键之一是透水胶结材料。

为探索导渗锚固的可行性,开展室内试验,按图1(a)结构试验。选用3 m长,直径20 mm的锚杆,外侧分别包裹40 mm厚水泥砂浆、透水混凝土。本次试验透水混凝土由碎石与水泥构成,透水系数4.0 mm/s,抗压强度15.3 MPa;水泥砂浆透水系数2.66×10-4mm/s,抗压强度16.5 MPa。模拟一定量的水渗入,土体含水率达18%后,经过6 h排水测试锚固力,水泥砂浆锚固体可以提供25 kN锚固力,透水混凝可以提供28 kN的锚固力。检测含水率,导渗-锚固含水率下降为13.4%,而一般砂浆锚固含水率没有明显变化。分析锚固力略增原因认为:①砂浆表面相对光滑,透水混凝土锚固体表面多石子间隙,粗糙度较大;②新型锚固体的透水性,使得土体含水率下降,土体抗剪强度参数值提高,土体与锚固体间的摩擦力增大,使其能提供较大的锚固力。

试验表明既透水导渗又锚固的设计思想是可行的。

2 导渗-锚固复合结构体系滑坡防控机理的数值研究

在边坡中施工一批导渗-锚固结构,即形成一种新型结构体系,为了研究该体系对滑坡防控作用,开展了有限元模拟数值分析[3-4]。本次计算采用加拿大的Geo-slope公司开发的Geostudio2007程序进行。

2.1 有限元分析模型的建立

(1)土体力学性质与模型

取均质土质边坡,计算模型取坡高6 m,坡度为1∶1.333,边坡网格划分如图2。土体重度18 kN/m3,c=15 kPa,φ=8°。为研究导渗-锚固的作用机理,假定土层渗透系数较高(饱和渗透系数 k=1.0×10-3cm/s)。雨入渗使得边坡非饱和带土体的基质吸力低,导致边坡非饱和带土体的抗剪强度下降[5]。渗透系数与基质吸力的关系见图3,基质吸力与体积含水率的关系见图4。

图2 边坡网格划分和锚杆单元

图3 渗透系数与基质吸力的关系

图4 基质吸力与体积含水率的关系

(2)降水与土体的渗流模型

边坡渗流计算采用二维有限单元法进行,共有1 467个节点,1 380个单元,采用四边形和三角形两种形式单元。采用降雨强度为30 mm/h,降雨历时24 h。开始时,地下水位左边为7 m,右边为6 m(与地面齐平)。降雨渗流模拟边界条件以初始水位边界模拟为基础,在坡面增加降雨入渗流量边界,以构成降雨模拟的瞬态模型(非稳定流分析)。流量的大小等于降雨强度。程序运行时,自动判断降雨强度和渗透率的关系,如果降雨强度大于表层土渗透率,则按定水头边界条件处理,多余雨量将不计入渗流计算;如果降雨强度小于表层土渗透率时,按定流量边界条件处理。

(3)锚杆模型

锚固系统分三层布置,最上层锚杆长13 m,锚固段长度10 m,下面两层锚杆长度15 m,锚固段长度 12 m。根据《岩土锚杆(索)技术规程》[6](CECS22:2005),取锚固体直径15 cm,锚固体与土体之间的粘结强度取100 kPa,锚杆自身抗拉强度为200 kN。

(4)强度准则

降雨开始后,一部分雨水渗入土中,一部分雨水顺坡流走。表层土体含水率逐渐增加,负的孔隙水压力迅速下降,表层土体饱和或接近饱和状态,同时随着降雨的持续,土中水逐渐向下渗透,从而使得原土体的浸润线快速升高。由非饱和土的强度理论可知,土体含水率增加,土体中的负孔隙水压力(基质吸力)降低,根据Fredlund非饱和土理论,土体的负孔隙水压力对强度有贡献。随降雨的持续,土体含水率增加,负孔压降低,土体强度也会有所下降。

稳定计算时考虑到非饱和土的负孔隙水压力的效应。根据Fredlund理论,抗剪强度方程为:

s=c′+(σn-ua)tanφ′+(ua-uw)tanφb(1)式中:ua为孔隙气压力;uw为孔隙水压力;b为表征切向力强度随着吸力的增加的角度值。

土坡稳定计算采用极限平衡法的瑞典条分法进行。首先将由SEEP/W模块计算所得到的各个时刻的渗流场信息导入边坡稳定分析模块SLOPE/W,再计算边坡稳定安全系数。

2.2 数值分析的主要结果

(1)渗流场的变化

开始降水,由于一部分水沿坡面流走,另一部分雨水渗入土体,导致表层土层含水率迅速增加,水向下渗透,从而使得的浸润线升高。

如图5(a)为降水6 h天然土坡的浸润线情况,图5(b)为降水6 h锚固-导渗土坡的浸润线情况,可以看出,由于导渗的作用,前者大部分坡面已近饱和状态,后而大部分坡面尚在浸润以上。

图5 降雨6 h边坡孔压等值线图

随着降水的持续,零水压力线由坡脚处向上升高,至8 h时,天然土坡整个处于饱和,如图6(a);导渗锚固边坡尚未全部达到饱和,如图6(b)、图6(c)、图6(d),但锚固不同倾角其效果有所不同,对比三个图可以看出,锚杆导水通道倾向上,由于排水量较大,形成的土体非饱和区域较大,效果较好;倾向下,形成的非饱和区域较小,排水效果相对差一些。

图6 降雨8 h边坡孔压等值线图

数值模拟降雨结束后的情况,可以看出:锚固导渗边坡土体内水位下降速率均大于天然土坡;不同锚固倾角的情况下,下降速率虽略有不同,但差别较小。

(2)稳定性分析

图7为安全系数在降水与中止后的发展过程,可以看出:开始随着降雨的进行,边坡安全系数在降低,在土坡渗流场达到相对稳定状态时,安全系数降至最小;降雨结束后,随着土坡内水位线的降低,安全系数逐渐升高。锚固边坡与天然土坡相似。

图7 降水与中止后安全系数的变化

对比曲线可以看出:①对于天然边坡,稳定性没有达到要求时,采用锚固可提高稳定性;②降水过程中,不排水情况,安全系数的降幅较大,有了排水功能,安全系数的降幅较小;③排水与锚固结合,除了静态地提高稳定性外,从动态角度看,对于因降水引起的岩土强度劣化起到缓冲作用,而在雨停间隙,又能起到快速恢复的作用。

试验与数值研究表明,导渗锚固复合结构体系,将大量渗水通过透水材料和中空锚杆排出,在加固边坡的同时,有效降低土体孔隙水压力,提高边坡的稳定性安全系数。对防治降雨引起的滑坡能起到标本兼治的作用。

3 结 语

针对降雨引起的滑坡,我们结合锚固体系设计导渗机制,减少降雨渗流对岩土强度的影响。初步试验表明选择透水胶结材料,可以达到既锚固又导渗的性能要求。

进一步数值分析表明:由于在锚固结构上,增加了导渗功能,在降雨条件下,能起到降低浸润线的作用,提高边坡的稳定性。从发展过程看,在降水过程中,导渗功能对降雨引起岩土强度的劣化起到缓冲作用,而在雨停间隙,又能起到快速恢复的作用。

考虑到导渗-锚固的防控效果取决于两者的复合作用,因此,锚杆倾角的选择与常规的有所不同。

由于导渗-锚固体系,在一个工程中建立两种功能,可以预见,对工程经济性有较为宽广的应用前景。

由于导渗-锚固体系的研究还处初期,无论是实际应用、结构设计、理论与数值分析尚有许多问题有待进一步研究。

[1] 周创兵,李典衣.暴雨诱发滑坡致灾机理与减灾方法研究进展[J].地球科学进展,2009,(5):477-487.

[2] 肖盛燮,等.灾变链式理论及应用[M].北京:科学出版社,2006:11-13.

[3] 张王洁,张华锋,林 旦.降雨条件下边坡三维渗流场有限元法数值分析[J].水电能源科学,2008,26(5):59-61.

[4] 韦立德,陈从新,徐 健,等.考虑渗流和锚固作用的强度折减有限元法研究[J].岩石力学与工程学报,2008,27(A02):3471-3476.

[5] Brian D.Collins,Dobroslav Znidarcic.Stability analyses of rainfall induced landslides[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,2004,130(4):362-372.

[6] 中国工程建设标准化协会.CECS22:2005.岩土锚杆(索)技术规程[S].北京:中国计划出版社,2005.