黄土质深路堑边坡雨水入渗稳定性影响及锚固整治研究

李 辉

(新疆水利水电勘测设计研究院地质勘察研究所，新疆 乌鲁木齐 830000)

雨水入渗致孔隙水压力状态改变，从而影响黄土质深路堑边坡结构的稳定性。文章选取马兰黄土作为案例土质，基于孔隙水压力分析，探讨雨水渗流影响下的黄土质路堑边坡安全稳定系数，并采用锚固抗滑桩对黄土质深路堑边坡实施加固设计，通过加固后边坡稳定性分析和比选，探讨黄土质深路堑边坡锚固整治的有效方案，以为同类工程技术应用提供研究参考。

1 雨水渗流影响下的黄土边坡孔隙水压力分析

1.1 基于小雨条件的黄土边坡孔隙水压力分析

基于小雨条件的黄土边坡孔隙水压力分布，具体如图1所示。

图1 基于小雨条件的黄土边坡孔隙水压力分布图

雨水入渗后，边坡表层土体中的孔隙水发生压力变化。边坡土体初始孔隙水压力一般为-140kPa。位置不同，土体区域孔隙水压力发生变化的幅度亦有所差别。但随着雨水入渗，边坡负孔隙水压力均呈逐渐降低的趋势，此规律同边坡土体含水量变化相一致。雨水入渗后，在水力梯度和重力影响下，伴随渗水向前方或下方渗移，孔隙水压力等值线-140kPa线亦向前方或下方移动。

坡底负孔隙水压力在降雨1d后，减低到-15kPa，坡顶负孔隙水压力在降雨1d后，减低到-90kPa。坡底负孔隙水压力在降雨2d后，减低到-10kPa，坡顶负孔隙水压力在降雨2d后，减低到-60kPa。坡底负孔隙水压力在降雨3d后，减低到0，坡顶负孔隙水压力在降雨3d后，减低到-25kPa。图1揭示，随着雨水入渗的进程，边坡土体孔隙水负压力呈逐渐降低趋势，就减低幅度而言，坡脚处的孔隙水0压力发生的时间较早，孔隙水负压力减幅相对最大。

1.2 基于中雨条件的黄土边坡孔隙水压力分析

基于中雨条件的黄土边坡孔隙水压力分布，具体如图2所示。

图2 基于中雨条件的黄土边坡孔隙水压力分布图

图2揭示，土体孔隙水压力基于中雨条件的变化规律基本与小雨条件的分布规律相一致，只是孔隙水0压力在中雨条件出现的时间提前了。坡底负孔隙水压力在降雨1d后，减低到-5kPa，坡顶负孔隙水压力在降雨1d后，减低到-60kPa。与小雨条件相比，中雨条件下孔隙水负压力在各级平台、坡脚和坡顶均小。整个边坡表层孔隙水负压力在降雨3d后减低到0，而在小雨条件下，孔隙水0压力只发生于坡脚处。

1.3 基于大雨条件的黄土边坡孔隙水压力分析

图3揭示，土体孔隙水压力基于大雨条件的变化规律基本与小雨和中雨条件的分布规律大同小异，孔隙水0压力于坡顶最后出现，于坡脚最早出现。但其出现的时间有所差别，降雨越大，孔隙水0压力出现的时间越短。一级和二级平台以及坡底，在降雨2d后，孔隙水负压力减低到0。整个边坡呈现暂态饱和状态发生于降雨3d后，此时孔隙水负压力均降至0值。

图3 基于大雨条件的黄土边坡孔隙水压力分布图

2 黄土深路堑边坡锚固整治设计

选择锚固抗滑桩整治设计，于坡脚设计布置桩间距4m，截面1.5m×2m，长度10m的抗滑桩。于第四级边坡设计布置两排锚杆。设计布置三排锚杆于一级、二级和三级边坡。锚杆2m水平间距，3m竖向间距。锚杆直径120mm，长度15m。以φ32mm HRB335钢筋2根来制作。锚固抗滑桩5种方案详见表1。

表1 锚固抗滑桩5种方案

锚固体与土体间的黏结力必须高出锚杆轴向拉力设计值，设计锚杆轴向拉力值：

(1)

式中，K—安全常数；fptk—钢筋标准强度值；A—钢筋的横截面积；Nt—设计锚杆拉力值。锚杆安全系数一般取值为2.2。锚固段锚杆长度：

(2)

式中，φ—安全系数，一般取值为1.6；qs—锚固体与土体间的黏结强度值；d2—锚固体构件直径；La—锚固段的长度；Nt—设计锚杆拉力值。锚固体与土体间的黏结强度值取qs=90kPa。锚固段的长度La实际取值为9～10m。各级锚固段长度与锚杆排数设计，详见表2。

表2 各级边坡锚杆布置方案

3 加固整治后的黄土质深路堑边坡稳定性分析

3.1 初始条件下各锚杆加固方案稳定性分析

锚杆1方案和5方案布置具体如图4所示。

图4 锚杆1方案和5方案布置图

按照1方案和5方案于降雨前实施稳定加固，其效果分析具体如图5所示。

图5 边坡实施稳定加固后的稳定系数

在1方案和5方案中以大致相同位置分别取边坡土条块，具体取11土条，其受力状态如图6所示，信息参数见表3。

各锚固方案下边坡稳定系数降雨前参数具体见表4。

图6 土条11受力状态

表3 土条11受力状态信息

表4 各方案降雨前安全稳定系数

表3揭示，在边坡锚杆支护1方案和5方案中，相同位置其土条力学物理参数和孔隙水压力值等同。但由于水平面与锚杆存在夹角不同，导致了底部法向力的不同，该滑裂面对应该点当然呈现不同的抗剪强度。表4揭示，边坡锚固1方案获得的安全稳定系数为最大，即水平面与锚杆15°夹角状态下，锚固效果最好。

3.2 基于大雨的各锚固方案稳定性分析

降雨强度基于大雨，降雨时间分别取72h、60h、48h、36h、24h、12h时程，边坡锚固基于1方案设计，取得基于大雨降雨时程的1方案锚固后，黄土质深路堑边坡安全稳定系数变化情况，详见表5。

表5和图7揭示，在降雨36h之后，边坡表层土体有暂态饱和情况呈现，此后边坡稳定系数开始变化幅度降低，其幅度随降雨时间增加而减小。边坡稳定状态在降雨72h后进入相对稳定期，此时的安全系数值是1.761。显然15°水平面夹角的锚固设计能够获得较好的边坡稳定性保证。

表5 基于大雨的各锚固方案不同降雨时程的稳定性系数变化

图7 经历降雨后边坡安全稳定状态

4 总结

文章选取马兰黄土作为案例土质，基于孔隙水压力分析，探讨雨水渗流影响下的黄土质路堑边坡安全稳定系数，并采用锚固抗滑桩对黄土质深路堑边坡实施加固设计，通过加固后边坡稳定性进行分析和比选。数据分析表明，在降雨36h之后，边坡表层土体有暂态饱和情况呈现，此后边坡稳定系数开始变化幅度降低，其幅度随降雨时间增加而减小。边坡稳定状态在降雨72h后进入相对稳定期。以15°水平面夹角的锚固设计能够获得较好的边坡稳定性保证，故采用方案1锚固边坡，可以获得黄土质深路堑边坡雨水入渗稳定锚固整治的较好效果。