降雨影响下的边坡稳定性及加固研究

赵晨凯，孙怀军，徐小乐

(天津市勘察设计院集团有限公司，天津 300000)

滑坡作为地质灾害的一种，对人类的生活秩序与环境造成了严重的破坏，因此边坡稳定性分析及其加固成为岩土工程领域中的重要研究问题之一。由于具有抗滑力强、工艺简单、浇筑方便和桩孔位置适应性好等优点，抗滑桩被广泛应用于边坡加固中，分析抗滑桩对边坡稳定性的影响也成为工程研究中的重点。

研究表明，降雨入渗和地震作用是影响边坡稳定性的最主要因素。中国科学院地球环境研究所的最新资料显示：2008年汶川地震灾区由于强降雨和不断发生的地余震而引发滑坡近6万次，岷江、沱江、涪江三条河流的输沙量增加了3～7倍。为了进一步防止强降雨引发边坡失稳，众多学者从降雨的角度开展了边坡稳定性的研究，并取得了一定成果。李涛[1]基于厚覆盖层边坡失稳机理研究了降雨影响下的厚覆盖层边坡渗流特征及稳定性；石振明[]2等人改进了Green—Ampt模型，研究了多层非饱和土降雨入渗的边坡稳定性。

受季风的影响，我国西南地区气候湿润，降水丰富，由于西南边陲的地势高差较大，当遭遇大暴雨或是连续降雨时，极易引发山体岩石松动，发生滑坡灾害。本文以云南境内某在建高速公路某路段的边坡为研究对象，对其进行力学校核，放坡开挖，如不满足安全性，需要砌挡土墙加抗滑桩进行加固，然后进一步验证安全性。边坡岩土在承受强降雨的渗透后，滑体饱和度增加，而粘聚力和内摩擦角等抗滑因素会被削弱，滑体处于非稳定状态，且新滑动面最有可能在老滑动面上发展。因此本文结合实际情况进一步分析了降雨对滑体稳定性的影响，并且对采用抗滑桩支护后的边坡稳定性进行了分析。

1 降雨入渗对边坡稳定性影响

滑体的抗剪强度是影响其稳定性的重要指标之一。学者Genuchten[3]提出了非饱和土体中存在基质吸力的学说，并给出了基质吸力随土体含水量变化的发展规律：

(1)

式中：θω为体积含水率；θr为天然体积含水率；θs为饱和体积含水率；ψ为基质吸力；a、m、n为曲线拟合参数。

学者Frellund等[4]提到，基质吸力在本质上是一种应力状态变量，基质吸力的存在能一定程度的提高土体抗剪强度。

含水量的变化同样影响着土体的粘聚力、内摩擦角以及摩擦系数，降雨影响下的各参数均由实验所得。表1给出了本文所用5个工况的参数组合情况。

表1 各工况对应的参数组合

2 边坡降雨入渗模型

2.1 材料基本参数

模型的抗滑桩采用单排C30混凝土灌注桩，桩径1 m，桩间距0.8 m，桩端打入基岩面以下3.5 m，桩头自由；原始桩—土接触面的摩擦系数为0.36；土样取粉质黏土干密度为，比重，土壤液限46.3%，塑限25.1 %，自然膨胀率%，沙砾含量3.5%，粉砾含量47.4%，粘砾含量14.6%，胶砾含量34.5%，其余主要物理参数如表2所示。

表2 材料物理参数

2.2 有限元模型

如图1所示，建立三种边坡模型：原始边坡、放坡开挖后、设置抗滑桩和挡土墙的边坡。边坡左右断面施加法向位移约束，顶部为自由边界，基岩底部固定。

图1 有限元模型

3 计算结果及分析

3.1 无降雨量的边坡稳定性分析

从图2(a)可以看出原始边坡总位移随高程的增加而加大，最大位移出现在坡顶；如图2(b)所示，开挖卸载后的公路路基局部有隆起现象，主要是由于土层经过上部卸载后，自身初始应力被释放和重新分布，因此出现向上变形和回弹，位移最大值降低；加抗滑桩之后，从图2(c)可以看出模型总位移的发展没有改变，但抗滑桩附近的土体位移由于抗滑桩的影响而减小。

图2 边坡总位移云图

由于该滑体坡度陡，上部重量大，滑体自身的稳定性都会降低，引起原本稳定的老滑动面复活，出现新的崩塌和滑坡。因此，采用削坡减载的方法已经不能适用于工程实际，除非大范围的将滑体上部土层挖走，但由于该滑体规模大，土方量多，工程耗资增加大，所以综合考虑应采用抗滑桩加挡土墙支护的方案。

3.2 降雨入渗下加抗滑桩后边坡的稳定性

设置抗滑桩支护后，土体的下滑位移相比于放坡开挖方案减小了，并且比原始边坡小了一倍，有效的阻止了土体的下滑，对抗滑桩的桩背土压力分布进行分析，如图3所示，随抗滑桩深度的发展，桩背土压力沿桩身向下增大，说明桩前土压力大于桩背土压力，而桩身以下大约12 m左右位置承受的压力最大，所以，在抗滑桩的设计过程中，此部位应考虑加大结构强度。

图3 桩背土压力

虽然采用抗滑桩支护后，边坡基本不会发生大的变形和垮塌现象，但土体的内摩擦力、粘聚力等力学参数会随降雨的持续而降低，从而降低边坡的稳定性。由图4和图5可以看出，当含水量为30.16%时，由于饱和水重量增大，土体沉降量也更大，重力沿水平方向的分力更大，导致下滑位移和剪应力都非常大，最大剪应力达到0.556 MPa；含水量为12.12%时，土体下滑位移以及剪应力都很大，而含水量为18.16%时，下滑位移及剪应力却非常小，这与土在不同含水量情况下的粘聚力以及基质吸力有关。土体在含水量为18.16%时，会形成一种凝聚力，有效地阻止了土体的下滑，因此抗滑桩所承受的各种应力都会比较小。含水量为12.12%时所承受的应力比18.16%及20.13%都要大，这是因为12.12%含水量对应的土体比较松散，摩擦系数比较小，更容易失稳。这也说明，含水量控制在18.16%，对边坡稳定性最为有益。

图4 边坡土体下滑位移

图5 边坡土体剪应力

4 结语

本文基于有限元软件建立并分析了高速公路某路段边坡的二维模型，重点研究了抗滑桩及降雨对边坡稳定性的影响，得到以下结论：

(1)与原始边坡相比，设置了挡土墙和抗滑桩的边坡位移分布发生了明显变化，说明抗滑桩挡土墙等支护结构对边坡滑体有一定约束作用。

(2)随着降雨的持续，边坡土体的含水量及饱和度持续增加，在土体含水量达到18.16%时，土体内粘聚力与内摩擦系数等参数达到最大，此时边坡稳定性最佳。

(3)即使设置有抗滑桩，在强降雨的情况下，边坡位移依然很大，下滑位移最大值达到74.4 mm，因此如果没有合理的排水系统，放坡开挖方案下的边坡稳定性被大幅削弱，其稳定性难以得到保障。