降雨条件下高边坡稳定性及支护效果评价

池全华

（福建致和工程勘察设计院有限公司，福建 三明 365000）

0 引言

在工程上，高边坡通常被定义为高度大于30m 的岩质边坡以及高度大于20m 的土质边坡[1]。诱发高边坡滑坡的因素较为复杂，主要分为内在因素与外部因素。内在因素主要包括边坡的坡体结构、内部应力分布、地质构造、岩土体特性及地下水等，外部因素多受降水、风化、地震以及人类活动的影响[2]。其中，暴雨是滑坡的主要诱因。

大量研究表明降雨是成为高边坡失稳的主要因素，降雨不仅会引起岩土体抗剪强度下降，从而导致边坡失稳，还会影响边坡支护如抗滑桩的稳定性，导致滑坡[3]。

采用有限元强度折减法，分别模拟正常工况与暴雨工况下，高边坡的稳定性情况，以分析降雨对边坡稳定性影响。分析高边坡的潜在滑移面，从而确定高边坡的滑移位置。模拟高边坡分级开挖过程的稳定性变化情况，分析施工过程中降雨对高边坡滑移的潜在风险，进一步分析评价预应力锚索-抗滑桩联合支护对高边坡的效果[4]。

1 高边坡稳定性数值分析

1.1 工程背景

此次高边坡分析的工程背景为福建省建宁县某高边坡建设项目，选桩号K1+600～K1+720 段边坡进行实例分析。该项目区地貌上属于低山丘陵区山间凹谷或沟谷地貌，路轴线地形起伏相对较大，沿线丘顶浑圆，斜坡坡度较陡，一般在20～30o，局部可达40o以上。桩号K1+600～K1+720 段边坡高度最高达到47m，坡顶处有一座高压电塔[5]。此次选取的典型高边坡横断面示意图如图1 所示。在原坡面进行防护施工过程中，遭遇连续降雨天气，已施工的第六至三阶边坡，坡体出现贯穿性裂缝，面层整体滑移，顶层平面发生渗水现象，滑坡鼓丘刚好出现在第三阶坡顶位置，如图2 所示。

图1 高边坡横断面示意图

图2 高边坡滑坡现场照片

选取天然状态的正常工况与降雨作用下的暴雨工况两种工况进行稳定性分析，采用强度折减法分析边坡的安全系数及塑性区。强度折减法由Zienkiewicz[6]在1975 年首次提出，其基本原理是对岩土体的抗剪强度参数黏聚力c 与内摩擦角φ 进行折减，直至边坡达到极限状态。这时对应的折减系数为边坡的安全系数，该方法可以得到潜在破坏面的位置。采用Midas 软件建立二维边坡模型进行数值模拟，边坡横断面如图3 所示。边坡各岩层物理力学指标参数如表1 所示。

表1 边坡物理力学指标参数

图3 Midas 边坡二维分析模型

1.2 数值模拟结果分析

采用Midas 软件建立边坡开挖后的六阶边坡二维模型。模型尺寸为坡脚至边界距离为坡高的1.5 倍，坡顶至边界距离为坡高的2.5 倍，上下边界总高不低于2 倍坡高。模型左右设置x 向位移约束，底面设置x 与z 方向的全约束。

正常工况的地下水位线为311.99～350.68m，得出边坡塑性区云图4（a）以及边坡总位移云图5（a）。从图4（a）中可知，边坡的最大塑性变形区位于砂土状强风化混合花岗岩层位置，并塑性区未完全贯通。从图5（a）中可知，最大位移为12.63cm。天然状态下边坡的安全系数为1.66，边坡处于稳定状态。

另外，暴雨工况下地下水位上涨约3m，高度约为314.99～353.68m，得出边坡塑性区云图4（b）以及边坡总位移云图5（b）。从图4（b）中可知，边坡的最大塑性变形区位于砂土状强风化混合花岗岩层位置，塑性区完全贯通，边坡极易发生滑坡，并且滑坡面在浅层位置。李卓[7]等人认为雨水充分渗入边坡坡面，导致表层土体强度降低，引起非饱和土中基质吸力减小，甚至丧失。这一作用机理导致边坡表层发生浅层牵引式滑坡。从图5（b）中可知，最大位移为14.8cm。暴雨状态下边坡的安全系数为1.01，边坡处于不稳定状态。孙廷龄分别用有限元强度折减法分析不同工况下高边坡稳定特性，结果表明暴雨工况下边坡的安全系数显著下降。

图4 塑性区云图

图5 边坡总位移云图

2 施工过程中高边坡稳定性数值分析

实际工程中，由于工期原因，常出现边坡开挖过程中未及时支护的问题。就此问题进行分析，模拟边坡分级开挖过程中边坡稳定性。表2 展示分级开挖过程中边坡安全系数变化情况。结果表明，第四阶开挖完成后，正常工况下边坡的安全系数由4.02 骤然下降至1.79，暴雨工况下边坡的安全系数由4.02 降至1.16。巨能攀等[8]发现施工过程中，连续强降雨作用下，边坡变形速率明显增大，更易发生失稳破坏。

表2 分级开挖过程中边坡安全系数表

在暴雨工况下，边坡分级开挖过程中的塑性云图如图6 所示。从图中可以看出，第六阶与第五阶边坡开挖过程中并未出现贯穿的塑性区。第四阶开挖后边坡表层出现完整贯穿的塑性区。这一现象表明，第四阶开挖后，滑坡失稳的潜在概率大大增加。研究表明，不良地质路堑高边坡受到开挖和降水的显著影响，开挖施工引起边坡深处应力场恶化，加之降雨等诱发因素，很容易发生深层滑动[9]。

图6 暴雨工况下边坡塑性区云图

3 高边坡加固效果分析

通过上述数值模拟分析，可以得知边坡的滑动面位置，并制定加固方案。该边坡加固主要采用抗滑桩+预应力锚索形式加固。加固方案为：在第一阶至第五阶坡面设置预应力锚索框架，在第三阶坡顶设置抗滑桩，在第六阶坡顶设置锚杆加固，具体加固示意图（见图7）。同时对加固后的边坡进行数值模拟分析，研究边坡加固效果。

图7 边坡加固示意图

表3 为加固前后边坡安全系数的变化情况，结果表明边坡加固后，正常工况及暴雨工况下边坡安全系数有显著提高。正常工况的安全系数由1.66 上升至2.43；暴雨工况下边坡安全系数由1.01 上升至1.75，满足《城市道路路基设计规范》（CJJ 194—2013）和《公路路基设计规范》（JTG D30—2015）相关要求。

表3 边坡加固前后边坡安全系数表

图8 为加固后边坡的塑性云图，从图中可以看出，加固后在正常工况和暴雨工况下边坡坡体均未形成贯穿的塑性区，因此该加固方案能够有效地避免边坡发生滑移灾害。从塑性图中可以看出塑性区主要在砂土状强风化混合花岗岩岩层间出现。

图8 边坡加固后塑性区云图

图9 为暴雨工况下，加固前后边坡的总位移云图，数据表明加固后坡面位移显著减小。这是由于预应力锚索能够充分平衡土中应力，从而减小土层水平位移及总位移[10]。抗滑桩能够承受侧向土压力，利用稳定地层岩土的锚固作用以平衡滑坡推力、稳定滑坡。高边坡滑坡体上部坡面采用锚杆或锚索支护，坡脚采用抗滑桩加固，锚索和抗滑桩联合支护结果既能发挥预应力锚索主动加固作用，限制边坡上部变形，又能有效利用抗滑桩被动加固作用，减少边坡坡脚土方开挖，保证坡脚道路的正常施工及运行。

图9 暴雨工况下边坡总位移云图

4 结论

以某高边坡治理项目为案例背景，采用有限元强度折减法的分析方法，对比正常工况与暴雨工况下边坡稳定性，主要研究结论如下：

一是暴雨工况下，雨水下渗，导致浅层土体基质吸力减小，致使土体抗剪强度降低，高边坡易发生浅层牵引式滑坡，潜在滑移面为砂土状强风化混合花岗岩岩层面。

二是开挖第四阶边坡过程，边坡稳定性显著降低，特别是强降雨条件下，边坡的应力场与渗流场均产生变化，边坡易发生滑坡失稳。因此在施工过程中应及时进行支护，防止出现边坡滑移。

三是采用预应力锚索和抗滑桩联合支护结构能有效加固高边坡，显著改善边坡内部应力，提高边坡安全系数，降低边坡总位移。