桩锚支护结构在红砂岩边坡中的应用

柯宅邦，陈小川，张骏，乐腾胜

（安徽省建筑科学研究设计院绿色建筑与装配式建造安徽省重点实验室，安徽 合肥 230031）

1 引言

众多研究表明，在经历强降雨入渗下，自然状态下稳定的边坡有极大可能发生失稳，形成滑坡灾害[1～3]。较多边坡失稳案例都发生在强降雨后，因此，研究强降雨入渗对边坡稳定性的影响显得尤为重要。皖南地区有大量红砂岩出露，特别是高速公路旁有大量的红层路堑边坡，且未进行有效支护，而红层又是一种遇水易软化、崩解的特殊性岩体，持续的强降雨会影响红层边坡的稳定性[4～7]，故本文将基于此次皖南地区强降雨后的某边坡失稳案例，开展强降雨下红层路堑边坡稳定性分析，并结合红砂岩特性设置合理的支护加固方案，为皖南地区高速公路的建设与防护提供参考。

2 边坡模型参数选取及建立

此次强降雨后发生的滑坡灾害位于皖南地区某高速公路旁，该公路旁出露大量红层路堑边坡，滑坡发生时该地区24h降雨量达到300mm以上，属于特大暴雨。

本文采用室内试验与数值模拟相结合的方法，室内试验主要获取计算所需的关键性边坡岩性参数，数值模拟采用MIDAS GTS NX岩土有限元软件。通过强度折减法计算出此次强降雨下的红层边坡稳定性，并结合区内红砂岩边坡特性进行加固，最后通过软件模拟验证加固后稳定。选取该条公路旁某典型滑坡案例，经过现场实测并结合地勘资料，现建立边坡几何模型如图1所示。

图1 边坡几何模型

该边坡模型所需的计算参数为天然容重、饱和容重、初始孔隙比、弹性模量、泊松比、黏聚力、摩擦角与岩土水力参数等，其计算参数均来自室内试验结果。本文需模拟降雨入渗对边坡岩土体的影响，非饱和特性函数及其参数的选取对计算结果具有重要影响，现选取包气带岩土体水力特征中常用的Van-Genuchten函数，通过室内试验及经验值选取获得边坡岩土体水力计算参数。该边坡岩土体选用Mohr-Colum材料模型，边坡基本材料计算参数如表1所示。

边坡基本材料计算参数 表1

本文采用迈达斯岩土软件建立模型，如图2、图3所示。边坡主要分为三层，从上到下岩性依次为全风化砂石土，强风化泥质粉砂岩，中风化泥质粉砂岩，其中全风化厚度平均为5m，强风化平均厚度为15m，中风化层较厚，设置为30m ～70m，边坡宽度为20m，坡高约35m，属于高边坡，坡度为35°。左侧水头设置为30m，右侧水头设置为20m。

图2 边坡三维模型

图3 边坡模型侧视图

3 边坡稳定性分析

本文通过对自然状态和经历此次特大暴雨后的边坡进行稳定性计算，对比分析了该边坡降雨前后的边坡体积含水率、位移及应变。

3.1 边坡体积含水率

分别计算自然状态以及特大暴雨后的边坡体积含水率，结果如图4所示。

图4 边坡体积含水率

由图5可知，边坡自然状态下坡体含水率较低，含水率最高部位位于全风化砂石土层，且在坡脚处，为10.98%。经历此次特大暴雨后，雨水开始补给含水层，地下水位开始上升，该边坡大部分区域达到饱和，受重力影响，边坡靠近坡脚处几乎完全饱和。

3.2 最大总位移

分别计算自然状态以及经历此次特大暴雨后的边坡最大总位移，结果如图5所示。

图5 边坡最大总位移

由图5可知，自然状态下该边坡最大总位移位于靠近坡脚处2.95m，边坡整体发生位移部分仅位于全风化层，以下强风化与中风化层均处于稳定状态。经历此次特大暴雨后，该边坡最大总位移位于坡面靠近坡脚处3.03m，边坡整体发生位移部分仅位于全风化砂石土层，以下强风化与中风化层均处于稳定状态。

3.3 最大剪应变

分别计算自然状态以及经历此次特大暴雨后的边坡最大剪应变，结果如图6所示。

图6 最大剪应变云图

由图6可知，自然状态下该边坡剪应变发生在全风化层与强风化层接触面上，以下强风化与中风化层均处于稳定状态。最大剪应变位于全风化层与强风化层接触处1.30m。此时未出现塑性贯通区，边坡安全系数FS=1.31，边坡处于稳定状态，但安全系数较低，容易受外界因素影响。

主要材料计算参数 表2

经历此次特大暴雨后，该边坡剪应变主要发生在全风化砂石土层，以下强风化与中风化层均处于稳定状态。最大剪应变位于全风化砂石土层与强风化层接触面1.07m。此时全风化砂石土层与强风化层接触面出现了从坡脚到坡顶的完整塑性贯通区，边坡安全系数FS=1.06，产生了滑动面，边坡处于失稳状态。

通过以上计算，皖南地区某高速公路旁红层路堑边坡在经历此次特大暴雨后，边坡安全系数大大降低，出现塑性贯通区，产生滑动面，边坡失稳。其计算结果与该红层边坡失稳案例一致，滑动面位于全风化砂石土层与强风化层接触面处。

4 桩锚加固边坡计算

该边坡位移、应变最大值均位于坡脚处，且滑动面较大，危害性高。针对该边坡特性，拟在坡面喷射混凝土，并施加锚杆进入基岩，在坡脚处设置桩锚结构进行加固，现设计加固方案如下。

在滑动区域施加预应力锚索进入基岩，锚入基岩深度2m，锚索间距为2m，锚索布置后坡体表面进行喷射混凝土锚固。坡底设置抗滑桩，抗滑桩通过预应力锚索锚固在基岩上，锚入基岩深度2m。主要材料参数如表2所示，预应力锚索、抗滑桩和混凝土采用弹性材料模型。

建立边坡加固模型如图7和图8所示。

图7 边坡加固模型三维图

图8 边坡加固模型侧视图

其中，抗滑桩和预应力锚索组成的桩锚结构示意图如图9、图10所示。

图9 桩锚结构三维图

图10 桩锚结构侧视图

桩锚加固后的边坡在特大暴雨条件下的计算结果如图11、图12所示。

图11 最大总位移云图

图12 最大剪应变云图

由图11可知，桩锚加固后，特大暴雨条件下该边坡最大总位移位于坡脚抗滑桩处7.27m，受锚索的影响，全风化砂石土层、强风化层与中风化层均有一定的位移。由图12可知，桩锚加固后，特大暴雨条件下该边坡剪应变发生在坡脚抗滑桩处，且受锚索影响，锚索进入基岩中风化层端部出现剪应变区，但影响极小，未出现塑性贯通区。最大剪应变位于坡脚抗滑桩处2.31m，未出现塑性贯通区，对边坡稳定性无明显影响。桩锚加固后，特大暴雨条件下，全风化砂石土层与强风化接触面的塑性贯通区消失，此时边坡安全系数FS=2.65，边坡处于稳定状态，加固效果明显。

5 结论

本文通过室内试验获取边坡关键性岩土参数，结合数值模拟，对强降雨下皖南某高速公路红层路堑边坡的稳定性进行计算，并针对该边坡特性设计了一定的边坡加固方案，主要结论如下。

①通过对该边坡进行自然状态和特大暴雨条件下的稳定性计算得出，该边坡自然状态下体积含水率较低，经历此次特大暴雨后，雨水进入中风化层并开始补给含水层。降雨主要影响该边坡的全风化层，对强风化、中风化层影响不大。经历此次特大暴雨后，该边坡安全系数大大降低，全风化层形成塑性贯通区，产生滑动面，边坡失稳。

②结合该边坡特性，提出桩锚加固边坡的方案，计算后得出该方案在特大暴雨下，边坡安全系数从自然状态的1.31 提高到 2.65，塑性贯通区消失，加固效果明显。