降雨入渗对某边坡稳定性影响及加固措施

降雨入渗对某边坡稳定性影响及加固措施

温育杰

重庆交通大学 土木工程学院 重庆  400074

摘要：边坡失稳事故频发，在对边坡进行分析时，降雨对于边坡稳定性分析具有重要意义。本文介绍了边坡稳定性分析的三种方法，采用Midas-GTS/NX软件中的有限元强度折减法，建立二维有限元边坡模型进行数值分析，发现原本处于稳定状态的边坡在暴雨工况下稳定性不足，于是对边坡采用了双排桩进行初步加固，结果边坡虽达到基本稳定状态但出现了新的安全隐患，随及采用锚杆进一步加固，结果显示，边坡达到了稳定状态。

关  键  词：边坡稳定；Midas-GTS/NX；有限元强度折减法；锚杆加固；双排桩加固

引言

为了保证人民群众生命财产安全以及道路安全，需要深入研究如何提高边坡稳定性，而其中降雨是导致边坡失稳的重要因素之一，需要着重研究。

某边坡为两级边坡，坡高约12米。一级坡坡率为1：1，坡面上部为自然冲刷地带，岩层表面裸露。二级坡坡率为1:1.5~1:2。工作人员发现表面隆起且纵向起伏不平，并在其坡顶处发现了横向裂缝。为防止边坡失稳，对该边坡进行稳定性分析并制定相应的边固措施。本文基于Midas-GTS/NX软件的有限元强度折减法，对暴雨工况下边坡的稳定性问题进行了分析﹐以此为基础进行边坡加固措施设计，并对加固后的边坡再次进行了稳定性分析，以判断边坡稳定性是否满足实际使用要求[1]。

1边坡稳定性分析方法

国内外学者采用极限平衡法、极限分析法以及有限元强度折减法（SRM）这三种简化计算方法来分析此过程。极限分析法实用性最强；极限平衡法应用较早，积累的经验更足[2]；有限元强度折减法（SRM）通过软件模拟，可以更加直观的看到边坡内部各单元的应力应变情况以及各点位移。

1.1极限平衡法

在研究雨水入渗对边坡稳定性影响分析中，极限平衡法是最有效的方法。随着渗流量的加大，土体自重变大并出现软化现象，因此土体黏聚力和抗剪强度不断下降[3]。对于实际工程来说，在分析边坡稳定性过程时通常采用简略方法估算渗流，然后再用极限平衡法来计算。

1.2极限分析法

不考虑降雨前提下，极限分析法运用较为广泛，但是考虑降雨入渗后极限分析法实用性不强，因此我们需要更好的将极限分析法长处运用到考虑降雨入渗对边坡稳定性影响的分析中来，以便更好的完善[4]。在接下来的实验中要着重考虑综合各种因素的影响下，边坡内部水分在持续时间长、强度大的降雨影响下的运动规律[5]。

1.3有限元强度折减法

有学者利用强度折减法来分析边坡稳定性以及安全系数，其折减系数本身就是传统意义上的稳定系数,通过强度折减来分析结构的稳定性,直到临界状态为止,此时的折减系数就是所要求的稳定系数, 通过分析可以直观地显示出坡体的实际滑动面[6]。

强度折减法是通过逐步减小土体的剪切强度，直到某一点计算不收敛为止，此时即认为该点处于破坏状态，此时对应的强度折减系数即为最小安全系数[7]。

2边坡概况

2.1地层岩性

a.粉质黏土：主要由黏粒组成，分布于山体边坡的表层，厚度0.5~2.5米。

b.全风化千枚岩：岩石风化剧烈，遇水易软化，崩解，岩体极破碎，岩体基本质量等级为Ⅴ类。

c.强风化千枚岩：岩石风化强烈，裂隙发育，遇水易软化，崩解，岩体极破碎，岩体基本质量等级为Ⅴ类。

d.中风化千枚岩：岩体较破碎，裂隙较发育，软岩，基本的质量等级处于V级。

e.煤层：由炭质及泥质构成，含碳量高，质地极软。

f.含滑石千枚岩：基本的质量等级处于V级，岩体为极软岩。厚度为1.0~4.8m。

2.2滑坡地质特征

坡顶裂缝是该滑坡体的主裂隙，其上宽下窄，由坡顶向其两翼延伸。

经钻孔发现，滑坡体中存在两条滑带。上部滑坡带分布于滑坡体的中下部，埋深6~10米，下部滑坡带分布于滑坡体的下部，埋深20~25米。

3边坡模型构建

该模型为二维自然边坡降雨入渗条件下的边坡稳定性分析模型，模型高80m，宽170m，使用摩尔-库伦本构模型关系，采用Midas-GTS/NX进行分析。

3.1边坡分析模型构建

对于荷载，只设置重力；对于位移边界条件，在模型左右两侧约束其x方向水平变位，在下侧约束其z方向竖向变位。模型计算时采用有限元强度折减法（SRM），求得在一般工况下边坡的FS为1.18，说明该边坡处于稳定状态，与实际情况一致。

根据勘察资料，边坡滑块后缘已产生明显裂缝，宽度30~50cm。模型显示，滑块后缘位置实际位移48.7cm。

由上述结果可知，该模型与实际边坡情况大致吻合，可用于后续分析。

3.2降雨工况分析

在Midas-GTS/NX中进行降雨渗流分析，模拟特大暴雨，降雨量达到300mm/d，得出暴雨工况下边坡FS为0.896。

4边坡加固措施

4.1双排桩加固

在使用双排桩进行边坡加固后，暴雨工况下安全系数则由原来的0.896升至1.12。

但此次分析所产生的滑动面与初始滑动面并不相同。若采用此方法，该边坡会产生新的失稳形式。但是显然可见，由于双排桩的加入，安全系数有了明显提高，并且大于1.1。

4.2双排桩+锚杆加固

为解决上述问题，在新出现的浅层滑动面位置，加入锚杆，使用锚杆+双排桩的体系进行边坡的加固。

在模型中加入锚杆后，重新进行模型分析。结果表示，最危险的潜在滑动面是原状边坡分析时得到的滑动面，安全系数值，也从0.896提高至1.22。

对比双排桩和双排桩+锚杆两个支护方案:方案一和方案二的安全系数分别是1.12和1.22，两者差别不大。单使用双排桩，使得边坡原本的滑移面发生改变，会对以后的运营不利；而锚杆的加入又使滑移面变回原来的滑动面，此时可以保证加固后的边坡发生失稳的概率很小。

3  结  语

基于Midas-GTS/NX 软件中的有限元强度折减法﹑非线性时程等计算方法，对某边坡暴雨工况下的稳定性进行了模拟分析,得出该边坡在暴雨工况下的安全系数偏小，需要采取加固措施。经双排桩加固后的滑动面的安全系数虽然明显提高，但是塑性区后退，新的潜在滑动面出现。虽然原有的滑动面的安全系数得以提高，但是却产生了新的风险，边坡存在的问题并未得到解决。在加上锚杆后，再次对加固后的边坡稳定性进行了分析，最终锚杆限制了滑动面的发展，滑动面消失。

参考文献

[1]叶志程.基于Midas-GTS/NX的不同工况下某边坡稳定性分析及加固措施[J].化工矿物与加工,2021,5:16-19.

[2]娄一青,曹良珍,王志军,娄潇聪.降雨入渗对边坡稳定性影响分析[J].水力发电,2008(05):19-22.

[3]孙永帅,贾苍琴,王贵和.降雨对边坡稳定性影响研究综述[J].施工技术,2012,41(17):63-66.

[4]孔郁斐,宋二祥,杨军,张龙英,施洪刚,刘剑.降雨入渗对非饱和土边坡稳定性的影响[J].土木建筑与环境工程,2013,35(06):16-21.

[5]夏元友,张亮亮.考虑降雨入渗影响的边坡稳定性数值分析[J].公路交通科技,2009,26(10):27-32.

[6]赵尚毅,郑颖人,时卫民,王敬林.用有限元强度折减法求边坡稳定安全系数[J].岩土工程学报.2002(03)

[7]聂高波.基于强度折减法的土质边坡稳定性研究[D].河南省:河南大学,2020.