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膨脹土邊坡入滲穩(wěn)定性分析與錨桿支護參數(shù)研究

文檔作者：侯定貴1’2，史冀波3，肖莉莉1’2，焦艷平1’2，崔楠1’2 ( 文檔來源： 1．中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院 2．中國礦業(yè)大學(xué)(北京)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室 3．寧波市交通工程質(zhì)量安全監(jiān)督		點擊數(shù)：	更新時間： 2025年12月15日
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72
施工
CONSTRUCTl0N
技術(shù)
TECHNOLOGY
2015仨
第“卷
12月下
第24期
DOI：10．7672／sgjs2015240072
膨脹土邊坡入滲穩(wěn)定性分析與錨桿支護參數(shù)研究
侯定貴1’2，史冀波3，肖莉莉1’2，焦艷平1’2，崔楠1’2
(1．中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京100083；2．中國礦業(yè)大學(xué)(北京)深部巖土力
學(xué)與地下工程國家重點實驗室，北京100083；3．寧波市交通工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，浙江寧波315000)
木
[摘要】裂隙的存在是膨脹土邊坡在降雨條件下極易失穩(wěn)的重要因素。為探索膨脹土邊坡在降雨條件下滲流場變
化特點與穩(wěn)定性，進行了0，2m與4m裂隙深度下的邊坡飽和一非飽和滲流有限元數(shù)值模擬，在滲流分析基礎(chǔ)上進行
基于極限平衡法的膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析與錨桿支護參數(shù)研究。分析結(jié)果表明，裂隙的存在及發(fā)展對膨脹土邊坡
降雨入滲與孔隙水壓力分布有顯著影響；裂隙開裂越深，表層邊坡體越易形成暫態(tài)飽和區(qū)，同時邊坡越趨于不穩(wěn)
定；裂隙發(fā)育膨脹土邊坡滑坡滑面具有淺層性等特點，錨桿長度、錨固角度、錨固位置等參數(shù)變化對降雨下膨脹土
邊坡安全系數(shù)的影響與一般土質(zhì)邊坡有所區(qū)別；在分析基礎(chǔ)上，提出了合理的錨桿布置方式，以期對膨脹土邊坡錨
桿布置設(shè)計提供建議和參考。
[關(guān)鍵詞]邊坡；裂隙；膨脹土；滲流；穩(wěn)定性
[中圖分類號]U213．1 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A [文章編號】1002—8498(2015)24-0072-04
Research on Stability and Anchor Support Parameters of
Expansive Soil Slope Under the Condition of Seepage
Hou Dingguil一，Shi Jib03，Xiao Lilil一，Jiao Yanpin91一，Cui Nanl’2
(1．School of Mechanic and Civil Engineering，China University of Mining and Technology，Be咖ng 100083，China；
2．State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering．China University of Mining&amp;amp;
Technology，Beijing，Beijing 100083，China；3．Ningbo City Traffic Engineering Quality Supervision Station，
Ningbo，Zhejiang 3 1 5000，China)
Abstract：Fissure is an important factor of expansive soil slope instability under rainfall．In order to
explore the seepage field characteristics and stability of expansive soil slope under the condition of
rainfall，slope saturated and unsaturated simulation is done under 0，2，4 m fissure depth，and the
expansive soil slope stability and the bolt support parameters analysis based on limit equilibrium method is
carried out．Analysis results show that：the existence and development of fissures of expansive soil slope
has significant effect on rainfall infiltration and pore water pressure distribution；the more depth fissure of
slope body，the more easy to form a transient saturated zone，at the same time the more unstable slope；
fissure expansive soil slope landslide sliding surface has the characteristics such as shallow features．
Parameters change such as anchor rod，anchor length，anchor angle position have different influence on
expansive soil slope safety factor under rainfall．On the basis of analysis，the reasonable way of anchor
arrangement is put forward，in order to provide anchor arrangement design and reference suggestions for
expansive soil slope．
Key words：slopes；fissure；expansive soil；seepage；stability
0引言
膨脹土邊坡失穩(wěn)是膨脹土地區(qū)的一個主要工
程地質(zhì)問題，膨脹土邊坡的失穩(wěn)多發(fā)生在暴雨過
+北京市自然科學(xué)基金資助項目(8142032)
[作者簡介]侯定貴，博士研究生，E—mail：houdinggui@126。corn
【收稿日期]2015-01·12
后，研究表明雨水入滲是膨脹土邊坡失穩(wěn)的主要外
因。1?。膨脹土邊坡在氣候作用下形成干縮裂隙，
裂隙隨晴雨變化可不斷發(fā)育。干縮裂縫的存在導(dǎo)
致土體完整性降低，導(dǎo)致雨水極易入滲。在降雨條
件下，表層土體孔隙水壓力上升，負(fù)孔隙水壓力減
小，容重增大，且土體遇水強度降低，易導(dǎo)致邊坡失
萬方數(shù)據(jù)
侯定貴等：膨脹土邊坡入滲穩(wěn)定性j，Ⅳi o錨什t戈jJ、’參數(shù)研究
穩(wěn)。膨脹土邊坡的滲流、穩(wěn)定性分析及加固需要考
慮裂隙的影響∞。j。
本文進行了考慮不同干縮裂隙發(fā)育深度的膨
脹土邊坡滲流過程數(shù)值模擬，得到不同時刻的滲流
場，進行不同裂隙開裂深度對滲流場的影響研究，
在此基礎(chǔ)上進行不同滲流場下膨脹土邊坡的穩(wěn)定
性與錨桿加固參數(shù)研究，以期為降雨下膨脹土邊坡
穩(wěn)定性分析與加固提供有益參考。
1滲流場數(shù)值模擬
1．1基本理論
在土坡穩(wěn)定性分析中，當(dāng)?shù)叵滤宦癫剌^淺
時，非飽和區(qū)土壤水運動和飽和區(qū)的地下水運動是
相互聯(lián)系的，此時將兩者統(tǒng)一起來研究比較方便，
即所謂飽和一非飽和流動問題。在此情形下以壓力
水頭h作為控制方程的因變量。對于考慮滲透各向
異性的二維飽和-非飽和流動問題，當(dāng)坐標(biāo)取向與
大、小滲透主方向一致時，滲流控制方程為：
擊(矗，蕓)+去(kz警)+警=c c^，碧c·，
式中：k；，k；分別為土體水平和垂直方向的滲透系
數(shù)；h為壓力水頭；C(h)為容水重。本文采用有限
單元法求解方程(1)的二維滲流問題。
1．2邊界條件
土坡表面與斜坡處邊界條件為定水頭或流量，
計算時當(dāng)雨強大于土體滲透性時，采用定水頭邊界
條件，反之采用流量邊界條件；模型兩側(cè)地下水位
面以上為零流量邊界，水位面以下為定水頭邊界；
模型底面設(shè)為不透水邊界?？紤]裂隙時，直接將裂
隙設(shè)置在相應(yīng)單元邊界上，該單元邊界處設(shè)定一定
的滲流邊界條件，降雨入滲時雨水將沿單元邊界向
兩側(cè)土體單元滲透。
1．3計算模型
本文采用有限元與極限平衡結(jié)合的方法分析
降雨入滲引起的滲流場與穩(wěn)定性變化。建立邊坡
剖面長80m，高35m，坡面高20m。單元數(shù)為9 011
個，節(jié)點數(shù)為8 890個。
初始條件設(shè)為左側(cè)邊界處水位距坡面20m，右
側(cè)邊界處水位距坡面7m，左右邊界水位面以上設(shè)為
零流量邊界，坡面整體設(shè)置為降雨邊界條件。
1．4計算參數(shù)
計算所用水土特征曲線及滲透系數(shù)與孔壓關(guān)
系曲線如圖1所示。
1．5計算方案與結(jié)果
降雨入滲與初始滲流場關(guān)系密切，因此首先求
解一個穩(wěn)態(tài)的滲流場作為降雨瞬態(tài)分析的初始條
件，所得初始滲流場如圖2所示。
0．20—==：二————————————一一100一80 一60—40 —20 (
孔隙水壓力／kPa
a體積含水率
一5f ／
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t．-．4} ／
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彈k【JL————-．——==i————L—_=—一’“一1 00—90—80—70—60—50 40 30 20 1 0
孔隙水壓力／kPa
b滲透系數(shù)
圖1 體積含水率、滲透系數(shù)與負(fù)
孔隙水壓力關(guān)系曲線
Fig．1 Curve of volatile water content，conductivity and
negative pore water pressure
圖2初始孔隙水壓力等值線【單位：kPa J
Fig．2 Contours of initial pore water pressure(unit：kPa)
對裂隙間距為2m，深度分別為0，2，4m的膨脹
土邊坡滲流進行有限元數(shù)值模擬，按降雨強度
2．5mm／h，計算得到各個時刻的瞬態(tài)滲流場，其各自
24，48h與72h時刻孔隙水壓力分布等值線如圖3
所示。
通過數(shù)值模擬結(jié)果可以得到：①膨脹土邊坡在
不考慮裂隙情況下因膨脹土體滲透率很小導(dǎo)致滲
流場變化較小。②考慮裂隙存在情況下，雨水經(jīng)裂
隙處大量滲入土體，導(dǎo)致邊坡深部局部位置含水量
大幅上升，出現(xiàn)暫態(tài)飽和區(qū)域，滲流場變化由裂隙
主導(dǎo)：③隨著滲流的進行，裂隙深度范圍內(nèi)形成暫
態(tài)飽和區(qū)域，而裂隙深度之外滲流場變化較小，坡
腳處逐漸趨于飽和，且水位線沿坡面向上發(fā)展，存
在裂隙坡面及內(nèi)部完全處于飽和狀態(tài)，對邊坡穩(wěn)定
性極為不利。
2 穩(wěn)定性分析與錨桿支護參數(shù)研究
2．1計算模型
為研究不同裂隙深度情況下滲流作用及特定
滲流時刻錨桿支護參數(shù)對邊坡穩(wěn)定性的影響，建立
圖4的計算模型，模型幾何尺寸與滲流有限元分析
模型相同，邊坡土體采用莫爾．庫侖破壞準(zhǔn)則控制，
采用Morgenstern—Price法對邊坡穩(wěn)定性進行計算。
∞
"
如
巧
0
0
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O 靜簧妞鼷蟪
萬方數(shù)據(jù)
74 施工技術(shù)第44卷
0m裂隙深度
0m裂隙深度
0m裂隙深度
2m裂隙深度
a降雨24h
2m裂隙深度
b降雨48h
4m裂隙深度
2m裂隙深度4m裂隙深度
C降雨72h
圖3 降雨24，48，72h孔隙水壓力等值線(單位：kPa)
點熏；黏；[Fi2g．|3釤5Con1妥tour一s of pore water pressure in rainfall of 24。48，72h(unit：kPa) 釋5 H ■／、—]
恒10 rr
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5?[1-古l j工工工[五丁工工工d
圖4邊坡穩(wěn)定性計算模型
Fig．4 Calculation model for slope stability
對膨脹土邊坡進行分區(qū)，分為裂隙發(fā)育區(qū)與無
干縮裂縫區(qū)域，賦予不同強度參數(shù)并將1．5節(jié)計算
所得滲流結(jié)果導(dǎo)入模型進行計算，邊坡巖土力學(xué)參
數(shù)如表1所示。錨桿選用預(yù)應(yīng)力錨桿，抗拉強度
200kN，剪切強度80kN，錨固長度5m。
表1膨脹土力學(xué)參數(shù)
Table 1 Mechanics parameter of expansive soil
2．2滲流對邊坡穩(wěn)定性的影響
在1．5節(jié)滲流計算基礎(chǔ)上，將孑L隙水壓力場導(dǎo)
入邊坡穩(wěn)定性計算模型舊J，計算不考慮支護的不同
裂隙深度膨脹土邊坡隨降雨滲流作用的邊坡安全
系數(shù)如圖5所示。
可以看到隨降雨人滲的進行，邊坡安全系數(shù)逐
漸降低；且裂隙深度越深，安全系數(shù)降低越大，4m深
裂隙的安全系數(shù)由初始狀態(tài)的1．385降到0．942，
邊坡由穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉欠€(wěn)定狀態(tài)。
計算所得滲流72h邊坡裂隙深度分別為0，2，
4m的危險滑面，4m裂隙深度下膨脹土邊坡危險滑
1 6
1 5
l 4
籟l 3
孔
1．O
0 9
0 8
圖5 滲’流對邊坡穩(wěn)定性影晌
Fig．5 Seepage influence on slope stability
面有淺層性、平緩性的特點(見圖6)。
＼， 、、，
、＼
a 0m裂隙b 2m裂隙c 4m裂隙
圖6不同裂隙深度危險滑面
Fig．6 Sliding surface with different fissure depth
2．3錨桿參數(shù)對邊坡穩(wěn)定性的影響
1)錨桿傾角對邊坡穩(wěn)定性的影響
計算0，2，4m 3種裂隙深度下，降雨滲流72h，
錨桿長度為20m，傾角0。一60。變化過程中(變化幅
度為5。)邊坡安全系數(shù)的變化。
隨著錨桿傾角的增加，邊坡安全系數(shù)出現(xiàn)先增
加后降低的趨勢，由此可以推斷邊坡加固存在最合
理傾角，對于上述0，2，4m裂隙深度邊坡，在如圖4
邊坡模型下最合理加固角度為45。，40。和20。；錨桿
錨固角度的不同會造成加固后潛在滑面的不同，錨
桿傾角較小易于抑制淺層滑動，隨著滑面的加深，
最優(yōu)支護傾角也會增大，但當(dāng)支護傾角超過一定值
時對滑面位置影響不大(見圖7)。
凳塾
萬方數(shù)據(jù)
侯定貴等：膨脹土邊坡人滲穩(wěn)定性分析與錨桿支護參數(shù)研究
圖7 錨桿傾角對安全系數(shù)影響
Fig．7 Anchor angle influence on safety coefficient
2)錨桿深度對邊坡穩(wěn)定性的影響
計算0，2，4m 3種裂隙深度下，降雨滲流時刻為
72h，錨桿傾角為20。，錨桿總長度15～30m變化過
程中(變化幅度為1m)邊坡安全系數(shù)的變化。
隨著錨桿長度的增加，邊坡安全系數(shù)逐漸上
升，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定數(shù)值后均停止上升，說明增加錨桿
長度已無助于安全系數(shù)的增長。裂隙越深，安全系
數(shù)越早停止上升，裂隙發(fā)育的膨脹土滑坡多為淺層
滑坡如圖6所示，所需錨桿長度相對較短即可達(dá)到
支護效果(見圖8)。
圖8錨桿長度對安全系數(shù)影響
Fig．8 Influence of anchor length on safety coefficient
3)錨桿部位對邊坡穩(wěn)定性的影響
計算0，2，4m 3種裂隙深度下，降雨滲流時刻為
72h，錨桿傾角為20。，錨桿總長度20m，錨桿加固處
位于坡面處高程為18，21，25，28，32m的邊坡安全
系數(shù)變化。
對于0m與2m裂隙情況，錨桿處于坡腳處安全
系數(shù)較高，隨著錨桿支護部位的上升安全系數(shù)下
降，說明錨桿處于坡腳更能起到支護作用。對于4m
裂隙情況，安全系數(shù)與支護部位無明顯規(guī)律，通過
危險滑面分析可知滑面具有淺層性與局部發(fā)生的
性質(zhì)，如錨桿剛好穿過滑面則其支護效果最為良好
(見圖9)。
4)建議膨脹土邊坡錨桿支護布設(shè)形式
通過上述分析可得在膨脹土裂隙發(fā)育較深的
邊坡加固中，相對其他土質(zhì)邊坡錨桿加固，其所需
：
籟：
鋈：
錨桿尚程m1
圖9錨桿部位對安全系數(shù)影響
Fig．9 Anchor arrangement parts influence
on safety coefficient
錨桿支護長度較短，支護角度較小，且其支護效果
受淺層滑面的位置影響較大，因此在支護中宜采取
較長錨桿控制整體滑動，密集布置較短錨桿控制淺
層滑動的方案。通過布置合理的長短相問的錨桿，
不但可以達(dá)到有效支護作用，還能大大節(jié)約工程
費用。
3 結(jié)語
1)膨脹土邊坡降雨下滲流場由淺部裂隙主導(dǎo)，
裂隙越發(fā)育，降雨下邊坡滲流場變化越大，同時，對
邊坡穩(wěn)定性越不利。
2)相對其他土質(zhì)邊坡錨桿加固，裂隙發(fā)育膨脹
土邊坡所需錨桿支護長度較短，支護角度較小，且
其支護效果受淺層滑移面的位置影響較大。
3)膨脹土邊坡滑坡具有淺層性、局部性特點，
在采用錨桿支護時有不同于一般土質(zhì)邊坡的特點，
在支護時不但要控制邊坡的整體安全，還要控制局
部可能的失穩(wěn)，宜采用長短結(jié)合的錨桿支護方案，
達(dá)到經(jīng)濟且有效的目的。
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