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膨脹土邊坡入滲穩定性分析與錨桿支護參數研究

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．中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院 2．中國礦業大學(北京)深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室 3．寧波市交通工程質量安全監督		點擊數：	更新時間： 2025年12月15日
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72
施工
CONSTRUCTl0N
技術
TECHNOLOGY
2015仨
第“卷
12月下
第24期
DOI：10．7672／sgjs2015240072
膨脹土邊坡入滲穩定性分析與錨桿支護參數研究
侯定貴1’2，史冀波3，肖莉莉1’2，焦艷平1’2，崔楠1’2
(1．中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院，北京100083；2．中國礦業大學(北京)深部巖土力
學與地下工程國家重點實驗室，北京100083；3．寧波市交通工程質量安全監督站，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值模擬，在滲流分析基礎上進行
基于極限平衡法的膨脹土邊坡穩定性分析與錨桿支護參數研究。分析結果表明，裂隙的存在及發展對膨脹土邊坡
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飽和區，同時邊坡越趨于不穩
定；裂隙發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、錨固位置等參數變化對降雨下膨脹土
邊坡安全系數的影響與一般土質邊坡有所區別；在分析基礎上，提出了合理的錨桿布置方式，以期對膨脹土邊坡錨
桿布置設計提供建議和參考。
[關鍵詞]邊坡；裂隙；膨脹土；滲流；穩定性
[中圖分類號]U213．1 [文獻標識碼】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
膨脹土邊坡失穩是膨脹土地區的一個主要工
程地質問題，膨脹土邊坡的失穩多發生在暴雨過
+北京市自然科學基金資助項目(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育。干縮裂縫的存在導
致土體完整性降低，導致雨水極易入滲。在降雨條
件下，表層土體孔隙水壓力上升，負孔隙水壓力減
小，容重增大，且土體遇水強度降低，易導致邊坡失
萬方數據
侯定貴等：膨脹土邊坡入滲穩定性j，Ⅳi o錨什t戈jJ、’參數研究
穩。膨脹土邊坡的滲流、穩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育深度的膨
脹土邊坡滲流過程數值模擬，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，
在此基礎上進行不同滲流場下膨脹土邊坡的穩定
性與錨桿加固參數研究，以期為降雨下膨脹土邊坡
穩定性分析與加固提供有益參考。
1滲流場數值模擬
1．1基本理論
在土坡穩定性分析中，當地下水位埋藏較淺
時，非飽和區土壤水運動和飽和區的地下水運動是
相互聯系的，此時將兩者統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，當坐標取向與
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；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；
模型底面設為不透水邊界?？紤]裂隙時，直接將裂
隙設置在相應單元邊界上，該單元邊界處設定一定
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合的方法分析
降雨入滲引起的滲流場與穩定性變化。建立邊坡
剖面長80m，高35m，坡面高20m。單元數為9 011
個，節點數為8 890個。
初始條件設為左側邊界處水位距坡面20m，右
側邊界處水位距坡面7m，左右邊界水位面以上設為
零流量邊界，坡面整體設置為降雨邊界條件。
1．4計算參數
計算所用水土特征曲線及滲透系數與孔壓關
系曲線如圖1所示。
1．5計算方案與結果
降雨入滲與初始滲流場關系密切，因此首先求
解一個穩態的滲流場作為降雨瞬態分析的初始條
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 ／
一
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t．-．4} ／
E ，一’
1} ／
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： · ／
嘉2} ／7‘
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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
圖1 體積含水率、滲透系數與負
孔隙水壓力關系曲線
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值模擬，按降雨強度
2．5mm／h，計算得到各個時刻的瞬態滲流場，其各自
24，48h與72h時刻孔隙水壓力分布等值線如圖3
所示。
通過數值模擬結果可以得到：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致滲
流場變化較小。②考慮裂隙存在情況下，雨水經裂
隙處大量滲入土體，導致邊坡深部局部位置含水量
大幅上升，出現暫態飽和區域，滲流場變化由裂隙
主導：③隨著滲流的進行，裂隙深度范圍內形成暫
態飽和區域，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展，存
在裂隙坡面及內部完全處于飽和狀態，對邊坡穩定
性極為不利。
2 穩定性分析與錨桿支護參數研究
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對邊坡穩定性的影響，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．庫侖破壞準則控制，
采用Morgenstern—Price法對邊坡穩定性進行計算。
∞
"
如
巧
0
0
O
O 靜簧妞鼷蟪
萬方數據
74 施工技術第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
’
5?[1-古l j工工工[五丁工工工d
圖4邊坡穩定性計算模型
Fig．4 Calculation model for slope stability
對膨脹土邊坡進行分區，分為裂隙發育區與無
干縮裂縫區域，賦予不同強度參數并將1．5節計算
所得滲流結果導入模型進行計算，邊坡巖土力學參
數如表1所示。錨桿選用預應力錨桿，抗拉強度
200kN，剪切強度80kN，錨固長度5m。
表1膨脹土力學參數
Table 1 Mechanics parameter of expansive soil
2．2滲流對邊坡穩定性的影響
在1．5節滲流計算基礎上，將孑L隙水壓力場導
入邊坡穩定性計算模型舊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
系數如圖5所示。
可以看到隨降雨人滲的進行，邊坡安全系數逐
漸降低；且裂隙深度越深，安全系數降低越大，4m深
裂隙的安全系數由初始狀態的1．385降到0．942，
邊坡由穩定狀態轉變為非穩定狀態。
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錨桿參數對邊坡穩定性的影響
1)錨桿傾角對邊坡穩定性的影響
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。)邊坡安全系數的變化。
隨著錨桿傾角的增加，邊坡安全系數出現先增
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，
最優支護傾角也會增大，但當支護傾角超過一定值
時對滑面位置影響不大(見圖7)。
凳塾
萬方數據
侯定貴等：膨脹土邊坡人滲穩定性分析與錨桿支護參數研究
圖7 錨桿傾角對安全系數影響
Fig．7 Anchor angle influence on safety coefficient
2)錨桿深度對邊坡穩定性的影響
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)邊坡安全系數的變化。
隨著錨桿長度的增加，邊坡安全系數逐漸上
升，當到達一定數值后均停止上升，說明增加錨桿
長度已無助于安全系數的增長。裂隙越深，安全系
數越早停止上升，裂隙發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到
支護效果(見圖8)。
圖8錨桿長度對安全系數影響
Fig．8 Influence of anchor length on safety coefficient
3)錨桿部位對邊坡穩定性的影響
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
系數變化。
對于0m與2m裂隙情況，錨桿處于坡腳處安全
系數較高，隨著錨桿支護部位的上升安全系數下
降，說明錨桿處于坡腳更能起到支護作用。對于4m
裂隙情況，安全系數與支護部位無明顯規律，通過
危險滑面分析可知滑面具有淺層性與局部發生的
性質，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形式
通過上述分析可得在膨脹土裂隙發育較深的
邊坡加固中，相對其他土質邊坡錨桿加固，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，
不但可以達到有效支護作用，還能大大節約工程
費用。
3 結語
1)膨脹土邊坡降雨下滲流場由淺部裂隙主導，
裂隙越發育，降雨下邊坡滲流場變化越大，同時，對
邊坡穩定性越不利。
2)相對其他土質邊坡錨桿加固，裂隙發育膨脹
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，宜采用長短結合的錨桿支護方案，
達到經濟且有效的目的。
參考文獻：
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