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膨胀土边坡入渗稳定性分析与锚杆支护参数研究

文档作者：侯定贵1’2，史冀波3，肖莉莉1’2，焦艳平1’2，崔楠1’2 ( 文档来源： 1．中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院 2．中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室 3．宁波市交通工程质量安全监督		点击数：	更新时间： 2025年12月15日
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72
施工
CONSTRUCTl0N
技术
TECHNOLOGY
2015仨
第“卷
12月下
第24期
DOI：10．7672／sgjs2015240072
膨胀土边坡入渗稳定性分析与锚杆支护参数研究
侯定贵1’2，史冀波3，肖莉莉1’2，焦艳平1’2，崔楠1’2
(1．中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京100083；2．中国矿业大学(北京)深部岩土力
学与地下工程国家重点实验室，北京100083；3．宁波市交通工程质量安全监督站，浙江宁波315000)
木
[摘要】裂隙的存在是膨胀土边坡在降雨条件下极易失稳的重要因素。为探索膨胀土边坡在降雨条件下渗流场变
化特点与稳定性，进行了0，2m与4m裂隙深度下的边坡饱和一非饱和渗流有限元数值模拟，在渗流分析基础上进行
基于极限平衡法的膨胀土边坡稳定性分析与锚杆支护参数研究。分析结果表明，裂隙的存在及发展对膨胀土边坡
降雨入渗与孔隙水压力分布有显著影响；裂隙开裂越深，表层边坡体越易形成暂态饱和区，同时边坡越趋于不稳
定；裂隙发育膨胀土边坡滑坡滑面具有浅层性等特点，锚杆长度、锚固角度、锚固位置等参数变化对降雨下膨胀土
边坡安全系数的影响与一般土质边坡有所区别；在分析基础上，提出了合理的锚杆布置方式，以期对膨胀土边坡锚
杆布置设计提供建议和参考。
[关键词]边坡；裂隙；膨胀土；渗流；稳定性
[中图分类号]U213．1 [文献标识码】A [文章编号】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
膨胀土边坡失稳是膨胀土地区的一个主要工
程地质问题，膨胀土边坡的失稳多发生在暴雨过
+北京市自然科学基金资助项目(8142032)
[作者简介]侯定贵，博士研究生，E—mail：houdinggui@126。corn
【收稿日期]2015-01·12
后，研究表明雨水入渗是膨胀土边坡失稳的主要外
因。1⋯。膨胀土边坡在气候作用下形成干缩裂隙，
裂隙随晴雨变化可不断发育。干缩裂缝的存在导
致土体完整性降低，导致雨水极易入渗。在降雨条
件下，表层土体孔隙水压力上升，负孔隙水压力减
小，容重增大，且土体遇水强度降低，易导致边坡失
万方数据
侯定贵等：膨胀土边坡入渗稳定性j，Ⅳi o锚什t戈jJ、’参数研究
稳。膨胀土边坡的渗流、稳定性分析及加固需要考
虑裂隙的影响∞。j。
本文进行了考虑不同干缩裂隙发育深度的膨
胀土边坡渗流过程数值模拟，得到不同时刻的渗流
场，进行不同裂隙开裂深度对渗流场的影响研究，
在此基础上进行不同渗流场下膨胀土边坡的稳定
性与锚杆加固参数研究，以期为降雨下膨胀土边坡
稳定性分析与加固提供有益参考。
1渗流场数值模拟
1．1基本理论
在土坡稳定性分析中，当地下水位埋藏较浅
时，非饱和区土壤水运动和饱和区的地下水运动是
相互联系的，此时将两者统一起来研究比较方便，
即所谓饱和一非饱和流动问题。在此情形下以压力
水头h作为控制方程的因变量。对于考虑渗透各向
异性的二维饱和-非饱和流动问题，当坐标取向与
大、小渗透主方向一致时，渗流控制方程为：
击(矗，芸)+去(kz警)+警=c c^，碧c·，
式中：k；，k；分别为土体水平和垂直方向的渗透系
数；h为压力水头；C(h)为容水重。本文采用有限
单元法求解方程(1)的二维渗流问题。
1．2边界条件
土坡表面与斜坡处边界条件为定水头或流量，
计算时当雨强大于土体渗透性时，采用定水头边界
条件，反之采用流量边界条件；模型两侧地下水位
面以上为零流量边界，水位面以下为定水头边界；
模型底面设为不透水边界。考虑裂隙时，直接将裂
隙设置在相应单元边界上，该单元边界处设定一定
的渗流边界条件，降雨入渗时雨水将沿单元边界向
两侧土体单元渗透。
1．3计算模型
本文采用有限元与极限平衡结合的方法分析
降雨入渗引起的渗流场与稳定性变化。建立边坡
剖面长80m，高35m，坡面高20m。单元数为9 011
个，节点数为8 890个。
初始条件设为左侧边界处水位距坡面20m，右
侧边界处水位距坡面7m，左右边界水位面以上设为
零流量边界，坡面整体设置为降雨边界条件。
1．4计算参数
计算所用水土特征曲线及渗透系数与孔压关
系曲线如图1所示。
1．5计算方案与结果
降雨入渗与初始渗流场关系密切，因此首先求
解一个稳态的渗流场作为降雨瞬态分析的初始条
件，所得初始渗流场如图2所示。
0．20—==：二————————————一一100一80 一60—40 —20 (
孔隙水压力／kPa
a体积含水率
一5f ／
一
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t．-．4} ／
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弹k【JL————-．——==i————L—_=—一’“一1 00—90—80—70—60—50 40 30 20 1 0
孔隙水压力／kPa
b渗透系数
图1 体积含水率、渗透系数与负
孔隙水压力关系曲线
Fig．1 Curve of volatile water content，conductivity and
negative pore water pressure
图2初始孔隙水压力等值线【单位：kPa J
Fig．2 Contours of initial pore water pressure(unit：kPa)
对裂隙间距为2m，深度分别为0，2，4m的膨胀
土边坡渗流进行有限元数值模拟，按降雨强度
2．5mm／h，计算得到各个时刻的瞬态渗流场，其各自
24，48h与72h时刻孔隙水压力分布等值线如图3
所示。
通过数值模拟结果可以得到：①膨胀土边坡在
不考虑裂隙情况下因膨胀土体渗透率很小导致渗
流场变化较小。②考虑裂隙存在情况下，雨水经裂
隙处大量渗入土体，导致边坡深部局部位置含水量
大幅上升，出现暂态饱和区域，渗流场变化由裂隙
主导：③随着渗流的进行，裂隙深度范围内形成暂
态饱和区域，而裂隙深度之外渗流场变化较小，坡
脚处逐渐趋于饱和，且水位线沿坡面向上发展，存
在裂隙坡面及内部完全处于饱和状态，对边坡稳定
性极为不利。
2 稳定性分析与锚杆支护参数研究
2．1计算模型
为研究不同裂隙深度情况下渗流作用及特定
渗流时刻锚杆支护参数对边坡稳定性的影响，建立
图4的计算模型，模型几何尺寸与渗流有限元分析
模型相同，边坡土体采用莫尔．库仑破坏准则控制，
采用Morgenstern—Price法对边坡稳定性进行计算。
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巧
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0
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O 静簧妞鼷蟪
万方数据
74 施工技术第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
图3 降雨24，48，72h孔隙水压力等值线(单位：kPa)
点熏；黏；[Fi2g．|3钐5Con1妥tour一s of pore water pressure in rainfall of 24。48，72h(unit：kPa) 释5 H ■／、—]
恒10 rr
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5?[1-古l j工工工[五丁工工工d
图4边坡稳定性计算模型
Fig．4 Calculation model for slope stability
对膨胀土边坡进行分区，分为裂隙发育区与无
干缩裂缝区域，赋予不同强度参数并将1．5节计算
所得渗流结果导入模型进行计算，边坡岩土力学参
数如表1所示。锚杆选用预应力锚杆，抗拉强度
200kN，剪切强度80kN，锚固长度5m。
表1膨胀土力学参数
Table 1 Mechanics parameter of expansive soil
2．2渗流对边坡稳定性的影响
在1．5节渗流计算基础上，将孑L隙水压力场导
入边坡稳定性计算模型旧J，计算不考虑支护的不同
裂隙深度膨胀土边坡随降雨渗流作用的边坡安全
系数如图5所示。
可以看到随降雨人渗的进行，边坡安全系数逐
渐降低；且裂隙深度越深，安全系数降低越大，4m深
裂隙的安全系数由初始状态的1．385降到0．942，
边坡由稳定状态转变为非稳定状态。
计算所得渗流72h边坡裂隙深度分别为0，2，
4m的危险滑面，4m裂隙深度下膨胀土边坡危险滑
1 6
1 5
l 4
籁l 3
孔
1．O
0 9
0 8
图5 渗’流对边坡稳定性影晌
Fig．5 Seepage influence on slope stability
面有浅层性、平缓性的特点(见图6)。
＼， 、、，
、＼
a 0m裂隙b 2m裂隙c 4m裂隙
图6不同裂隙深度危险滑面
Fig．6 Sliding surface with different fissure depth
2．3锚杆参数对边坡稳定性的影响
1)锚杆倾角对边坡稳定性的影响
计算0，2，4m 3种裂隙深度下，降雨渗流72h，
锚杆长度为20m，倾角0。一60。变化过程中(变化幅
度为5。)边坡安全系数的变化。
随着锚杆倾角的增加，边坡安全系数出现先增
加后降低的趋势，由此可以推断边坡加固存在最合
理倾角，对于上述0，2，4m裂隙深度边坡，在如图4
边坡模型下最合理加固角度为45。，40。和20。；锚杆
锚固角度的不同会造成加固后潜在滑面的不同，锚
杆倾角较小易于抑制浅层滑动，随着滑面的加深，
最优支护倾角也会增大，但当支护倾角超过一定值
时对滑面位置影响不大(见图7)。
凳塾
万方数据
侯定贵等：膨胀土边坡人渗稳定性分析与锚杆支护参数研究
图7 锚杆倾角对安全系数影响
Fig．7 Anchor angle influence on safety coefficient
2)锚杆深度对边坡稳定性的影响
计算0，2，4m 3种裂隙深度下，降雨渗流时刻为
72h，锚杆倾角为20。，锚杆总长度15～30m变化过
程中(变化幅度为1m)边坡安全系数的变化。
随着锚杆长度的增加，边坡安全系数逐渐上
升，当到达一定数值后均停止上升，说明增加锚杆
长度已无助于安全系数的增长。裂隙越深，安全系
数越早停止上升，裂隙发育的膨胀土滑坡多为浅层
滑坡如图6所示，所需锚杆长度相对较短即可达到
支护效果(见图8)。
图8锚杆长度对安全系数影响
Fig．8 Influence of anchor length on safety coefficient
3)锚杆部位对边坡稳定性的影响
计算0，2，4m 3种裂隙深度下，降雨渗流时刻为
72h，锚杆倾角为20。，锚杆总长度20m，锚杆加固处
位于坡面处高程为18，21，25，28，32m的边坡安全
系数变化。
对于0m与2m裂隙情况，锚杆处于坡脚处安全
系数较高，随着锚杆支护部位的上升安全系数下
降，说明锚杆处于坡脚更能起到支护作用。对于4m
裂隙情况，安全系数与支护部位无明显规律，通过
危险滑面分析可知滑面具有浅层性与局部发生的
性质，如锚杆刚好穿过滑面则其支护效果最为良好
(见图9)。
4)建议膨胀土边坡锚杆支护布设形式
通过上述分析可得在膨胀土裂隙发育较深的
边坡加固中，相对其他土质边坡锚杆加固，其所需
：
籁：
鋈：
锚杆尚程m1
图9锚杆部位对安全系数影响
Fig．9 Anchor arrangement parts influence
on safety coefficient
锚杆支护长度较短，支护角度较小，且其支护效果
受浅层滑面的位置影响较大，因此在支护中宜采取
较长锚杆控制整体滑动，密集布置较短锚杆控制浅
层滑动的方案。通过布置合理的长短相问的锚杆，
不但可以达到有效支护作用，还能大大节约工程
费用。
3 结语
1)膨胀土边坡降雨下渗流场由浅部裂隙主导，
裂隙越发育，降雨下边坡渗流场变化越大，同时，对
边坡稳定性越不利。
2)相对其他土质边坡锚杆加固，裂隙发育膨胀
土边坡所需锚杆支护长度较短，支护角度较小，且
其支护效果受浅层滑移面的位置影响较大。
3)膨胀土边坡滑坡具有浅层性、局部性特点，
在采用锚杆支护时有不同于一般土质边坡的特点，
在支护时不但要控制边坡的整体安全，还要控制局
部可能的失稳，宜采用长短结合的锚杆支护方案，
达到经济且有效的目的。
参考文献：
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