降雨條件下順層邊坡穩(wěn)定性分析

徐海濤,梁 超

(1.中鐵二院重慶勘察設(shè)計研究院有限責(zé)任公司,重慶 400023;2.中國市政工程西南研究總院,四川成都 610065)

降雨條件下順層邊坡穩(wěn)定性分析

徐海濤1,梁 超2

(1.中鐵二院重慶勘察設(shè)計研究院有限責(zé)任公司,重慶 400023;2.中國市政工程西南研究總院,四川成都 610065)

為了研究順層邊坡在降雨條件下的穩(wěn)定性,以某鐵路路塹順層邊坡為研究對象,采用飽和非飽和理論建立了降雨入滲條件下的流固耦合模型,得到了順層邊坡在不同降雨歷時條件下暫態(tài)飽和區(qū)與應(yīng)力場的分布情況,并分析了順層邊坡在持續(xù)降雨條件下的破壞機(jī)制,得到了邊坡對應(yīng)的安全系數(shù)。研究結(jié)果表明:持續(xù)降雨條件下,降雨主要沿軟弱夾層下滲,并在坡頂局部形成暫態(tài)飽和區(qū),導(dǎo)致坡頂巖土體容重增大,軟弱夾層力學(xué)性質(zhì)降低;邊坡淺表小主應(yīng)力逐漸減小,并在深部沿軟弱層面形成小主應(yīng)力較小的條帶,最終導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定系數(shù)降低,造成邊坡沿深層軟弱層面整體下滑。

順層邊坡;降雨;穩(wěn)定性分析;鐵路路塹

順層邊坡是指巖層走向和傾向與邊坡走向和傾向一致的邊坡,在實際工程中,通常把走向與巖層走向夾角小于20°、傾向接近的邊坡視為順層邊坡[1]。在鐵路邊坡工程中,路塹順層邊坡的穩(wěn)定性問題普遍而突出,特別是在降雨強(qiáng)度大、歷時長的情況下。順層邊坡中夾雜有比較軟弱的巖層面或軟弱夾層面,當(dāng)坡體前緣開挖形成臨空面后,在降雨條件下,地表水通過孔隙大量浸入軟弱面,直接導(dǎo)致強(qiáng)風(fēng)化巖體及軟弱夾層容重增大,軟弱面不斷軟化、泥化,強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)一步降低,滲透壓力進(jìn)一步增大,最終導(dǎo)致滑面抗滑力迅速減小,邊坡沿某一軟弱層面整體向下滑動[2-3]。

非飽和土強(qiáng)度理論主要是由摩爾庫侖抗剪強(qiáng)度理論引入基質(zhì)吸力而發(fā)展起來的[4],Fredlund 等[5]提出了以正應(yīng)力與吸力作為變量的非飽和土抗剪強(qiáng)度公式,Vanapalli等[6]在非飽和土微觀分析的基礎(chǔ)上提出了非飽和土抗剪強(qiáng)度的經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀Ｔ诜秋柡屯恋牧鞴恬詈戏矫?Thomas等[7]提出了考慮非飽和土變形的熱、氣、水運動耦合理論,Wong 等[8]進(jìn)行了非飽和土的固結(jié)耦合數(shù)值計算研究。

本文在有限元方法的基礎(chǔ)上,引入飽和非飽和滲流理論,即考慮非飽和坡體中基質(zhì)吸力對邊坡穩(wěn)定的影響,以重慶某鐵路路塹順層邊坡為研究對象,建立了降雨入滲條件下的流固耦合模型,得到了邊坡在不同降雨歷時條件下暫態(tài)飽和區(qū)與應(yīng)力場的分布情況,并分析了邊坡在降雨條件下的破壞機(jī)制[9-10],得到了邊坡的安全系數(shù),可為邊坡設(shè)計提供參考。

1 計算參數(shù)及計算模型

1.1 工程概況

某鐵路路基段位于重慶境內(nèi)緩丘地帶,地面高程468～498m,相對高差2～30m。沿線地形波狀起伏,岸坡坡度為15°～30°,基巖多裸露。路基以挖方為主,中心最大挖方深度約19 m。該段地層上覆第四系坡洪積層(Q4dl+pl),下伏為侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組(J2s)泥巖夾砂巖,泥巖呈灰綠、紫紅色,泥質(zhì)結(jié)構(gòu),薄～中厚層狀,質(zhì)軟;砂巖呈灰黃色、青灰色,中～細(xì)粒結(jié)構(gòu),泥質(zhì)膠結(jié)。巖層產(chǎn)狀N53°E/30°NW,巖層走向與鐵路走向夾角6°～9°,在橫斷面視傾角約30°,線路右側(cè)為順層邊坡。段內(nèi)基巖以泥巖為主,隔水性較好,基巖裂隙水不發(fā)育,水量甚微?？傮w地下水較不發(fā)育,對混凝土結(jié)構(gòu)無侵蝕性,計算剖面地質(zhì)狀況如圖1所示。

圖1 計算區(qū)域順層邊坡地質(zhì)剖面

1.2 計算模型

根據(jù)現(xiàn)場邊坡工程地質(zhì)條件及邊坡開挖布置,有限元計算模型寬度(x方向)為93.7 m,鉛直高度(y方向)為55.0 m。根據(jù)層狀邊坡巖層產(chǎn)狀及厚度,建模時取巖層厚度0.6 m,夾層厚度0.1 m,共設(shè)置3級馬道,整個模型單元數(shù)5 035個,節(jié)點數(shù)為5019個;沿巖層軟弱夾層滑動的破壞模式是順層邊坡發(fā)生最多、規(guī)模很大的一種破壞模式[4],計算模型中從上至下共指定12條沿軟弱夾層分布的潛在滑動面,計算模型及潛在滑動面位置如圖2所示。

1.3 計算參數(shù)

區(qū)內(nèi)降雨量充沛,主要集中在5—9月,多年平均降雨量約1 238.3 mm,計算時考慮降雨量150 mm/d,總歷時96 h。開挖坡面設(shè)有防水措施,所以只考慮坡頂降雨入滲,不考慮開挖坡面降雨入滲;開挖坡面設(shè)有排水措施,為降雨入滲潛在逸出面。由于該路段內(nèi)地下水不發(fā)育,所以在計算時不考慮地下水作用。計算模型中共涉及3種巖土體材料,各材料屬性見表1。

圖2 順層邊坡計算模型及滑弧編號

2 穩(wěn)定性分析

2.1 計算理論

降雨條件下順層邊坡的入滲過程是一個飽和非飽和滲流過程[11],可用Richard's方程來描述降雨的入滲過程:

式中:C為容水系數(shù);Se為飽和度;S為儲水系數(shù);p為滲透壓力;ks為飽和透水系數(shù);kr為相對滲透系數(shù);μ為運動黏性系數(shù);ρ為水的密度;g為重力加速度;D為擴(kuò)散率;F為源匯項。

降雨的入滲同時滿足達(dá)西定律:

式中:v為滲透速度。

在有效應(yīng)力原理的基礎(chǔ)上聯(lián)立固體顆粒運動連續(xù)性方程,即可得到降雨入滲條件下的流固耦合模型[12]:

式中:θ為體積含水率;βw為孔隙流體壓縮系數(shù);βs為骨架壓縮系數(shù)。

抗剪強(qiáng)度準(zhǔn)則采用非飽和土抗剪強(qiáng)度的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?

表1 順層邊坡各巖土體計算參數(shù)

式中:c′為有效黏聚力;φ′為有效內(nèi)摩擦角;ua為孔隙氣壓力;uw為孔隙水壓力;σ為正應(yīng)力;θr為殘余體積含水率;θs為飽和體積含水率。

由于研究中邊坡潛在滑動面為沿軟弱層面的直線滑面,采用簡單條分法計算邊坡穩(wěn)定系數(shù):

式中:τfi為第i條土體抗剪強(qiáng)度;li為第i條底面長度;Wi為第i條土體自重;a為底滑面與水平面的夾角。

2.2 邊坡穩(wěn)定性分析評價

在持續(xù)降雨作用下,坡體內(nèi)巖土體含水量不斷升高,坡頂局部開始形成暫態(tài)飽和區(qū),暫態(tài)飽和區(qū)在不同降雨歷時條件下的分布情況如圖3所示。根據(jù)暫態(tài)飽和區(qū)的分布可知:降雨首先沿滲透系數(shù)較大的軟弱層面下滲,然后向周圍巖層擴(kuò)展,暫態(tài)飽和區(qū)面積也隨著降雨歷時的增長而不斷擴(kuò)大。

圖3 不同降雨歷時條件下的坡頂暫態(tài)飽和區(qū)分布

降雨引起了地下滲流場的變化,改變了順層邊坡原有的應(yīng)力狀態(tài),導(dǎo)致邊坡應(yīng)力重分布,圖4和圖5給出了順層邊坡在天然狀態(tài)和不同降雨歷時條件下的小主應(yīng)力分布,可以看出:天然狀況下邊坡淺表小主應(yīng)力小于50 kPa,在局部沿軟弱層面形成小主應(yīng)力較小的條帶;隨著降雨的進(jìn)行,邊坡淺表小主應(yīng)力逐漸減小,并在深部沿軟弱層面形成小主應(yīng)力較小的條帶,此種應(yīng)力狀態(tài)不利于邊坡穩(wěn)定,邊坡可能沿深部軟弱層面整體向下滑動。

圖4 天然狀況下順層邊坡小主應(yīng)力分布(單位:kPa)

圖5 順層邊坡在不同降雨歷時條件下的小主應(yīng)力分布(單位:kPa)

圖6給出了整個邊坡在不同降雨歷時條件下的穩(wěn)定系數(shù),表2給出了各滑弧在不同降雨歷時條件下對應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)。

由圖6可以看出:本順層邊坡的穩(wěn)定性明顯受降雨過程的影響,隨著降雨歷時的增長,邊坡的穩(wěn)定系數(shù)逐漸減小。在天然狀況下邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.154,處于基本穩(wěn)定狀態(tài);在降雨60 h后邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.027,處于欠穩(wěn)定狀態(tài);在降雨72 h后邊坡穩(wěn)定系數(shù)為0.998,處于不穩(wěn)定狀態(tài),有可能發(fā)生失穩(wěn)破壞。

由表2可以看出:隨著降雨歷時的增長,邊坡各滑弧對應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)逐漸減小;本順層邊坡最危險滑弧主要為深層滑弧,最可能發(fā)生深層滑動,所以在邊坡支護(hù)時要注意采取適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)深度。天然狀況下位于最下部的12號滑弧穩(wěn)定系數(shù)最小,為1.154,隨著降雨的進(jìn)行,所有滑弧對應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)均有所降低,但最危險滑弧在36h后上移至11號滑弧,但與12號滑弧穩(wěn)定系數(shù)差別不明顯。

通過對本鐵路路塹順層邊坡在降雨條件下的穩(wěn)定分析可知:在降雨入滲條件下,降雨主要沿滲透系數(shù)較大的軟弱夾層下滲,然后向周圍巖層擴(kuò)散,在坡頂局部形成暫態(tài)飽和區(qū),直接導(dǎo)致坡頂巖土體容重增大,軟弱夾層力學(xué)性質(zhì)降低;隨著降雨歷時的增長,暫態(tài)飽和區(qū)域面積不斷擴(kuò)大,邊坡深層沿軟弱層面小主應(yīng)力值逐漸降低,形成不利應(yīng)力狀態(tài),進(jìn)一步導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定系數(shù)降低,最終造成邊坡沿深層軟弱層面整體下滑。

表2 各滑弧在不同降雨歷時條件下的穩(wěn)定系數(shù)

圖6 順層邊坡在不同降雨歷時條件下的穩(wěn)定系數(shù)

3 結(jié) 論

a.在持續(xù)降雨作用下,降雨首先沿滲透系數(shù)較大的軟弱層面下滲,然后向周圍巖層擴(kuò)展,坡頂暫態(tài)飽和區(qū)面積不斷擴(kuò)大。

b.降雨導(dǎo)致邊坡應(yīng)力重分布,隨著降雨的進(jìn)行,邊坡淺表小主應(yīng)力逐漸減小,并在深部沿軟弱層面形成小主應(yīng)力較小的條帶,此種應(yīng)力狀態(tài)不利于邊坡穩(wěn)定。

c.降雨影響邊坡的穩(wěn)定性,隨著降雨歷時的增長,邊坡的穩(wěn)定系數(shù)逐漸減小。邊坡最可能發(fā)生深層滑動,在邊坡支護(hù)時要注意采取適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)深度。天然狀況下邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài),在降雨72 h后邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

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Stability analysis of bedded slopes under rainfall conditions

//XU Haitao1,LIANG Chao2(1.CREEC(Chongqing)Survey,Design＆Research Co.,Ltd.,Chongqing400023,China;2.Southwest Municipal Engineering Design and Research Institute of China,Chengdu610065,China)

In order to study the instability of the bedded slope of a railway cutting in raining conditions,a saturationinstauration theory was applied to develop the fluid-solid coupling model under rainfall infiltration conditions.The transient saturated zone and the stress field distribution of the bedded slope in different rainfall durations were obtained.The failure mechanism of bedded slope in continuous rainfall conditions was analyzed,and the corresponding safety factor was obtained.The results show that under continuous rainfall conditions,most rainfall infiltrates through the weak intercalated layer,and a transient saturated zone forms locally at the top of the slope.The weight of the rock and soil on the top of the slope increases,and the mechanical property of the weak intercalated layer decreases accordingly.The minor principal stress at the superficial layer of the slope reduces gradually and strips of small minor principal stress form along the deep of the weak intercalated layer,resulting in a decrease of the stability coefficients and the gliding down of the slope along the weak intercalated layer.

bedded slope;rainfall;stability analysis;railway cutting

10.3880/j.issn.10067647.2013.05.017

TU457

A

10067647(2013)05007304

20121015 編輯:熊水斌)

徐海濤(1976—),男,云南昆明人,高級工程師,主要從事鐵路、公路勘測設(shè)計工作。E-mail:xubei0915@gmail.com