降雨條件下土質邊坡的穩(wěn)定性分析

張 彪，何 翔，趙 青，包孟碟

(武漢工業(yè)學院土木工程與建筑學院，湖北武漢 430023)

滑坡災害發(fā)生的原因多，成因復雜，由于局部暴雨或長時間降雨引發(fā)的滑坡災害一直是分布最廣泛、最頻繁的滑坡災害，所以水對滑坡的作用非常重要。降雨入滲是隨時間、空間變化十分敏感的動態(tài)變化過程［1］。降雨的入滲量取決于降雨強度、降雨歷時、土體的入滲能力等諸多因素。當降雨強度小于土體的入滲能力時，實際入滲量取決于降雨強度，土體含水量的增幅隨著降雨強度的增大而增大，最后趨于穩(wěn)定;當降雨強度大于土體的入滲能力時，實際的入滲量由土體本身的入滲能力控制。降雨開始以后，土質邊坡首先在飽和區(qū)逸出點以上附近出現暫態(tài)飽和區(qū)，隨著降雨歷時的延長，暫態(tài)飽和區(qū)范圍不斷沿坡面擴展、延伸，逐漸在整個坡面形成一個由暫態(tài)飽和區(qū)構成的“飽和殼”，并隨著降雨過程的延續(xù)向邊坡內部擴展，影響范圍逐漸擴大，“飽和殼”也越來越厚。隨著降雨不斷入滲，坡體內的含水量增加，孔隙水壓力增大，進而邊坡的基質吸力降低，土體的抗剪強度降低，從而導致邊坡的穩(wěn)定性降低［2］。目前，國內外學者對降雨入滲影響下邊坡穩(wěn)定性進行了廣泛研究。Gofar N等［3］對降雨條件下滑坡的瞬態(tài)滲流與邊坡穩(wěn)定性做了一系列研究。原華等［4］在上海地鐵10號線的基礎上，對降水對軟黏土滲流特性影響進行了試驗。劉漢東等［5］研究了滑坡體在降雨條件下的穩(wěn)定性。但基本上都是在建立飽和土假設的基礎上，而傳統(tǒng)的飽和土滲流及穩(wěn)定性分析方法無法準確描述降雨過程中滑坡體內暫態(tài)飽和區(qū)的動態(tài)變化及其對滑坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

本文擬從非飽和土的滲流和抗剪強度理論出發(fā)，運用ABAQUS有限元軟件，研究降雨入滲作用下土質邊坡的穩(wěn)定性。

1 非飽和滲流邊坡穩(wěn)定性分析

1.1 非飽和土的抗剪強度

1977年，加拿大Saskatchewan大學的 Morgenstern和Fredlund教授建議用2個獨立變量(σua)，(ua－uw)建立抗剪強度表達式。Fredlund認為，非飽和土的抗剪強度由3個部分組成，即有效凝聚力c'，凈法向應力(σ－ua)引起的強度，基質吸力(ua－ uw)對強度的貢獻等。1978 年，Fredlund［6－7］提出了非飽和土的抗剪強度公式，其中凈法向應力引起的強度與有效內摩擦角φ有關，而基質吸力引起的強度與φb有關。

式中:τ為土體的抗剪強度;c'為有效黏聚力;σ為作用在破壞面上的總法向應力;ua為孔隙氣壓力，(σ－ua)為作用于破壞面上的凈法向應力;uw為孔隙水壓力，(ua－uw)為基質吸力;φ為有效內摩擦角，φb為隨吸力變化的內摩擦角。

1.2 邊坡穩(wěn)定的強度折減法

強度折減系數概念最早由Ziekniewicz等［8］在土工彈塑性有限元數值分析中提出。抗剪強度折減系數定義為:在外荷載保持不變的情況下，邊坡內土體所能提供的最大抗剪強度與外荷載在邊坡內所產生的實際剪應力之比，稱為強度儲備安全系數.根據上述強度折減系數的定義，即可獲得邊坡的整體穩(wěn)定安全系數折減后的抗剪強度參數可分別表達為:

式中:c和φ為土體能夠提供的抗剪強度，c'和φ'為維持平衡所需要的土體實際發(fā)揮的抗剪強度，F為抗剪強度折減系數或強度儲備系數。

2 工程實例分析

2.1 工程概況

土地垇滑坡位于四川省屏山縣新市鎮(zhèn)，金沙江支流中都河出口段右岸，距壩址70.4 km。該滑坡順坡分布長約320 m，橫坡向寬340 m，平面面積約10×104m2，滑坡堆積體平均厚度約30 m，體積約300×104m3?；掳l(fā)育于侏羅系沙溪廟組(J2s)地層中，巖性為紫紅色薄層狀泥巖、泥質粉砂巖夾細砂巖，基巖邊坡呈緩傾外的順向坡結構，從區(qū)內崩坡積物和階地堆積物的分布情況分析，該滑坡系一崩坡堆積物和階地堆積物的滑坡，滑坡組成物質主要為砂質粘土夾碎石和少量塊石。

2.2 計算模型及參數選取

以邊坡的實際地質條件為依據，利用ABAQUS有限元軟件，建立滑坡數值模型，并劃分網格，模型如圖1所示，共計單元總數為47 410個，網格節(jié)點總計43 350個。在進行數值分析時，滑坡在降雨變化條件下，滲流的邊界條件如下:① 流量邊界:斜坡表面取降雨引起入滲的流量邊界，當降雨強度大于坡面土體的入滲速度時，將土體的入滲速度值作為邊界流量值;當降雨強度小于坡面土體的入滲速度時，將降雨強度值作為邊界流量值。②兩側和底部滲流邊界:模型底面和兩側為自由滲流邊界，由于基巖的滲透性很弱，因此可認為是不透水邊界。

根據工程類比，獲得本次計算滑坡土體物理力學參數見表1。

圖1 土地垇滑坡模型

表1 滑坡體物理力學參數

2.3 計算結果及分析

記錄最近兩年屏山縣新市鎮(zhèn)的降雨量，該地區(qū)月最大降雨量約為304 mm(2011年7月)、最小降雨量為0 mm(2011年12月和2012年1月)，日最大降雨量為94.7 mm(2012年8月19日);從總體趨勢上看，該地區(qū)的降雨主要集中在每年的4—9月，約占全年降雨量的85%左右，最大降雨量出現在每年的7、8月份。鑒于此降雨量分布趨勢，取日最大降雨量為94.7 mm(2012年8月19日)為研究前提，分析在此極限降雨條件下土地垇滑坡的穩(wěn)定性，表2給出了不同工況及在該研究條件下采用強度折減法得到的滑坡體的安全系數。圖2分別給出了在不同暴雨條件下土地垇滑坡滑坡體地下水位線的變化及水壓力分布。

表2 暴雨條件下土地垇滑剖面安全系數表

圖2 在不同工況(a－f)條件下土地垇滑坡地下水位的變化及水壓力分布

由表2可得，在不考慮基質吸力情況下的安全系數降低幅度比考慮基質吸力情況下的降低幅度要偏小，這是因為在暴雨工況下非飽和土的比例隨著降雨持續(xù)在逐步減少，基質吸力的貢獻因此也在逐漸減少。由圖2可知:在2 h降雨量為94.7 mm(a圖)時，在非飽和區(qū)域中，降雨開始以后，土質邊坡首先在飽和區(qū)逸出點以上附近出現暫態(tài)飽和區(qū)，隨著降雨歷時的延長，暫態(tài)飽和區(qū)范圍不斷沿坡面擴展、延伸，沿著坡面中下部的暫態(tài)飽和區(qū)比較明顯，并隨著降雨過程的延續(xù)向邊坡內部擴展，影響范圍逐漸擴大，逐漸在坡面形成一個由暫態(tài)飽和區(qū)構成的“飽和殼”;由圖2(b－f)中可以看出，隨著降雨強度的降低，非飽和區(qū)的暫態(tài)飽和區(qū)域相應的減少，而且暫態(tài)飽和區(qū)的孔隙水壓力對應降低，進而相對a圖的基質吸力有所增加，增強了土體的抗剪強度，提高了邊坡的穩(wěn)定性。由圖2可以看到，單位時間的降雨量越大，滑坡坡面的浸潤線變化越明顯。由表2可知:當暴雨降雨量為94.7 mm，滑坡的安全系數隨著降雨強度的增加而減小，不考慮基質吸力的影響，當暴雨降雨時間為2 h滑坡的安全系數約為1.002，當暴雨降雨時間為24h滑坡的安全系數上升約為1.100;考慮基質吸力的影響，2 h滑坡的安全系數為 1.005，24 h 的安全系數為 1.205.

3 結論

運用非飽和滲流理論，研究邊坡在不同降雨強度條件下坡體內的地下水位變化和水壓力分布，以及非飽和區(qū)的暫態(tài)飽和區(qū)的形成機理和變化情況，進而影響基質吸力的變化，采用強度折減法對非飽和滲流的邊坡穩(wěn)定性進行分析，得出如下結論。

3.1 降雨入滲使得土質邊坡首先在飽和區(qū)逸出點以上附近出現暫態(tài)飽和區(qū)，而且暫態(tài)飽和區(qū)的區(qū)域越來越大，飽和區(qū)的厚度也在增加;在不同的降雨強度條件下，暫態(tài)飽和區(qū)的區(qū)域和向邊坡內部擴展的厚度也有所不同，降雨強度越大，暫態(tài)飽和區(qū)的區(qū)域和厚度也就越大，對應的降雨強度相對較小的時候，暫態(tài)飽和區(qū)的區(qū)域和厚度就就較小，對應的安全系數相對就越高，邊坡就越相對安全。

3.2 在暴雨工況下，隨著降雨時間的持續(xù)，單位時間的降雨量越大，滑坡體內的浸潤線變化越明顯，基質吸力對穩(wěn)定性影響比較大;在考慮基質吸力情況下的安全系數降低幅度比不考慮基質吸力情況下的降低幅度要略微偏大。

3.3 在降雨量恒定情況下，滑坡的安全系數隨著降雨強度的增加而減小;不考慮基質吸力的影響時，降雨強度從 94.7 mm/24 h 升至94.7 mm/2 h，邊坡的安全系數從1.100降到1.002;考慮基質吸力的影響時，降雨強度從 94.7 mm/24 h升至 94.7 mm/2 h，邊坡的安全系數從1.205 降到1.005。

3.4 在對邊坡進行加固和治理時應充分重視邊坡的排水，盡量使邊坡處于較干燥的狀態(tài)，以更利于邊坡的長期穩(wěn)定。

［1］徐光明，王國利.雨水入滲與膨脹性土邊坡穩(wěn)定性試驗研究［J］.巖土工程學報，2006，28(2):270－273.

［2］田仕明，董羽蕙.邊坡在降雨條件下的穩(wěn)定性分析［J］.科學技術與工程，2010，10(24):6079－6083.

［3］Gofar N，Lee M L，Asof M.Transient seepage and slope stability analysis for rainfall induced landslide:A case study［J］.Malaysian Journal of Civil Engineering，2010(18):1 －13.

［4］原華，張建偉.降水對軟黏土滲流特性影響的試驗研究［J］.河南大學學報，2012，42(2):208－211.

［5］劉漢東，黨燦，劉順.滑坡體在降雨條件下的穩(wěn)定性分析［J］.人民黃河，2012，34(3):65 －67.

［6］Alonso E，Gens A，Lioret A，et al.Effect of rain infiltration On the stability of slopes［J］.Unsaturated Soils，1995(1):241 －249.

［7］Fredlund D G，Morgenstern N R，Widger R A.The shear strength of unsaturated soils［J］.Canadian Geotechnical Journal，1978，15(3):313－321.

［8］Zienkiewz O C，Humphes C，Lewis R W.Associated and non－associated visco－plasticity in soil mechanics［J］.Geotechnique，1975，25(4):671－689.