降雨入滲條件下邊坡穩(wěn)定性分析

王立中

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 天津 300142)

降雨入滲條件下邊坡穩(wěn)定性分析

王立中

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 天津 300142)

基于非飽和土力學(xué)理論，利用有限元方法對(duì)降雨條件下邊坡的飽和-非飽和滲流及穩(wěn)定性進(jìn)行探討。數(shù)值分析表明，雨水入滲使邊坡非飽和區(qū)土體的基質(zhì)吸力減小，是導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性降低的主要因素。

降雨入滲 滲流場(chǎng) 孔隙水壓力 邊坡穩(wěn)定性

降雨入滲邊坡一方面使土體的孔隙水壓力增加，有效應(yīng)力降低，導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度降低[1，2]；另一方面，降雨入滲使邊坡體內(nèi)形成暫態(tài)飽和區(qū)及暫態(tài)水壓力，降低了邊坡非飽和區(qū)的基質(zhì)吸力，導(dǎo)致邊坡的穩(wěn)定性降低[3]。在降雨條件下，對(duì)邊坡的滲流規(guī)律進(jìn)行研究，通過(guò)數(shù)值軟件分析，確定土體內(nèi)水分的分布情況和孔隙水壓力的變化規(guī)律。最后，對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 基本理論

1.1 降雨入滲引起的暫態(tài)滲流場(chǎng)和強(qiáng)度場(chǎng)

根據(jù)水動(dòng)力學(xué)理論可知，水在非飽和土中的滲流也服從達(dá)西定律，但非飽和土的滲流系數(shù)k不是常量，而是飽和度或基質(zhì)吸力的函數(shù)，該函數(shù)常被稱(chēng)為滲透性函數(shù)。在土坡穩(wěn)定性分析中，當(dāng)?shù)叵滤宦癫剌^淺時(shí)，非飽和區(qū)土壤水運(yùn)動(dòng)和飽和區(qū)地下水的運(yùn)動(dòng)是互相聯(lián)系的，滲流分析中應(yīng)將兩者統(tǒng)一進(jìn)行研究，即所謂飽和、非飽和流動(dòng)問(wèn)題。對(duì)于考慮滲透各向異性的二維飽和、非飽和流動(dòng)問(wèn)題[4]，非穩(wěn)態(tài)滲流的偏微分方程式為

(1)

其中kx，ky分別為x和y方向的大、小滲透系數(shù)；mω為水的體積變化系數(shù)；γω為水的容重，對(duì)于各向同性的土，只要令式中kx=ky=k(ua-uω)即可。在飽和區(qū)，水的滲透系數(shù)等于飽和的滲透系數(shù)ks，水的體積變化系數(shù)mω便趨于水的體積變化系數(shù)mv；在非飽和區(qū)，水的滲透系數(shù)k=k(ua-uω)，即為基質(zhì)吸力的函數(shù)。

通過(guò)求解式(1)，即可得到坡體內(nèi)的滲流場(chǎng)，采用GEO—SLOPE公司的Seep/W軟件對(duì)式(1)進(jìn)行有限單元法求解。邊界條件定義為：當(dāng)降雨強(qiáng)度大于體滲透系數(shù)時(shí)，采用定水頭邊界條件；反之，采用流量邊界條件。

文獻(xiàn)[5]認(rèn)為，非飽和土的抗剪強(qiáng)度由有效粘聚力c′、凈法向應(yīng)力(σ-σa)引起的強(qiáng)度以及基質(zhì)吸力(ua-uω)引起的強(qiáng)度組成。凈法向應(yīng)力引起的強(qiáng)度與有效內(nèi)摩擦角有關(guān)，而基質(zhì)吸力引起的強(qiáng)度與另一角度φb有關(guān)。即

(2)

式中c′,φ′為有效黏聚力和有效內(nèi)摩擦角；φb為強(qiáng)度隨基質(zhì)吸力變化的內(nèi)摩擦角。大量試驗(yàn)表明，φb隨著基質(zhì)吸力的變化而變化。

1.2 考慮降雨入滲的邊坡穩(wěn)定性分析

降雨入滲是邊坡失穩(wěn)破壞的主要誘導(dǎo)因素，降雨引起土體的含水量增大，使邊坡土體的基質(zhì)吸力減小，孔隙水壓力增大[6]。含水量增大使土體的抗剪強(qiáng)度減小[7，8]，導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性降低。對(duì)土質(zhì)邊坡來(lái)說(shuō)，黏聚力隨含水量的增大迅速降低，邊坡很有可能因此而失穩(wěn)。

在考慮降雨入滲的邊坡穩(wěn)定性分析時(shí)，先通過(guò)滲流有限元計(jì)算得到土坡內(nèi)的含水量和孔隙水壓力的分布情況，再用有限單元法求得土質(zhì)邊坡內(nèi)重力場(chǎng)的變化情況，最后運(yùn)用條分法進(jìn)行安全系數(shù)計(jì)算.并采用網(wǎng)格法搜索最危險(xiǎn)滑移面[9，10]。

2 數(shù)值模擬

2.1 邊坡模型的建立和降雨方案的設(shè)置

現(xiàn)以一典型邊坡為例，分析暴雨條件下滲流的發(fā)展過(guò)程及其對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。邊坡計(jì)算剖面如圖1所示。γ=19.2 kN/m3，有效黏聚力c′=24.3 kPa，有效內(nèi)摩擦角φ′=23.8°。降雨前坡腳右側(cè)地下水水位埋深為10 m，邊坡坡體內(nèi)初始孔隙水壓力場(chǎng)分布如圖2所示。飽和情況下的滲流系數(shù)取kx=ky=5.1×10-5m/s，滲流計(jì)算時(shí)，降雨強(qiáng)度取2.3×10-5m/s。

圖1 算例邊坡計(jì)算模型(單位：m)

圖2 初始孔隙水壓力分布(單位：kPa)

圖3表達(dá)了降雨2天后邊坡坡體內(nèi)孔隙水壓力的分布情況。

圖3 降雨2天后坡體內(nèi)孔隙水壓力分布情況(單位：kPa)

邊坡的安全系數(shù)(Janbu法)與降雨歷時(shí)的變化關(guān)系如4圖所示。

圖4 邊坡安全系數(shù)與降雨歷時(shí)的關(guān)系

從圖4可以看出，隨著降雨歷時(shí)的增加，邊坡的安全系數(shù)急劇減少，并在坡體基本達(dá)到飽和后趨于一穩(wěn)定值，由于雨水入滲引起邊坡安全系數(shù)降低的最大幅度達(dá)34.2%。隨著降雨強(qiáng)度的減弱，滲流速度大于下滲強(qiáng)度，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)又隨著孔隙水的流出而升高。雨水入滲使邊坡體內(nèi)形成暫態(tài)飽和區(qū)及暫態(tài)水壓力，降低了邊坡非飽和區(qū)的基質(zhì)吸力，使土體的抗剪強(qiáng)度減小，從而導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性降低。

3 結(jié)論

基于非飽和土力學(xué)理論，利用有限元對(duì)降雨入滲情況下坡體的滲流及穩(wěn)定性進(jìn)行了探討，數(shù)值分析表明：

①降雨入滲邊坡非飽和區(qū)土體，使土體的基質(zhì)吸力減小。

②基質(zhì)吸力減小使土體的內(nèi)摩擦角φb也隨之減小，所以基質(zhì)吸力減小是邊坡的穩(wěn)定性降低的主要因素。

[1] 王曉東，吳連海.強(qiáng)度折減有限元在降雨條件下土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用[J].鐵道勘察，2012，38(6):47-50

[2] 龐根旺.降雨條件下邊坡穩(wěn)定性分析[J].工程與建設(shè)，2010，24(5):655-657

[3] 黃潤(rùn)秋，戚國(guó)慶.非飽和滲流基質(zhì)吸力對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2002，10(4):343-347

[4] 袁科.庫(kù)水位等速下降時(shí)岸坡地下水浸潤(rùn)線的計(jì)算[J].鐵道勘察，2011，37(3):58-62

[5] 劉金龍，欒茂田，王吉利，等.降雨條件下突破飽和-非飽和滲流及穩(wěn)定性分析[J].巖土力學(xué)，2006，27:103-107．

[6] 曾田，吳逢春，張曉春.降雨條件下邊坡穩(wěn)定性分析[J]，中外公路，2008，28(4):40-42

[7] 陳祖煜.土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析——原理-方法-程序[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2003

[8] 陳守義.考慮入滲和蒸發(fā)影響的土坡穩(wěn)定性分析方法[J].巖土力學(xué)，1997，18(2)：8-12

[9] 陳善雄，陳守義.考慮降雨的非飽和土邊坡穩(wěn)定性分析方法[J].巖土力學(xué)，2001，22(4) :448-450

[10] 劉瑩瑩，李勇，方詩(shī)圣.考慮降雨入滲的膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析[J].工程與建設(shè)，2008，22(2):232-234

StabilityAnalysisofSlopeunderRainfallInfiltration

WANG Lizhong

2013-11-26

王立中(1984—)，男，2008年畢業(yè)于中南大學(xué)道路與鐵道工程專(zhuān)業(yè)，碩士，工程師，E-mail：bajinren4@163.com。

1672-7479(2014)01-0042-02

P642

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