考慮降雨入滲影響的邊坡穩(wěn)定分析

朱 亭，謝安勇

(九江市公路管理局永修分局)

1 影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素

影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素是邊坡中的滲透水壓力和滲透場(chǎng)分布，最具有破壞邊坡穩(wěn)定性的莫過(guò)于歷時(shí)長(zhǎng)、強(qiáng)度大的暴雨。最近些年來(lái)，由于降雨導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性的破壞越來(lái)越多，備受學(xué)者們的關(guān)注，他們研究的重點(diǎn)是對(duì)非飽和土土力學(xué)，對(duì)于非飽和土的力學(xué)性質(zhì)影響特別大的就是由于土中氣相的存在引起的，土、水和氣三相交界面上的吸力，這是一項(xiàng)十分復(fù)雜的性質(zhì)。目前我國(guó)在非飽和土的強(qiáng)度、變形問(wèn)題上面已經(jīng)有了初步的理論，但發(fā)展還不夠成熟。土在實(shí)際工程中我們見(jiàn)得最多的就是以土粒、孔隙水、孔隙氣形式存在，我們就是借用土—水特征曲線來(lái)測(cè)定和分析吸力，由于實(shí)際性狀跟經(jīng)典土力學(xué)原理不是完全的相符，這也是我們一個(gè)有待進(jìn)步的研究方向。對(duì)于滲流與應(yīng)力的相互作用如果不加以考慮就會(huì)帶來(lái)一定的誤差，同時(shí)如果不考慮地下水位非飽和區(qū)土體基質(zhì)吸力的抗剪強(qiáng)度得到的結(jié)果也會(huì)有很大的誤差。顯然，只有對(duì)降雨入滲過(guò)程有效的分析和模擬才能深入的研究公路邊坡性問(wèn)題。

2 根據(jù)飽和土力學(xué)理論的邊坡穩(wěn)定性剖析方式探究

飽和土體Mohr－Coufomb 強(qiáng)度準(zhǔn)則的基礎(chǔ)是極限平衡方法，分析土體所受力與內(nèi)部強(qiáng)度所提供的抗力在臨近破壞狀態(tài)下的平衡，著重于計(jì)算自身或結(jié)構(gòu)物作用下的穩(wěn)定性程度，他最大的優(yōu)點(diǎn)就是對(duì)土體破壞瞬間的變形機(jī)制，對(duì)于力矩平衡和應(yīng)力邊界有較為深刻的計(jì)算，不足之處在于對(duì)土體變形過(guò)程沒(méi)有關(guān)心。飽和土力學(xué)理論認(rèn)為降雨入滲是造成坡地內(nèi)地下水位上升的主要因素，邊坡穩(wěn)定性降低，甚至出現(xiàn)失穩(wěn)是由于靜水壓力增大，最開(kāi)始分析降雨過(guò)程中邊坡體內(nèi)的水壓力運(yùn)用的就是分段法以及基本拋物線法，后來(lái)隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，開(kāi)始使用飽和滲流模型來(lái)模擬降雨作用下邊坡體內(nèi)的滲流場(chǎng)。

3 根據(jù)非飽和土力學(xué)理論的邊坡穩(wěn)定性剖析方式探究

在雨水達(dá)到淺水面的時(shí)候經(jīng)歷了一個(gè)非飽和到飽和過(guò)程的滲流過(guò)程，降雨前研究土體處于非飽和狀態(tài)的物理性質(zhì)在邊坡穩(wěn)定性降低甚至失穩(wěn)中起著至關(guān)重要的作用，隨著土體力學(xué)的不斷發(fā)展，降雨影響邊坡穩(wěn)定性提供了一些新的理論基礎(chǔ)。邊坡中處于非飽和狀況的土體物理!力學(xué)性質(zhì)，在降雨入滲過(guò)程當(dāng)中的轉(zhuǎn)變(見(jiàn)表1)。

表1 幾種土體的非飽和抗剪強(qiáng)度

4 降雨作用下的邊坡穩(wěn)定分析方法

極限平衡分析方法是工程中應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定分析最常用的方法，飽和土的有效應(yīng)力是傳統(tǒng)極限平衡分析法的基礎(chǔ)，在計(jì)算邊坡的安全系數(shù)的時(shí)候就是采用有效抗剪強(qiáng)度參數(shù)，其中不考慮地下水位以上非飽和區(qū)土體壓力水頭提供的抗剪強(qiáng)度，其中在考慮降水時(shí)邊坡穩(wěn)定，最主要的是考慮土體抗剪強(qiáng)度的降低，然而土體抗剪強(qiáng)度的降低主要是因?yàn)榻涤耆霛B坡體內(nèi)部浸潤(rùn)面抬高，土體飽和容重增加。其不足之處就是沒(méi)有考慮負(fù)壓區(qū)抗剪參數(shù)的降低和非飽和區(qū)土體的抗滑作用。人們?cè)诓粩鄬?shí)踐的過(guò)程中也不斷的進(jìn)行一些有益的探索和改進(jìn)，特別是加拿大學(xué)者Fredlund，他在非飽和土的研究方面做出了巨大的貢獻(xiàn)，在模擬暫態(tài)滲流過(guò)程運(yùn)用有限元法，且運(yùn)用參數(shù)研究邊坡的穩(wěn)定性，在研究中加入了正負(fù)孔隙水壓力，分析暴雨入滲下邊坡的瞬態(tài)滲流場(chǎng)和穩(wěn)定性，得到的結(jié)果就是安全系數(shù)顯著降低的原因是高強(qiáng)度的降雨，而滲透系數(shù)對(duì)其影響不大，結(jié)果表明在邊坡穩(wěn)定性中基質(zhì)吸力起著舉足輕重的作用。

5 兩相流—應(yīng)力耦合方法

溫度和壓力函數(shù)的情況就是顆?？蓧嚎s、孔隙流體的密度，其就是在兩相流不混溶流體的理論的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出兩相流—應(yīng)力耦合模型，運(yùn)用Galerkin 經(jīng)驗(yàn)公式實(shí)現(xiàn)兩相流計(jì)算，通過(guò)各控制方程在空間域和實(shí)踐域離散，逐漸的開(kāi)發(fā)相應(yīng)的有限元程序，通過(guò)其算例的數(shù)值模擬可以較為準(zhǔn)確的反映非飽和土的溫度與壓力變化時(shí)飽和度的規(guī)律，其相對(duì)滲透率與飽和度Sv 有關(guān)。如圖1 所示:

圖1

式中，a、b、c 為常量;Se 為有效飽和度，與水相殘余飽和度有關(guān)。毛細(xì)壓力定律表達(dá)式為:

式中:P0為水的重度;R 為表面張力;k 為固有滲透率;n 為孔隙率。水的重度P0與表面張力R、固有滲透率k、孔隙率n相關(guān)，如圖2 所示。

圖2

通過(guò)改變有效應(yīng)力導(dǎo)致應(yīng)變，耦合任何嵌入的本構(gòu)模型與兩相流滲流來(lái)模擬此效果多孔固體的本構(gòu)反應(yīng)增量有如下形式

式中:H 為本構(gòu)公式的泛函形式;k 為過(guò)程參數(shù)。由式中可以看出孔隙壓力和飽和度的變化是由體積變化所引起的，數(shù)值的計(jì)算中，結(jié)合附加耦合效應(yīng)與飽和度增量顯式方程，更新每一個(gè)計(jì)算過(guò)程的結(jié)點(diǎn)，準(zhǔn)確的計(jì)算出流固耦合。

6 模型參數(shù)選取

選取云南高速公路具有代表性的殘積土邊坡的土體參數(shù)的推薦值，采取van Genuchten 公式插值替代水O 土特征曲線和滲透性函數(shù)插值方式，相干計(jì)算參數(shù)如表2 所示。土體初始飽和度設(shè)為假定殘余飽和度為0)，氣相的滲透系數(shù)通過(guò)式(2)，由水相的飽和滲透系數(shù)計(jì)算得到。

表2 邊坡土體參數(shù)選取表

參照貴州地區(qū)氣象條件，以及與我國(guó)的氣象部門(mén)采用的降雨強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，在實(shí)驗(yàn)中我們假設(shè)3 種情況的降雨強(qiáng)度，第一種是強(qiáng)度為100 mm/d，第二種降雨強(qiáng)度為200 mm/d，第三種雨強(qiáng)度為300 mm/d。

圖3 空隙壓力云圖

圖3 中可以看出，4m 以上的區(qū)域?yàn)槊?xì)水不能達(dá)到的區(qū)域，該區(qū)域必須保持初始的飽和度恒定孔隙水的壓力值。大雨時(shí)，持時(shí)的增加導(dǎo)致孔隙水壓力和幅度增加。坡腳處孔隙水壓力增加較快，壓力會(huì)超過(guò)右側(cè)壓力，孔壓的區(qū)域變得很小。

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［2］吳為義.盾構(gòu)隧道周圍地下管線的性狀研究［D］.杭州:浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，2008.

［3］吳小剛，張土喬，宋潔人，等.參變管道系統(tǒng)在隨機(jī)交通載荷下響應(yīng)特征分析［J］.中南公路工程，2006，31(2):58－61.