王百升,倪萬(wàn)魁,郭葉霞
(長(zhǎng)安大學(xué) 地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院, 陜西 西安 710054)
多種因素作用下非飽和黃土邊坡穩(wěn)定性分析
王百升,倪萬(wàn)魁,郭葉霞
(長(zhǎng)安大學(xué) 地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院, 陜西 西安 710054)
通過(guò)擬靜力法和Mogernstern-Price法結(jié)合計(jì)算地震工況下邊坡的安全系數(shù)??紤]非飽和土基質(zhì)吸力和滲透系數(shù)函數(shù),運(yùn)用SEEP/W模塊計(jì)算降雨入滲時(shí)土體的孔隙水壓力變化,并耦合SLOPE/W模塊進(jìn)行降雨工況和降雨地震耦合工況下的安全系數(shù)的計(jì)算。分析結(jié)果表明黃土邊坡安全系數(shù)對(duì)水平地震荷載和坡度的變化更加敏感。降雨入滲條件下邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)隨降雨強(qiáng)度的增大先減小后緩慢增加。對(duì)歸一化的曲線圖進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn),降雨量相同情況下水平地震荷載在0g~0.3g,坡度在15°~45°,擬靜力法分析結(jié)果安全系數(shù)對(duì)坡度和地震的敏感性十分接近,且隨坡度和水平地震荷載的變化趨勢(shì)相同。
邊坡穩(wěn)定性;非飽和;降雨;地震荷載;坡度
黃土高原地區(qū)為強(qiáng)震多發(fā)區(qū)域,已有的震害表明,黃土在中強(qiáng)地震作用下容易發(fā)生滑坡、液化、震陷、堰塞湖等地震地質(zhì)災(zāi)害,危害極大。歷史上在黃土高原及其周邊地區(qū)發(fā)生的7次8級(jí)及8級(jí)以上的特大地震在其Ⅷ度以上的烈度區(qū)內(nèi)形成了區(qū)域性極其嚴(yán)重的地震地質(zhì)災(zāi)害,并且通常在Ⅵ度烈度區(qū)內(nèi)即可觀察到小規(guī)模的黃土地震地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象[1]。劉憲鋒等[2]在研究黃土高原地區(qū)降水集中度和集中區(qū)的時(shí)空變化特征時(shí)發(fā)現(xiàn),該地區(qū)降水量空間差異十分明顯,年降水量在50 mm~850 mm,空間上從東南向西北逐漸減少。該地區(qū)的降水多集中在7月中下旬,且降水量較少的西北部地區(qū)的降雨年際變化較大,經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)該區(qū)大部分地區(qū)的降水集中期與年降雨量的相關(guān)性并不顯著,因此年降雨量越多,降水越集中。
該區(qū)的馬蘭黃土常處于非飽和狀態(tài),深刻認(rèn)識(shí)非飽和黃土的工程特性,對(duì)黃土地區(qū)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有十分重要的意義,研究非飽和黃土的工程性質(zhì)須考慮基質(zhì)吸力的作用,這已成為巖土工程界專(zhuān)家學(xué)者的共識(shí)[3]。黃土具有水敏性和動(dòng)力易損性,所以地震與降雨之間的耦合作用也應(yīng)予以關(guān)注[4]。
本文以隴東晚更新世黃土為研究對(duì)象,物理力學(xué)參數(shù)值見(jiàn)表1,土水特征曲線如圖1所示,根據(jù)Fredlund D G等[5]提出的方法預(yù)測(cè)的滲透系數(shù)曲線如圖2所示。
表1 黃土物理力學(xué)參數(shù)
注:表中參數(shù)值根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和參考文獻(xiàn)[6~9]得出。
圖1土水特征曲線[6]
經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),黃土地區(qū)的邊坡在中間的過(guò)渡坡高段,邊坡失效概率比低坡和高坡都大,過(guò)渡坡高多在50 m左右[10]。并且根據(jù)已有文獻(xiàn)[11-12]研究發(fā)現(xiàn),黃土地區(qū)多數(shù)滑坡發(fā)生坡度在30°~45°。黃土地震滑坡發(fā)生的優(yōu)勢(shì)滑坡坡角為10°~35°[13]。降雨直接入滲引起的黃土表層滑坡多發(fā)生在30°~50°的黃土斜坡上[14]。故本次建立坡高為50 m的黃土高坡,坡度分別為15°、25°、35°、45°,地震峰值加速度分別為0.1g、0.2g、0.3g,降雨總量為200 mm,降雨強(qiáng)度分別為50 mm/d、100 mm/d、200 mm/d;并進(jìn)行坡高固定,變坡度、變地震荷載、變降雨強(qiáng)度情況下的黃土邊坡穩(wěn)定性分析。
圖2滲透系數(shù)曲線
邊坡地震穩(wěn)定性的分析方法也有多種,如瑞典法、Bishop法、Janbu法、Mogernstern-Price法等[15]。本文采用SEEP/W進(jìn)行不同降雨強(qiáng)度下坡體的孔隙水壓力和非飽和滲流分析,并耦合SLOPE/W模塊采用擬靜力法,結(jié)合Mogernstern-Price法進(jìn)行地震和降雨作用下邊坡穩(wěn)定性分析,計(jì)算非飽和土強(qiáng)度選用如下表達(dá)式[16]:
τf=c′+(σn-ua)tanφ′+(ua-uw)tanφb
(1)
式中:c′、φ′分別為黃土的有效黏聚力和內(nèi)摩擦角;(ua-uw)為非飽和土基質(zhì)吸力;σn為剪切面上的總正應(yīng)力;ua為空隙氣壓力;φb為相對(duì)基質(zhì)吸力變化的剪切強(qiáng)度,本文取φb=0.5φ′[17]進(jìn)行計(jì)算分析。
不同工況下分析計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2~表5。
表2 坡度15°不同工況安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果表
表3 坡度25°不同工況安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果表
表4 坡度35°不同工況安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果表
表5 坡度45°不同工況安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果表
由表2~表5中的計(jì)算結(jié)果可知,坡度和降雨量相同時(shí),在邊坡的臨空面方向上的水平地震荷載作用下,邊坡的下滑力顯著增加,抗滑力顯著減小,因此相同坡度和降雨量時(shí)邊坡的安全系數(shù)隨水平地震荷載的增加而迅速減?。?由圖2滲透系數(shù)曲線可知,土體處于非飽和狀態(tài)時(shí),滲透系數(shù)隨含水率的增加而減小,隨著降雨入滲,表層坡體的含水率逐漸增加,滲透系數(shù)逐漸增加。因此,在降雨量相同的情況下,降雨強(qiáng)度較小時(shí),入滲的雨量大,降雨強(qiáng)度大時(shí),由于滲透系數(shù)小于降雨強(qiáng)度,在坡體表面會(huì)形成水膜,多余的降水順坡體表面流向坡腳形成徑流。降雨入滲的水量越大,降雨入滲影響范圍內(nèi)的土體含水率越大,在土體重度增加的同時(shí),基質(zhì)吸力隨之減小。因此在坡度和地震荷載相同時(shí),降雨入滲條件下邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)隨降雨強(qiáng)度的增大先減小后緩慢增加。分析表2~表5可知,黃土邊坡對(duì)地震作用的響應(yīng)更加劇烈。
對(duì)表2~表5中的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選,選取降雨量為50 mm/d的相應(yīng)安全系數(shù),并將坡度進(jìn)行歸一化處理,作不同地震荷載下的安全系數(shù)曲線;將水平地震荷載進(jìn)行歸一化處理,作不同坡度下的安全系數(shù)曲線,如圖3所示。對(duì)歸一化的曲線圖進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn),降雨量相同情況下水平地震荷載在0g~0.3g,坡度在15°~45°,擬靜力法分析結(jié)果安全系數(shù)對(duì)坡度和地震的敏感性十分接近,且隨坡度和水平地震荷載的變化趨勢(shì)相同。
圖3總降雨量200 mm,降雨強(qiáng)度為50 mm/d安全系數(shù)曲線
地震荷載和降雨強(qiáng)度相同的情況下邊坡的穩(wěn)定性隨坡度的增加而迅速降低,由表6可知。坡度增加的同時(shí),邊坡臨空面的面積變小,降雨入滲量隨邊坡坡度的增加而減少,因此隨坡度的增加降雨量對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響程度變化不大。在降雨量相同的前提下,安全系數(shù)隨降雨強(qiáng)度的增大呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì),與工程實(shí)際相吻合。
表6 水平地震荷載0.2 g,雨強(qiáng)50 mm/d不同坡度邊坡穩(wěn)定性
分析結(jié)果表明,在坡度增加、降雨入滲量增加、地震荷載變大共同作用下,黃土邊坡的穩(wěn)定性快速降低,在水平地震荷載和坡度變大共同作用下黃土邊坡穩(wěn)定性降低更加明顯。坡度在25°以下,非飽和黃土邊坡在降雨入滲量增加、地震荷載作用下更不易失穩(wěn)。使用內(nèi)插法對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理發(fā)現(xiàn),邊坡坡度在28°以上時(shí)在0.3g地震荷載作用下安全系數(shù)小于1,隨著坡度的增加,黃土邊坡抵抗水平地震荷載的能力越來(lái)越弱。
(1) 坡度和降雨量相同時(shí),邊坡的安全系數(shù)隨水平地震荷載的增加而迅速減??;坡度和地震荷載相同時(shí),邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)隨降雨強(qiáng)度的增大先減小后緩慢增加。
(2) 降雨量和降雨強(qiáng)度相同情況下水平地震荷載在0g~0.3g,坡度在15°~45°,擬靜力法分析結(jié)果表明,安全系數(shù)對(duì)坡度和地震的敏感性十分接近,且安全系數(shù)隨坡度和水平地震荷載的變化趨勢(shì)相同。
(3) 在總降雨量相同的前提下,安全系數(shù)隨降雨強(qiáng)度的增大呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)。
[1] 王蘭民,孫軍杰.黃土高原城鎮(zhèn)建設(shè)中的地震安全問(wèn)題[J].地震工程與工程振動(dòng),2014,34(4):115-122.
[3] 黨進(jìn)謙,李 靖.非飽和黃土的強(qiáng)度特征[J].巖土工程學(xué)報(bào),1997,19(2):59-64.
[4] 田文通,孫軍杰,王蘭民,等.黃土動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)展與前緣科學(xué)問(wèn)題[J].巖土工程學(xué)報(bào),2015,37(11):2119-2127.
[5] Fredlund D G, Xing Anquing, Huang Shangyan. Predicting the permeability function for unsaturated soils using the soil-water characteristic curve[J]. Canadian Geotechnical Journal, 1994,31(4):533-546.
[6] 李 萍,李同錄,王 紅,等.非飽和黃土土-水特征曲線與滲透系數(shù)Childs & Collis-Geroge模型預(yù)測(cè)[J].巖土力學(xué),2013,34(S2):184-189.
[7] 李 萍,黃麗娟,李振江,等.甘肅黃土高邊坡可靠度研究[J].巖土力學(xué),2013,34(3):811-817.
[8] 劉怡林.甘肅省黃土地區(qū)高路堤、深路塹邊坡穩(wěn)定性研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2001.
[9] 宋亞亞,盧廷浩,季李通.應(yīng)力作用下非飽和土土-水特征曲線研究[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2012,10(6):147-150.
[10] 李 萍,張 波,李同錄.黃土高原邊坡特征與破壞規(guī)律的分區(qū)研究[J].地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報(bào),2012,34(3):89-98.
[11] 王念秦,張倬元.黃土滑坡災(zāi)害研究[M].蘭州:蘭州大學(xué)出版社,2004.
[12] 雷祥義.黃土高原地質(zhì)災(zāi)害與人類(lèi)活動(dòng)[M].北京:地質(zhì)出版社,2001.
[13] 陳永明,石玉成.中國(guó)西北黃土地區(qū)地震滑坡基本特征[J].地震研究,2006,29(3):276-280,318.
[14] 張茂省,李同錄.黃土滑坡誘發(fā)因素及其形成機(jī)理研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2011,19(4):530-540.
[15] 董曉紅,梁桂蘭,許忠厚.邊坡穩(wěn)定分析方法綜述及發(fā)展趨勢(shì)研究[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2012,10(5):100-102,106.
[16] Fredlund D G,楊 寧.非飽和土的力學(xué)性能與工程應(yīng)用[J].巖土工程學(xué)報(bào),1991,13(5):24-35.
[17] John Krahn. SLOPE/W Engineering Book[M]. Canada:GEO-SLOPE International,Ltd. 2008.
StabilityAnalysisofUnsaturatedLoessSlopeUnderVariousFactors
WANG Baisheng, NI Wankui, GUO Yexia
(CollegeofGeologyEngineergingandGeomatics,Chang'anUniversity,Xi'an,Shaanxi710054,China)
The safety coefficient of slope under seismic condition is calculated by the combination with pseudo-static method and Mogernstern-Price method. Considering the matric suction and permeability function of unsaturated soil, this paper calculate the variation of pore water pressure with soil infiltration by using Seep/w module, then the safety coefficient of slope under the coupling condition between rainfall and earthquake by the Slope/w module was calculated as well. The results indicate that the safety coefficient of loess slope is more sensitive to the variety of horizontal seismic load and slope angle. Under the condition of rainfall infiltration, the stability coefficient of slope increases first and then decreases slowly with the increase of rainfall intensity. By analyzing the normalized curve, it can be found that under the same rainfall condition, the horizontal seismic load is 0g~0.3g, and the slope is in the range of from 15 to 45 degrees, the analysis results of pseudo-static method show that the sensitivity of the safety coefficient to slope angle is very close to earthquake, and the variation tendency of the safety coefficient is the same as slope angle and the horizontal seismic load.
slopestability;unsaturated;rainfall;seismicload;slopeangle
10.3969/j.issn.1672-1144.2017.05.028
2017-05-27
2017-06-23
陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(2012KTDZD03-03)
王百升(1990—),男,河北承德人,碩士研究生,研究方向?yàn)閹r土體穩(wěn)定性。E-mail:991824329@qq.com
倪萬(wàn)魁(1965—),男,寧夏固原人,博士,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事邊坡穩(wěn)定性方面的研究工作。 E-mail:1326763493@qq.com
P642.22
A
1672—1144(2017)05—0159—04