降雨入滲非飽和花崗巖殘積土邊坡穩(wěn)定性分析

張淑寶

(漳州廈蓉高速擴(kuò)建工程有限公司 福建漳州 363000)

降雨入滲非飽和花崗巖殘積土邊坡穩(wěn)定性分析

張淑寶

(漳州廈蓉高速擴(kuò)建工程有限公司 福建漳州 363000)

針對(duì)福建地區(qū)典型邊坡，基于非飽和滲流理論以及非飽和土力學(xué)理論，分析降雨入滲條件下邊坡形態(tài)(高度、坡率)、物理力學(xué)參數(shù)(密度、有效黏聚力、有效內(nèi)摩擦角)等對(duì)邊坡滲流場(chǎng)與穩(wěn)定性的影響機(jī)理。結(jié)果表明：降雨對(duì)矮邊坡穩(wěn)定性的影響明顯更強(qiáng)。降雨過(guò)程中，天然含水量越大，邊坡安全系數(shù)下降越快。邊坡穩(wěn)定性隨土體有效粘聚力和有效內(nèi)摩擦角的增大而增大，變化率分別為0.0426/kPa、0.0319/°。粗粒土邊坡滑裂面基本為直線(xiàn)，易形成邊坡淺部失穩(wěn)。增大有效粘聚力降低有效內(nèi)摩擦角，邊坡滑裂面逐漸向邊坡深部發(fā)展，同時(shí)滑裂面的形狀逐漸由直線(xiàn)轉(zhuǎn)變?yōu)榍€(xiàn)型。

路基邊坡；降雨；非飽和滲流；力學(xué)響應(yīng)

0 引言

福建地區(qū)地處山區(qū)，素有“八山一水一分田”之稱(chēng)，境內(nèi)存在大量降雨型滑坡，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2006年“珍珠”“桑美”等臺(tái)風(fēng)特大暴雨，引發(fā)了3000多處地質(zhì)災(zāi)害。2009年的“莫拉克”臺(tái)風(fēng)導(dǎo)致福建省發(fā)生了滑坡共計(jì)389處。因此，降雨誘發(fā)邊坡失穩(wěn)機(jī)理研究始終是工程界的熱點(diǎn)。自從考慮非飽和滲流和非飽和土力學(xué)理論后，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)降雨誘發(fā)非飽和邊坡失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行了大量研究，獲得了較為豐碩的成果[1-5]，這些成果對(duì)于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)降雨型滑坡失穩(wěn)機(jī)理具有重要意義。然而，上述成果對(duì)于花崗巖殘積土研究較少，實(shí)際上，福建省境內(nèi)近30%面積分布廣泛花崗巖?；?，本文針對(duì)福建省典型花崗巖殘積土邊坡及降雨特點(diǎn)，采用有限元Geo-Studio軟件中的Seep/W和slope模塊模擬降雨入滲的過(guò)程，分析降雨入滲條件下邊坡形態(tài)、物理力學(xué)參數(shù)等對(duì)非飽和邊坡滲流場(chǎng)和穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

1 非飽和土抗剪強(qiáng)度理論

采用Fredlund等1978年提出非飽和強(qiáng)度準(zhǔn)則[6]：

τf=c′+σn-ua)tanφ′+(ua-uw)tanθb

(1)

式中，

τf為非飽和土抗剪強(qiáng)度；

c′、φ′分別為有效粘聚力和有效內(nèi)摩擦角；

φb為吸力內(nèi)摩擦角；σn為總應(yīng)力；

ua-uw為土體的基質(zhì)吸力；

Δc′=(ua-uw)tanφb表示有效凝聚力隨(ua-uw)的增量。

2 數(shù)值分析算例與及計(jì)算工況

2.1 計(jì)算模型及參數(shù)

數(shù)值模擬網(wǎng)格劃分如圖1所示，邊坡坡率為1∶0.75，由上而下分兩層，基本物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。土-水特征曲線(xiàn)以及滲透曲線(xiàn)均是含水率的函數(shù)，其中土-水特征曲線(xiàn)采用濾紙法測(cè)得，并采用V-G模型擬合得到，如圖2所示。降雨強(qiáng)度的選取結(jié)合臺(tái)風(fēng)期降雨強(qiáng)度觀(guān)測(cè)資料，取50mm/d。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型(單位：m)

土層γ(kN/m3)E(MPa)?(%)ks(m/s)c′(kPa)φ′(°)φb(°)表層181039．251．588e-6252010下層192039．251．588e-8352613

注：γ為土體的重度，E為土體的楊氏模量，?s為土體的飽和體積含水量，ks為土體的飽和滲透系數(shù)。

2.2 降雨邊界

降雨邊界分兩種工況：

(1)當(dāng)降雨強(qiáng)度小于土體入滲能力時(shí)，雨水全部入滲，入滲速率取降雨強(qiáng)度，邊界條件為Neumann邊界[7-10]：

(2)

(2)當(dāng)降雨強(qiáng)度大于土體入滲能力時(shí)，將形成積水模式，入滲速率取飽和滲透系數(shù)，邊界條件轉(zhuǎn)為Dirichlet邊界：

(a)土-水特征曲線(xiàn)

(b)上層土滲透曲線(xiàn)

(c)底層土滲透曲線(xiàn)圖2 土-水特征曲線(xiàn)和滲透系數(shù)曲線(xiàn)

(3)

3 不同條件邊坡的穩(wěn)定性

3.1 邊坡形態(tài)的影響

3.1.1路基高度的影響

表2為不同路塹的邊坡高度在50mm/d降雨條件下穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果。由表2可見(jiàn)，不考慮降雨條件下，邊坡高度由6m增加至14m時(shí)，其安全系數(shù)由1.777下降到1.121，其變化率(安全系數(shù)差值與邊坡高度差值比)為0.082/m，可見(jiàn)邊坡高度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響非常明顯。在降雨作用下，矮邊坡受到的影響大，如在降雨持續(xù)24h時(shí)，6m與12m高邊坡安全系數(shù)分別下降了0.04、0.008，原因是由于邊坡較高時(shí)，雨水下滲到坡底深處所需要的時(shí)間更長(zhǎng)。

表2 不同路塹邊坡高度的安全系數(shù)

3.1.2路基坡率的影響

取0.5、0.75、1、1.5等4種不同坡率，如圖3所示，計(jì)算邊坡在50mm/d降雨強(qiáng)度持續(xù)24h時(shí)的安全系數(shù)，結(jié)果如表3所示。由表3可知，不考慮降雨條件下，邊坡坡率由0.5增加到1.5時(shí)，其安全系數(shù)由1.356上升到1.961。而在降雨24h后，各種坡率的邊坡安全系數(shù)分別下降0.021、0.014、0.026、0.025。由此說(shuō)明，在降雨持時(shí)較短時(shí)，表層土體水分未滲入邊坡，因而邊坡穩(wěn)定性與坡率的關(guān)系不大。

圖3 不同坡率模擬模型

坡率持時(shí)(h)安全系數(shù)0．50．751．01．501．3561．4511．6221．96161．3501．4441．6181．959121．3451．4391．6151．954241．3351．4371．5961．936

3.2 土體的物理力學(xué)參數(shù)的影響

3.2.1天然含水量的影響

表4為降雨強(qiáng)度為50mm/d時(shí)，不同天然含水量邊坡安全系數(shù)隨持時(shí)的變化規(guī)律。不考慮降雨條件時(shí)，邊坡的穩(wěn)定性隨土體天然含水量的增大而減小，原因在于當(dāng)含水量較低時(shí)，土坡體比較干燥，基質(zhì)吸力比較大，在降雨條件下，雨水入滲大部分首先被上部土體吸收，下滲的雨量不多，且速度較慢，除了在接近坡腳的地方有所抬高，深部土體的含水量改變不多。如含水量從30.6%上升到39.2%，邊坡安全系數(shù)下降了0.254。在降雨過(guò)程中，天然含水量越大，邊坡安全系數(shù)下降越快。原因在于天然含水量越大，坡體的飽和程度越高，雨水的入滲速率快，在相同降雨條件下，水位上升得更快、更高，土體抗剪強(qiáng)度越低。如在降雨持續(xù)6h時(shí)，30.6%條件下僅下降了0.007，而含水量為39.2%的情況卻下降了0.296。

表4 不同天然含水量下邊坡的安全系數(shù)隨持時(shí)變化

3.2.2土體重度的影響

降雨強(qiáng)度為50mm/d時(shí)，不同土體重度的邊坡安全系數(shù)在降雨前與降雨后24h的計(jì)算結(jié)果如表5所示。由表5可知，不考慮降雨的情況下，重度從16kN/m3增至19.5kN/m3時(shí)，其安全系數(shù)由1.601降至1.387，降幅達(dá)0.214；在降雨持續(xù)24h后，不同重度對(duì)應(yīng)的邊坡，其安全系數(shù)變化值不同，如重度為16kN/m3的安全系數(shù)下降了0.046，而重度為19.5kN/m3時(shí)的安全系數(shù)僅下降了0.016。因此，重度越大，其邊坡穩(wěn)定性對(duì)降雨的影響越不敏感。

表5 不同重度時(shí)路塹邊坡的安全系數(shù)

3.2.3有效粘聚力的影響

降雨強(qiáng)度為50mm/d時(shí)，不同有效粘聚力的邊坡安全系數(shù)在降雨后24h的計(jì)算結(jié)果如圖4所示。在相同條件下，邊坡穩(wěn)定性隨土體有效粘聚力的增大而增大，變化率為0.0426/kPa。黨靖[6]等通過(guò)試驗(yàn)研究了土體強(qiáng)度參數(shù)與含水量的關(guān)系表明，強(qiáng)度參數(shù)粘聚力和內(nèi)摩擦角隨含水量的增加而減小，當(dāng)含水量達(dá)26%后，粘聚力隨含水量增加而減小的趨勢(shì)減緩。由此可見(jiàn)，雨水入滲，一方面使粘土中的粘土礦物產(chǎn)生水化作用，粘土中產(chǎn)生離子交換作用，即將易溶膠結(jié)物帶走，顆粒間的結(jié)合力減弱，有效粘聚力降低，同時(shí)，雨水的潤(rùn)滑作用使得顆粒之間的摩擦力降低。另一方面，坡體含水量增大，離子的濃度逐漸降低，顆粒間擴(kuò)散層厚度增大，強(qiáng)度降低，即降雨入滲使得邊坡土體的有效粘聚力降低。

圖5為不同有效粘聚力下的邊坡最危險(xiǎn)滑裂面的形狀示意圖。可見(jiàn)，當(dāng)有效粘聚力接近零時(shí)，土體由粗粒組成，如砂或礫石土等，其滑裂面基本為直線(xiàn)，并且滑裂面一般位于邊坡淺部，從而易形成邊坡淺部失穩(wěn)；隨著有效粘聚力的增大，邊坡滑裂面逐漸向邊坡深部發(fā)展，同時(shí)滑裂面的形狀逐漸由直線(xiàn)轉(zhuǎn)變?yōu)榍€(xiàn)型。

圖4 安全系數(shù)-有效粘聚力關(guān)系曲線(xiàn)

3.2.4有效內(nèi)摩擦角的影響

圖6為在降雨24h(降雨強(qiáng)度為50mm/d)后不同有效內(nèi)摩擦角的邊坡安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果。穩(wěn)定性系數(shù)隨土體有效內(nèi)摩擦角與有效粘聚力有相同的變化趨勢(shì)，其變化率為0.0319/°。圖7為不同有效內(nèi)摩擦角下的邊坡最危險(xiǎn)滑裂面的形狀示意圖。當(dāng)土體有效內(nèi)摩擦角較大時(shí)，其土體粗顆粒較多，因而滑裂面接近一直線(xiàn)，并且位于邊坡淺層。當(dāng)土體有效內(nèi)摩擦角逐漸較小時(shí)，邊坡的滑裂面逐漸向邊坡深層發(fā)展，同時(shí)，滑裂面的形狀也隨之變?yōu)榍€(xiàn)型，這與有效粘聚力的變化趨勢(shì)相反。

4 結(jié)論

(a)c′=10kPa

(b)c′=20kPa

(c)c′=35kPa圖5 不同有效粘聚力在50mm/d降雨強(qiáng)度作用24h時(shí)最危險(xiǎn)滑裂面

圖6 安全系數(shù)-有效內(nèi)摩擦角關(guān)系曲線(xiàn)

(1)在降雨作用下，邊坡高度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響非常明顯。由于邊坡較高時(shí)，雨水下滲到坡底深處所需要的時(shí)間更長(zhǎng)，因而相對(duì)于高邊坡，矮邊坡穩(wěn)定性受到的影響更大。在降雨持續(xù)較短時(shí)，表層土體水分未滲入邊坡，因而邊坡穩(wěn)定性與坡率的關(guān)系不大。

(a)φ′=5°

(b)φ′=15°

(c)φ′=25°

(d)φ′=35°圖7 不同有效粘內(nèi)摩擦角在50mm/d降雨強(qiáng)度作用24時(shí)最危險(xiǎn)滑裂面

(2)不考慮降雨條件時(shí)，邊坡的穩(wěn)定性隨土體天然含水量的增大而減小。在降雨過(guò)程中，天然含水量越大，邊坡安全系數(shù)下降越快。邊坡重度越大，其邊坡穩(wěn)定性對(duì)降雨的影響越不敏感。

(3)有效粘聚力和有效內(nèi)摩擦角對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響顯著，對(duì)滑裂面位置影響較大。在相同條件下，邊坡穩(wěn)定性隨土體有效粘聚力和有效內(nèi)摩擦角的增大而增大，變化率分別為0.0426/kPa、0.0319/°。

(4)土體由粗粒組成，如砂或礫石土等，其滑裂面基本為直線(xiàn)，并且滑裂面一般位于邊坡淺部，從而易形成邊坡淺部失穩(wěn)；隨著有效粘聚力的增大或有效內(nèi)摩擦角的降低，邊坡滑裂面逐漸向邊坡深部發(fā)展，同時(shí)滑裂面的形狀逐漸由直線(xiàn)轉(zhuǎn)變?yōu)榍€(xiàn)型。

[1] Sun Y，Nishigaki M，Kohno I.A stusy on stability analysis of shallow layer slope due to raining permeation[C]//In：Proc.of the 1st Int.Conf.on Unsaturated Soil.Rotterdam：Balkema，1995，1135-1141.

[2] Fredlund D G，Xing A.The relationship of the unsaturated soil shear strength to the soil-water characteristic curve[J].Can.Geotech.J.,1996，33：440-448.

[3] 徐晗，朱以文，蔡元奇，等.降雨入滲條件下非飽和土邊坡穩(wěn)定分析[J].巖土力學(xué)，2005，26(12):1957-1962.

[4] 魏寧，茜平一，傅旭東.降雨和蒸發(fā)對(duì)土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響[J].巖土力學(xué)，2006，27(5):778-786.

[5] 崔溦，楊建,劉麗.連續(xù)降雨作用下非飽和土邊坡的穩(wěn)定性分析[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2007(3)：55-57.

[6] 黨靖，胡李俐，南帥.含水量及天然密度對(duì)土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響研究[J].中國(guó)西部科技，2007，9 (5)：14-15.

[7] 唐棟，李慶典，周創(chuàng).考慮前期降雨過(guò)程的邊坡穩(wěn)定性分析[J].巖土力學(xué)，2013,34(11)：3240-3248.

[8] 鄧福根，金愛(ài)兵，李龍福，等.降雨和蒸發(fā)對(duì)粉質(zhì)黏土邊坡穩(wěn)定性影響分析[J].采礦工程，2012,5(33)：27-31.

[9] 劉子振，言志信.降雨入滲非飽和黏土邊坡穩(wěn)定性的極限平衡條分法研究[J].巖土力學(xué)，2016，37(2)：351-356.

[10] 李庚，陳超，蔣斌，等.降雨入滲的紅黏土邊坡穩(wěn)定性分析研究[J].山東交通科技，2017(1)：36-74.

StabilityAnalysisonUnsaturatedGraniteResidualSoilSlopeUndertheRainfallAction

ZHANGShubao

(Xiarong Expressway Expansion Project Limited Company,Zhangzhou 363000)

This paper indicates that the influence mechanism of some factors including slope shape (e.g.height,slope),physical and mechanical parameters (e.g.density,effective cohesion and effective internal friction angle) on slope seepage field and stability for typical slope in Fujian Province based on the unsaturated seepage theory and unsaturated soil theory.The results show that rainfall has greater influence on low slope.The slope with high water content is easy to be instable during the rainfall process.The safety factor of slope increases with the increase of the effective cohesion and effective internal friction angle of the soil,and the change rates are 0.0426 / kPa and 0.0319 /°,respectively.The slippery surface of the coarse-grained soil slope is straight and shallow slope will tend to be instable.With the increase of the effective cohesion or the decrease of the effective internal friction angle,the slope slip surface will locate in the deep of slope and the shape of the sliding surface will tend to curve gradually.

Rainfall; Slope; Unsaturated seepage; Mechanical response

張淑寶(1972- )，男，高級(jí)工程師。

E-mail:804298921@qq.com

2017-08-21

U416.1

A

1004-6135(2017)12-0074-05