強(qiáng)降雨入滲作用下土質(zhì)邊坡失穩(wěn)災(zāi)變研究

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(1.廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 廣西 南寧　530007；2.廣西交通科學(xué)研究院，廣西 南寧　530007；3.廣西翔路建設(shè)有限責(zé)任公司, 廣西 南寧　530029；4.廣州大學(xué) 工程抗震研究中心，廣東 廣州　510405)

0　引言

降雨入滲是誘發(fā)土質(zhì)邊坡失穩(wěn)最主要的原因之一[1]。對(duì)于風(fēng)化的深度較淺的邊坡，降雨時(shí)大多失效僅發(fā)生在表層的風(fēng)化殘積土[2]。由于造價(jià)的因素，大量土質(zhì)路塹邊坡在公路施工期及運(yùn)營期均裸露在外或者以簡單的植草進(jìn)行防護(hù)。在較長時(shí)間陽光、風(fēng)、降雨等自然因素的影響下，其表層土體風(fēng)化程度較大，細(xì)粒結(jié)構(gòu)因滲流因素大量流失，土體性狀相較深層土體有較大差異，形成典型的薄殼雙層土體結(jié)構(gòu)。在遭遇連續(xù)降雨后，容易發(fā)生以淺層滑坡為主的坡體失穩(wěn)，滑動(dòng)類型一般為小型的平面或非圓弧滑動(dòng)和崩塌，風(fēng)化表層土與深層土體結(jié)合部經(jīng)常構(gòu)成滑動(dòng)面，“濕潤峰”深度一般不超過2 m[3]。這種層狀土入滲特性不同于均質(zhì)土的入滲特性，層狀土的降雨入滲分析對(duì)研究多層土的入滲分析具有重要意義。

國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)邊坡的降雨入滲過程進(jìn)行大量研究，建立相應(yīng)的求解方法。朱偉等[4]研究設(shè)計(jì)室內(nèi)降雨入滲土柱試驗(yàn)，在初步揭示降雨入滲過程和規(guī)律的基礎(chǔ)上，探討準(zhǔn)確反映降雨入滲量的有限元計(jì)算方法；張社榮等[5]研究了強(qiáng)降雨特性對(duì)飽和-非飽和邊坡失穩(wěn)的影響；李寧等[6]用Python語言對(duì)ABAQUS軟件的降雨入滲邊界進(jìn)行二次開發(fā)，開發(fā)出基于ABAQUS軟件的降雨入滲模塊；吳李泉等[7]考慮降雨入滲引起土體質(zhì)量和滲透力增大及抗剪強(qiáng)度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，開發(fā)USLOPEFEM計(jì)算程序，研究強(qiáng)降雨入滲條件下浙江武義平頭村山體高邊坡的瞬態(tài)滲流場及穩(wěn)定性；W.T.Oh和S.K.Vanapalli[8]研究降雨入滲對(duì)土體抗剪強(qiáng)度及邊坡穩(wěn)定性的影響；Guan， J. et al[9]綜合分析了地表徑流、滲流作用與邊坡穩(wěn)定的關(guān)系；Oh S和Lu N[10]研究發(fā)現(xiàn)盡管邊坡幾何、流體力學(xué)的特性、抗剪強(qiáng)度和降水時(shí)間會(huì)有差異，但邊坡失效時(shí)其安全系數(shù)都小于1.0。上述研究表明降雨誘發(fā)滑坡的機(jī)制主要是由于降雨入滲造成巖土體基質(zhì)吸力降低、孔隙水壓力變化及地下水位的上升，并增加巖土體的容重、降低巖土體的抗剪強(qiáng)度。但是，降雨對(duì)于深層滑坡，主要地下水位的抬升，以及水的弱化作用對(duì)滑坡的影響較大；而對(duì)于淺層滑坡，主要受瞬時(shí)孔隙水壓力的變化控制，同時(shí)伴隨著沖刷和侵蝕作用。

上述研究大多假設(shè)邊坡由均質(zhì)土構(gòu)成，對(duì)層狀邊坡的降雨入滲研究甚少。因此以廣西百色一典型公路邊坡為例，利用公路運(yùn)營前設(shè)計(jì)階段的邊坡勘察資料和公路運(yùn)營期邊坡補(bǔ)充地質(zhì)勘查和土工試驗(yàn)資料，分析了原狀土體和公路運(yùn)營后邊坡土體的變化，并利用有限元程序ABAQUS分析了雙層土質(zhì)高邊坡降雨入滲全過程，以更好地理解降雨對(duì)滑坡的作用過程和誘發(fā)機(jī)制，為邊坡病害防治和預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提供科學(xué)依據(jù)。

1　研究邊坡的選擇與概況

圖1　目標(biāo)高邊坡工程地質(zhì)圖(單位：cm)

選擇廣西百色至隆林高速公路田林縣境某路塹高邊坡作為研究對(duì)象。圖1為高邊坡的工程地質(zhì)圖，2006年設(shè)計(jì)階段進(jìn)行了一系列的現(xiàn)場勘查工作,鉆孔分別為ZK-1與ZK-2，得到了相應(yīng)巖土物理力學(xué)參數(shù)。施工開挖后只剩下強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖的單一均質(zhì)土層。2014年為研究邊坡失穩(wěn)，再次對(duì)邊坡進(jìn)行了補(bǔ)充勘查，鉆孔分別為ZK-3與ZK-4，重點(diǎn)研究邊坡的風(fēng)化程度和風(fēng)化后土層的力學(xué)參數(shù)。鉆探結(jié)果顯示，邊坡表層平均深2 m左右的土，由于風(fēng)化作用，表現(xiàn)出與2006年鉆探結(jié)果中全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖III級(jí)黏土類似性質(zhì)，而深層硬土的力學(xué)參數(shù)變化很小。具體巖土物理力學(xué)參數(shù)如表1所示，因土的物理參數(shù)隨深度而發(fā)生細(xì)微變化，為簡化計(jì)算，表中數(shù)值經(jīng)過均值處理。

表1　各地層巖土物理力學(xué)參數(shù)

2　邊坡計(jì)算條件

2.1　計(jì)算模型及參數(shù)

目標(biāo)邊坡數(shù)值計(jì)算模型如圖2所示，邊坡坡度為42°，表層風(fēng)化土為厚2 m的全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，下部為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，土體的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。A、B為監(jiān)測(cè)單元，C、D、F為監(jiān)控點(diǎn)，利用ABAQUS有限元程序強(qiáng)大的滲流與變形耦合分析功能，進(jìn)行邊坡穩(wěn)態(tài)滲流場與應(yīng)力場的耦合仿真分析，以探求不同強(qiáng)降雨作用下邊坡失穩(wěn)的內(nèi)在規(guī)律。分析中邊坡的非飽和水力參數(shù)參考相關(guān)研究[11]類比確定，計(jì)算所采用的孔壓-相對(duì)滲透系數(shù)的關(guān)系如圖3所示。位移邊界條件為模型左右兩側(cè)施加法向約束，邊坡上部為自由邊界，下部為全約束邊界；流量邊界條件為模型兩側(cè)、地下水位以下考慮為定水頭邊界，地下水位以上設(shè)為零流量邊界，模型底面為不透水邊界。模型采用孔壓/位移耦合的CPE4P四節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變單元，單元數(shù)為1 186個(gè)。本構(gòu)模型和屈服準(zhǔn)則分別采用理想彈塑性本構(gòu)和Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，計(jì)算模型內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力、位移及單元的塑性應(yīng)變。

2.2　降雨入滲計(jì)算條件

參考勘查報(bào)告，模型兩側(cè)初始水頭邊界為8 m。參照對(duì)百色市1961—1990降雨統(tǒng)計(jì)資料。確定模擬降雨的過程為：模擬總時(shí)間為3 d，降雨總量為288 mm。因?qū)嶋H降雨情況非常復(fù)雜，難以逐一討論。本文降雨形式采用全局平均方法，將實(shí)際降雨理想化地劃分為3次直線上升下降型、直線上升型、單次直線上升下降型，以表示降雨強(qiáng)度在降雨過程中的變化情況。則3種型式的降雨分布如圖4所示。

圖2　邊坡有限元模型

圖3　邊坡孔壓與相對(duì)滲透系數(shù)的關(guān)系

圖4　降雨雨型

3　計(jì)算結(jié)果與分析

3.1　降雨前后孔壓與應(yīng)力對(duì)比分析

降雨前后邊坡的孔隙水壓力(POR)分布如圖5所示。圖5(a)中，邊坡的水壓力呈線性分布，這與本文給出的初始假設(shè)孔壓隨深度線性分布是相符合的。對(duì)比圖5(a)與圖5(b)、(c)可知，降雨入滲后的孔壓分布圖與初始狀態(tài)有明顯的區(qū)別，邊坡頂部以下的吸力區(qū)范圍減小。由圖5(b)、(c)可知，隨著降雨時(shí)間的延長，邊坡的飽和度增大，孔隙水壓力增大，土體淺層的基質(zhì)吸力則減小或消失。驗(yàn)證了模擬強(qiáng)降雨方法的可靠性，能在此基礎(chǔ)上進(jìn)行降雨特性對(duì)邊坡破壞的深入研究。

圖5　孔隙水壓力分布圖

降雨前后邊坡的豎向有效應(yīng)力(S22)分布如圖6所示。圖6(a)中，降雨前邊坡的頂部豎向有效應(yīng)力并不為零，是由于Abaqus/Standard有效應(yīng)力中考慮了吸力的影響。另外豎向有效應(yīng)力分布呈現(xiàn)從坡面向里逐漸增加的特點(diǎn)，這與水平地基的應(yīng)力分布情況是截然不同的。對(duì)比圖6(a)與圖6(b)、(c)可知，降雨入滲后的邊坡的豎向應(yīng)力發(fā)生了較大的改變，邊坡內(nèi)部最大豎向應(yīng)力逐漸增加，邊坡表層與土層接觸位置的豎向應(yīng)力都隨著降雨時(shí)間增加逐漸減小。這也正好說明了，隨著降雨時(shí)間的增長，邊坡可能在淺層發(fā)生破壞。

圖6　豎向有效應(yīng)力分布圖

3.2　降雨雨型對(duì)邊坡響應(yīng)的影響

圖7為單元A在雨型1～3作用下塑性應(yīng)變(ε)隨時(shí)間的變化曲線，A1表示單元A在雨型1作用下，A2、A3類似。單元A在雨型1～3作用下時(shí)，分別當(dāng)t=7.6 h、t=43.7 h與t=17.2 h時(shí)，坡腳出現(xiàn)塑性區(qū)，之后都隨著時(shí)間的增長而快速增加，大約到t=12 h、36 h和72 h時(shí)，此時(shí)3種降雨強(qiáng)度首次達(dá)到最大值，坡腳的塑性應(yīng)變也分別達(dá)到最大值0.067、0.069和0.051，對(duì)于雨型1和2塑性應(yīng)變達(dá)到峰值之后不再隨時(shí)間增長而增加。雨型1作用下，邊坡很快就出現(xiàn)塑性應(yīng)變。雨型2作用時(shí)，雖塑性應(yīng)變出現(xiàn)的時(shí)間較晚，但峰值最大。雨型3作用下，邊坡的塑性應(yīng)變峰值最小。由此可知，對(duì)于不同雨型，邊坡塑性應(yīng)變峰值都是在降雨達(dá)到最大時(shí)出現(xiàn)，當(dāng)降雨強(qiáng)度達(dá)到最大后，塑性應(yīng)變不再增加；降雨總量相同的情況下，雨型會(huì)影響塑性應(yīng)變出現(xiàn)的時(shí)間與峰值。

單元A與單元B的平均應(yīng)力路徑如圖8所示，橫坐標(biāo)與縱坐標(biāo)分別為單元的平均應(yīng)力(P)與等效應(yīng)力(σ)。圖8中，單元A與單元B的平均應(yīng)力路徑出現(xiàn)明顯不同的特征，雨型1～3作用下單元A的平均應(yīng)力的路徑基本一致，整體為開口向右下的斜U字型。這是因?yàn)槠履_的A單元，在降雨入滲的作用下，孔壓增加，平均應(yīng)力是減小的。當(dāng)減小到一定程度時(shí)，平均應(yīng)力路徑達(dá)到屈服面，此時(shí)應(yīng)力路徑沿著屈服面向左下方移動(dòng)。但這之后對(duì)于雨型1與雨型3，由于降雨強(qiáng)度的減少，邊坡吸力增加，孔壓減小，平均應(yīng)力增大后，會(huì)逐漸偏移屈服面。而雨型2，降雨強(qiáng)度不會(huì)減少，因而不會(huì)偏移屈服面。雨型1、3作用下單元B的平均應(yīng)力的路徑也基本一致，平均應(yīng)力與等效應(yīng)力先增大，到一定值后，又分別減小。這是由于單元B處于土坡內(nèi)部，上方的土吸水后容重增加，導(dǎo)致單元B的平均應(yīng)力與等效應(yīng)力都會(huì)增加，但對(duì)雨型1、3接近降雨結(jié)束時(shí)，單元B的平均應(yīng)力與等效應(yīng)力會(huì)有所下降。但雨型2作用時(shí)，單元B的平均應(yīng)力與等效應(yīng)力一值是上升的。由于該雙層結(jié)構(gòu)土質(zhì)路塹高邊坡表層A單元更容易進(jìn)入屈服，這正好說明，降雨入滲作用下邊坡的表層可能先出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。由此可見，應(yīng)對(duì)實(shí)際工程中的高邊坡，采取一定的措施，增加邊坡的穩(wěn)定。

圖7　單元A塑性應(yīng)變隨時(shí)間的變化

圖8　單元A與單元B平均應(yīng)力路徑

圖9為雨型1～3作用下邊坡的位移時(shí)程曲線，U11表示雨型1作用下邊坡的水平位移U1，U21表示雨型1作用下邊坡的豎向位移U2。由圖9可知，對(duì)于該雙層結(jié)構(gòu)土質(zhì)路塹高邊坡，相同降水總量的情況下，降雨形式對(duì)邊坡表層監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移響應(yīng)影響較大。邊坡在各雨型作用初期，降雨強(qiáng)度較低時(shí)，邊坡豎向位移都會(huì)略微向上，水平位移會(huì)略微水平向左，這是由于初期邊坡土體吸水而發(fā)生膨脹。對(duì)于邊坡表層監(jiān)測(cè)點(diǎn)C而言(圖9(a))，各雨型降水強(qiáng)度首次接近峰值時(shí)，邊坡的水平與豎向位移都急速增大。這是由于降雨強(qiáng)度的增大，導(dǎo)致雙層結(jié)構(gòu)土質(zhì)路塹高邊坡的坡體內(nèi)部的土體孔壓增大，吸力降低，土體內(nèi)部發(fā)生軟化，導(dǎo)致土體的抗剪強(qiáng)度降低，加之坡體本身自重作用下，邊坡的變形會(huì)迅速加大。圖9(a)中，雨型1、3作用下時(shí)，邊坡水平與豎向位移達(dá)到峰值后，隨著時(shí)間的增長，位移的變化很小。監(jiān)測(cè)點(diǎn)C在雨型1作用下的豎向位移最大，為-0.34 m，雨型2次之，雨型3作用下最小。監(jiān)測(cè)點(diǎn)C在雨型2作用下的水平位移最大，為-0.22 m，雨型1次之，雨型3作用下最小。對(duì)于邊坡表層監(jiān)測(cè)點(diǎn)D而言(圖9(b))，各雨型降水強(qiáng)度首次接近峰值時(shí)，邊坡的水平與豎向位移都急速增大。原因同監(jiān)測(cè)點(diǎn)C。圖9(b)中，雨型1～3作用下時(shí)，邊坡水平與豎向位移變化趨勢(shì)同監(jiān)測(cè)點(diǎn)C。監(jiān)測(cè)點(diǎn)D在雨型1作用下的豎向位移最大，為-0.31 m，雨型2次之，雨型3作用下最小。監(jiān)測(cè)點(diǎn)D在雨型2作用下的水平位移最大，為-0.40 m，雨型1次之，雨型3作用下最小。這里監(jiān)測(cè)點(diǎn)C與D的位移都較大，此時(shí)邊坡位移較大，邊坡已處于瀕臨失穩(wěn)的邊緣。圖9(c)中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)F位移響應(yīng)與雨量的變化較為一致；邊坡的豎向位移都為向上，水平位移都是向左，這是由于邊坡在降雨的作用下坡體軟化和邊坡自重的增加，進(jìn)而邊坡的滑動(dòng)力將增大，該滑動(dòng)力傳遞至邊坡下部并擠壓坡腳土體，從而導(dǎo)致該點(diǎn)會(huì)抬升，同時(shí)向左滑移?？傮w而言，不同雨型作用下，雙層土邊坡的不同部位的位移響應(yīng)差別較大，降雨對(duì)邊坡中部的水平位移影響最大，上部次之，底部最?。唤涤陮?duì)邊坡上部的豎向位移影響最大，中部次之，底部最小。可見對(duì)雙層結(jié)構(gòu)土質(zhì)路塹高邊坡在連續(xù)降雨作用下的失穩(wěn)，應(yīng)予以重視，在實(shí)際工程中應(yīng)采取相應(yīng)的措施，增強(qiáng)邊坡的穩(wěn)定性。

圖9　雨型1～3作用下邊坡的位移時(shí)程曲線

3.3　降雨對(duì)邊坡失穩(wěn)的影響

為了探討強(qiáng)降雨對(duì)邊坡失穩(wěn)的影響，在雨型2的基礎(chǔ)上，降雨總量考慮為720 mm的極端情況。圖10(a)為邊坡接近破壞時(shí)位移等值云圖，此時(shí)邊坡的最大位移為0.463 m，在邊坡坡腳表層土位置，然而，由于位移中包含了由重力荷載所引起的位移，根據(jù)總位移等值線圖無法判斷滑動(dòng)面的位置。但考慮到邊坡失穩(wěn)的趨勢(shì)應(yīng)該在增量位移中得到反映，因而，可以通過計(jì)算終止的最后一個(gè)增量步的增量位移來判斷出邊坡滑動(dòng)面的位置。邊坡最后一個(gè)增量步的增量位移如圖10(b)所示，最大位移為0.025 m，該位置邊坡的變形速度為0.054 m/h，邊坡已發(fā)生緊急變動(dòng)，說明對(duì)于該雙層結(jié)構(gòu)土質(zhì)路塹高邊坡，在降雨的持續(xù)作用下，最先發(fā)生失穩(wěn)是該位置，實(shí)際中應(yīng)采取相應(yīng)的措施進(jìn)行加固處理。其它雨型作用下，邊坡的失穩(wěn)的過程與雨型2類似。

圖10　邊坡位移等值云圖

4　結(jié)論與建議

基于飽和非飽和降雨入滲模擬方法，采用ABAQUS軟件，結(jié)合地質(zhì)勘查資料和土工試驗(yàn)成果對(duì)不同雨型作用下的典型雙層土質(zhì)高邊坡降雨入滲全過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了如下結(jié)論：

(1) 在強(qiáng)降雨條件下，地表水入滲將導(dǎo)致土體淺層的基質(zhì)吸力減小或消失，土體表層豎向有效應(yīng)力減小。

(2) 不同雨型作用下，邊坡表層土塑性應(yīng)變峰值是在降雨達(dá)到最大時(shí)出現(xiàn)。在降雨入滲的作用下，邊坡表層土的平均應(yīng)力是減小的，當(dāng)減小到一定程度時(shí)，平均應(yīng)力路徑達(dá)到屈服面，此時(shí)應(yīng)力路徑沿著屈服面向左下方移動(dòng)，后期降雨強(qiáng)度減少，平均應(yīng)力增大后，會(huì)逐漸偏移屈服面，但邊坡內(nèi)部平均應(yīng)力與等效應(yīng)力都會(huì)增加。不同雨型作用下，雙層土邊坡的不同部位的位移響應(yīng)差別較大，降雨對(duì)邊坡中部的水平位移影響最大，上部次之，底部最??；降雨對(duì)邊坡上部的豎向位移影響最大，中部次之，底部最小。

(3) 雙層土邊坡失穩(wěn)過程的塑性區(qū)向上延伸的方向有兩個(gè)，一個(gè)是沿著兩層土的過渡區(qū)向上，另一個(gè)是沿著弧線向上。但是，此類邊坡主要體現(xiàn)在表層失穩(wěn)，深層沿滑動(dòng)面滑移的可能性較小。

(4) 對(duì)于這類土質(zhì)邊坡，在運(yùn)營過程中如果能夠加強(qiáng)山背截水溝、坡面排水等構(gòu)造設(shè)計(jì)，加快排水的速度，減少降雨入滲的強(qiáng)度，對(duì)于防止土體表層失穩(wěn)有比較明顯的效果。

[1]Anagnostopoulos G G, Fatichi S, Burlando P. An advanced process-based distributed model for the investigation of rainfall-induced landslides: The effect of process representation and boundary conditions[J]. Water Resources Research, 2015, 51(9): 7501-7523.

[2]Cho S E. Probabilistic stability analysis of rainfall-induced landslides considering spatial variability of permeability[J]. Engineering Geology, 2014, 171: 11-20.

[3]Tu X B, Kwong A K，Tu X B, et al. Field monitoring of rainfall infiltration in a loess slope and analysis of failure mechanism of rainfall-induced landslides[J]. Engineering Geology, 2009, 105(1): 134-150.

[4]朱偉, 陳學(xué)東, 鐘小春. 降雨入滲規(guī)律的實(shí)測(cè)與分析[J]. 巖土力學(xué), 2006, 27(11)：1873-1879.

[5]張社榮, 譚堯升, 王超, 等. 強(qiáng)降雨特性對(duì)飽和-非飽和邊坡失穩(wěn)破壞的影響[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2014, 33(S2):4102-4112.

[6]李寧,許建聰. 基于ABAQUS 的三維邊坡降雨入滲模塊的開發(fā)及其應(yīng)用[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2015, 37(4): 667-674.

[7]吳李泉, 張峰, 凌賢長, 等. 強(qiáng)降雨條件下浙江武義平頭村山體高邊坡穩(wěn)定性分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2009, 28(6):1193-1199.

[8]Oh W T, Vanapalli S K. Influence of rain infiltration on the stability of compacted soil slopes[J]. Computers and Geotechnics, 2010, 37(5):649-657.

[9]Guan J, Mok C M, Yeung A T. Integrated analysis framework for predicting surface runoff, infiltration, and slope stability[C]//Geo-Congress 2014 Technical Papers@ Geo-characterization and Modeling for Sustainability. ASCE, 2014: 2588-2599.

[10]Oh S, Lu N. Slope stability analysis under unsaturated conditions: Case studies of rainfall-induced failure of cut slopes[J]. Engineering Geology, 2015, 184: 96-103.

[11]費(fèi)康, 張建偉. Abaqus 在巖土工程中的應(yīng)用[M]. 北京:中國水利水電出版社, 2010:222-233.