降雨條件下非飽和土高邊坡預(yù)警與失穩(wěn)判據(jù)

陳文鋒 張 超 姚 琴

(中電建路橋集團有限公司，北京 100048)

高邊坡穩(wěn)定性問題是巖土工程領(lǐng)域的一個重要研究課題，由于強降雨、巖土重力以及其他外力的影響，高邊坡常易發(fā)生滑動或崩塌破壞。因此，對高邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞進行預(yù)警，具有重要的工程實踐應(yīng)用意義。

有限元分析中采用強度折減法[1-7]是目前邊坡穩(wěn)定性分析中實用性良好的一種數(shù)值分析方法，通過土地強度以及摩擦角等參數(shù)的折減直至邊坡達到臨界破壞狀態(tài)以獲得安全系數(shù)。高邊坡穩(wěn)定性分析中降雨是影響邊坡滑坡失穩(wěn)的一個重要因素，有限元軟件分析邊坡穩(wěn)定性時考慮降雨入滲[8-12]的影響可以更符合實際工程需要?，F(xiàn)有邊坡預(yù)警未考慮降雨影響，將折減系數(shù)—位移曲線分為勻速、加速、失穩(wěn)三個變形階段，勻速與加速交接點為預(yù)警點，加速與失穩(wěn)交接點為極限位移點[13]。綜上所述，降雨對高邊坡失穩(wěn)具有重要的影響，可通過有限元軟件實現(xiàn)考慮強降雨入滲引起的土體飽和度、孔隙水壓力和滲透系數(shù)變化對高邊坡穩(wěn)定性的影響分析，現(xiàn)有考慮強降雨影響的高邊坡失穩(wěn)預(yù)警點判據(jù)研究較少。

本文基于邊坡工程失穩(wěn)監(jiān)測數(shù)據(jù)所得坡頂位移特征曲線，利用強度折減法并結(jié)合有限元軟件分析降雨入滲對高邊坡穩(wěn)定性的影響，提出高邊坡失穩(wěn)預(yù)警點與失穩(wěn)破壞點判據(jù)。

1 強度折減法下高邊坡入滲分析原理

1.1 強度折減法原理

在邊坡穩(wěn)定極限狀態(tài)下，施加外荷載所產(chǎn)生的剪應(yīng)力與抵抗外荷載所發(fā)揮的最小抗剪強度相等，即與邊坡強度指標(biāo)折減后所確定的抗剪強度相等。當(dāng)假定邊坡同一土層的土體抗剪強度的發(fā)揮情況相同時，土體抗剪強度折減系數(shù)相當(dāng)于邊坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)F，又稱邊坡強度儲備安全系數(shù)，與極限平衡法得出的穩(wěn)定安全系數(shù)在概念上一致[14]。

折減后土體抗剪強度參數(shù)如式(1)所示：

φm=tan-1[(tanψ)÷Fr]

(1)

其中，φm為實際的抗剪強度；ψ為摩擦角；Fr為強度折減系數(shù)。假定不同的強度折減系數(shù)Fr，使用不同強度折減系數(shù)Fr折減后的強度計算，查看有限元模型計算結(jié)果是否收斂，不斷增加強度折減系數(shù)Fr，計算結(jié)果不收斂時即土體達到臨界破壞，此時的強度折減系數(shù)Fr即為邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fs。

1.2 非飽和土體滲流原理

雨水入滲巖土體會引起巖土體抗剪強度降低，地下水位的抬升會引起巖土體孔隙水壓力提高，因此需研究瞬態(tài)降雨滲流對高邊坡應(yīng)力、應(yīng)變和位移的影響[14]。

有限元模型中非飽和土體的滲透系數(shù)同基質(zhì)吸力的變化如式(2)所示：

Kw=awKws÷[aw+(bw×(ua-uw))cw]

(2)

其中，Kws為飽和土的滲透系數(shù)，取5.0×10-6m/s(即0.018 m/h)；uw和ua分別為非飽和土體的水壓力和空氣壓力，考慮高邊坡坡面和外界空氣直接接觸，因此ua取0;aw,bw,cw均為非飽和土材料系數(shù)，分別取1 000，0.01和1.7。

土體的飽和度同基質(zhì)吸力的變化如式(3)所示：

Sr=Si+(Sn-Si)×as÷[as+(bs×(ua-uw))cs]

(3)

其中，Sr為土體的飽和度；Si為殘余飽和度，取0.08；Sn為土體的最大飽和度，取1；as,bs,cs均為土體材料系數(shù)，分別取1,5×10-5,3.5。

2 邊坡失穩(wěn)破壞預(yù)警方法

2.1 邊坡失穩(wěn)位移變化特征

大量的邊坡穩(wěn)定性研究及邊坡工程失穩(wěn)監(jiān)測數(shù)據(jù)[15-17]表明，邊坡在自重應(yīng)力和外部環(huán)境因素的影響下，隨時間作用的推移，其坡頂位移呈現(xiàn)非線性的增長；當(dāng)坡頂位移達到一定值時，邊坡將出現(xiàn)失穩(wěn)破壞。邊坡失穩(wěn)過程的位移變化特征曲線如圖1所示。

在圖1中，AB段為初始固結(jié)階段，邊坡巖土體經(jīng)過漫長的地質(zhì)年代，其變形速率逐漸減?。籅C段為勻速變形階段，邊坡巖土體在初始固結(jié)變形的基礎(chǔ)上，受重力作用表現(xiàn)出勻速變形的特性，該階段受外部環(huán)境影響較大，表現(xiàn)為變形速率存在一定輕微的波動，整體勻速變形趨勢不變；CD段為加速變形階段，受外界環(huán)境因素的影響與時間的推移，坡頂位移出現(xiàn)大幅度的增長，包括坡頂水平位移與豎向位移，此時應(yīng)對邊坡進行加固處理，避免邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞；DE段為失穩(wěn)階段，坡頂位移超過最大容許位移，坡頂位移變化率急劇增大，邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞。

2.2 邊坡安全預(yù)警與失穩(wěn)破壞判據(jù)

邊坡在自然狀態(tài)下受到外界環(huán)境以及外力的影響下，具有一定的內(nèi)部應(yīng)力調(diào)節(jié)能力，使邊坡保持穩(wěn)定平衡狀態(tài)，當(dāng)外界環(huán)境、外力和自重應(yīng)力的總作用力超過邊坡可承受的擾動極限時，邊坡穩(wěn)定性逐漸被破壞直至發(fā)生失穩(wěn)破壞。在邊坡穩(wěn)定性分析中，選取特殊部位的位移拐點作為評判邊坡穩(wěn)定性的依據(jù)，如坡頂位移拐點，具有明確的物理意義，可直觀反映出邊坡失穩(wěn)破壞的宏觀變化形式。通過極限平衡法求得邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)，其中條分法與坡頂位移拐點法求得的邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)誤差在3%以內(nèi)[18]，說明有限元分析所得坡頂位移拐點法可行。

從圖1可知，BC段坡頂位移為勻速變化階段，C點處坡頂位移μ1表現(xiàn)出加速變形的趨勢，邊坡開始出現(xiàn)一定程度的失穩(wěn)預(yù)兆，當(dāng)坡頂位移達到或超過該值時應(yīng)進行失穩(wěn)預(yù)警，因此C點為邊坡失穩(wěn)預(yù)警點。CD段坡頂位移為加速變化階段，D點處坡頂位移μ2為邊坡穩(wěn)定的“最大變形量”，D點后邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞，因此D點為邊坡失穩(wěn)破壞點。

綜合以上分析可得，坡頂位移量在μ1與μ2之間是邊坡失穩(wěn)發(fā)展過程的重要階段，邊坡由穩(wěn)定狀態(tài)向失穩(wěn)狀態(tài)過渡。因此，可以采用邊坡坡頂位移值作為邊坡失穩(wěn)預(yù)警與失穩(wěn)破壞評判依據(jù)，當(dāng)邊坡坡頂位移達到失穩(wěn)預(yù)警值μ1時，應(yīng)進行邊坡加固措施以防止邊坡變形加??；當(dāng)邊坡坡頂位移達到失穩(wěn)破壞值μ2時，邊坡將發(fā)生失穩(wěn)破壞。

3 實例分析

3.1 工程概況及計算模型

依托工程為廣東佛(山)清(遠)從(化)高速公路北段典型高邊坡，區(qū)域位于廣州市花都區(qū)石角鎮(zhèn)，該區(qū)域?qū)儆诒苯?，水位、水流量受季?jié)氣候影響較大，雨季降雨量流沛，地下水位較高、水流量大。由于高速公路開挖深度為22 m，以及開挖區(qū)域受連續(xù)強降雨的影響，致使邊坡上部土體常出現(xiàn)滑動，給邊坡下方居民造成嚴(yán)重的安全隱患，應(yīng)實時監(jiān)測邊坡并發(fā)出預(yù)警和破壞警報。

基于廣東佛清從高速公路段地質(zhì)特點選取典型高邊坡并建立有限元模型，依據(jù)高速公路高邊坡區(qū)域路基斷面對稱性的特點，選取高邊坡路基左半部分進行有限元模型計算，設(shè)定左半部高邊坡路基縱斷面寬度為49 m，縱斷面高度為32 m，路面寬度為18 m，高邊坡邊坡高度為22 m，邊坡底寬度為12 m，邊坡地下水位高度為6 m，幾何尺寸如圖2所示。

建立高邊坡有限元計算模型，在高邊坡坡頂、坡底及邊坡處設(shè)置降雨入滲條件，高邊坡兩側(cè)及底部設(shè)置位移約束條件，高邊坡有限元模型采用的計算單元類型為CPE4P孔隙流體/應(yīng)力類型，有限元模型網(wǎng)格屬性采用四面體掃略形式，單元格共有1 329個，計算模型如圖3所示。

3.2 計算假設(shè)與邊界條件

基于強度折減法分析高邊坡降雨條件下邊坡穩(wěn)定性時，作出以下假設(shè)：

1)高邊坡土體同一土層的性質(zhì)均勻，各向同性；

2)高邊坡土體同一土層的強度折減效果相同；

3)高邊坡降雨分析時，降雨入滲強度始終小于降雨最大強度，降雨垂直高邊坡坡面方向入滲。

模型邊界條件：

1)對高邊坡二維模型左右兩側(cè)土體法向位移進行固定約束，對高邊坡二維模型底部一側(cè)水平及法向位移進行固定約束；

2)依據(jù)高邊坡原地下水位及高邊坡區(qū)域持續(xù)性降雨情況，設(shè)置隨地下水位高度升高的高邊坡靜水孔壓邊界；

3)忽略降雨引起的地表積水，高邊坡降雨入滲邊界函數(shù)采用降雨強度即單位流量q(m/s)表示。

3.3 高邊坡模型參數(shù)的選取

對廣東佛清從高速公路段進行現(xiàn)場地質(zhì)勘探及降雨情況收集，得到高邊坡區(qū)域土體物理參數(shù)和高邊坡區(qū)域降雨歷史數(shù)據(jù)。參考高邊坡區(qū)域地勘資料及降雨歷史數(shù)據(jù)，設(shè)定高邊坡有限元模型土體物理參數(shù)見表1，降雨相關(guān)參數(shù)取值見表2。依據(jù)高邊坡地勘資料數(shù)據(jù)，結(jié)合式(2)，式(3)得到廣東佛清從高速公路段高邊坡土體的滲透折減系數(shù)、飽和度和孔隙壓力，具體參數(shù)值如表3所示。

表1 高邊坡模型材料參數(shù)表

表2 降雨最大強度、時長和入滲強度參數(shù)取值表

表3 滲透折減系數(shù)、孔隙壓力與飽和度參數(shù)值

3.4 預(yù)警值與破壞值選取

基于強度折減法的邊坡穩(wěn)定性研究[19,20]與邊坡失穩(wěn)監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，在巖土自重應(yīng)力和降雨入滲的影響下，高邊坡坡頂位移隨強度折減系數(shù)的增加發(fā)生劇烈變化的拐點為邊坡失穩(wěn)破壞發(fā)生點，即安全系數(shù)取值點。為實現(xiàn)邊坡安全預(yù)警，需確定邊坡失穩(wěn)破壞前的預(yù)警值。通過ABAQUS軟件對上述模型進行有限元分析，得出折減系數(shù)改變對坡頂位移的影響如圖4所示。

從圖4可知，A點(折減系數(shù)：1.381、水平位移：7.016 mm)，B點(折減系數(shù)：1.406、水平位移：-159.129 mm)，C點(折減系數(shù)：1.381、豎向位移：-486.496 mm)，D點(折減系數(shù)：1.406、豎向位移：-729.589 mm)，AC兩點和BD兩點對應(yīng)安全系數(shù)相同；AB段水平位移的變化率隨折減系數(shù)的增大而逐漸增大，B點后水平位移的變化率隨折減系數(shù)增大而發(fā)生突變，水平位移突增6.3倍；CD段水平位移的變化率隨折減系數(shù)的增大而逐漸增大，D點后水平位移的變化率隨折減系數(shù)增大而發(fā)生突變，豎向位移突增1.8倍。因此，邊坡失穩(wěn)破壞值可根據(jù)B點(或D點)選取，其中高邊坡失穩(wěn)破壞時水平位移限值對應(yīng)B點，豎向位移限值對應(yīng)D點。本實例中，高邊坡失穩(wěn)破壞時水平位移、豎向位移限值分別為159.129 mm和729.589 mm。

根據(jù)圖4曲線的變化趨勢可知，A點和C點后位移的變化率隨折減系數(shù)的增大而逐漸增大，A點后水平位移變化率達到48%，AB段變化率持續(xù)增加，A點后水平位移出現(xiàn)負(fù)值；C點后豎向位移變化率達到10.2%，CD段變化率持續(xù)增加。高邊坡失穩(wěn)破壞嚴(yán)重威脅人員安全，為預(yù)防邊坡失穩(wěn)造成的人員傷亡，高邊坡失穩(wěn)破壞預(yù)警點可根據(jù)A點(或C點)選取。

4 結(jié)語

本文研究高邊坡失穩(wěn)發(fā)展規(guī)律，結(jié)合強度折減法和降雨入滲原理，提出一種降雨入滲條件下高邊坡穩(wěn)定性安全預(yù)警與失穩(wěn)判定方法，主要結(jié)論如下：

1)基于邊坡失穩(wěn)變形發(fā)展規(guī)律，可以將邊坡失穩(wěn)變形劃分為初始固結(jié)階段、勻速變形階段、加速變形階段和失穩(wěn)階段等四個階段，由此判斷得出失穩(wěn)預(yù)警點和失穩(wěn)破壞點。

2)在得到強度折減系數(shù)與坡頂位移的關(guān)系曲線后，可將水平和豎向位移發(fā)生突變作為高邊坡失穩(wěn)破壞判斷依據(jù)，其中水平位移變化率大于500%，豎向位移變化率大于150%。

3)高邊坡接近失穩(wěn)破壞時，失穩(wěn)破壞預(yù)警點的選取可借助坡頂位移變化，按照水平位移變化率大于40%，豎向位移大于10%考慮。