葉萬軍,崔晨陽,高 崇,董 琪,景宏君,鄧友生
(1.西安科技大學 建筑與土木工程學院,陜西 西安 710054;2.中鐵十九局集團 軌道交通工程有限公司,北京 101300; 3.陜西科技控股集團有限責任公司,陜西 西安 710077)
降雨與非飽和土邊坡穩(wěn)定的關系密切且復雜,近年來,降雨誘發(fā)型滑坡的成因機理[1-2]已被廣泛認可,但對外部降雨條件與內(nèi)部土體性質(zhì)兩大類影響因素相對作用程度的認識仍不盡相同。在降雨模式方面,文獻[3]基于二維滲流分析與極限平衡法,表明降雨強度對膨脹土邊坡影響顯著性與坡體飽和滲透系數(shù)有關。文獻[4]通過統(tǒng)計分析深圳市地災資料,認為暴雨與滑坡活動關系密切。文獻[5]基于模型試驗提出“門檻累積雨量”的概念,并認為低強長歷時降雨更易誘發(fā)邊坡滑動。文獻[6]通過對前期降雨排水時間的擬合研究,提出暴雨條件下邊坡破壞與排水周期無關,失穩(wěn)時間相近。文獻[7]探索前期降雨對砂土與黏土邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律,提出砂坡對高強短時前期降雨更敏感,而黏土邊坡對低強長時前期降雨更敏感。文獻[8]提出邊坡無支護條件下,長時小雨較短時暴雨的入滲影響范圍更深。文獻[9]引入破壞接近度的概念,從多角度分析雨強、雨型與持時的影響。文獻[10]基于模型試驗提出間斷型強降雨下,坡體表現(xiàn)出滑移-拉裂式失穩(wěn);而持續(xù)型強降雨下,為蠕滑-拉裂式破壞。以上研究主要集中在降雨強度、降雨類型、降雨持時與前期降雨等因素的影響,未綜合考慮相同降雨對不同類型土坡的影響。
除了外界降雨模式外,服役期邊坡破壞很大程度上取決于內(nèi)部土體性質(zhì)的綜合影響。非飽和土吸力特性與三相組成及力學特性聯(lián)系密切,但針對土水特性對穩(wěn)定性綜合影響的研究甚少。文獻[11]基于不同含水率下土體的強度折減,計算分析含水率變化對邊坡穩(wěn)定性的影響。文獻[12]運用Seep/W分析不同土水特征參數(shù)對坡體基質(zhì)吸力的影響,但其未引入本構(gòu)關系進行邊坡穩(wěn)定性分析。文獻[13]利用Seep/W探索熱帶地區(qū)殘積土的水力性質(zhì)參數(shù)對邊坡破壞的影響程度,但該地區(qū)地下水位較淺,與黃土塬區(qū)差異較大,對陜北地區(qū)邊坡穩(wěn)定性分析參考價值有限。文獻[14]分析前期降雨類型與土水特征參數(shù)改變時坡體穩(wěn)定性響應情況,但其飽和滲透系數(shù)固定,且未綜合分析降雨環(huán)境對穩(wěn)定性的影響。文獻[15]借助Geo-Studio分析VG模型參數(shù)變化對邊坡滲流與穩(wěn)定性的影響,但其僅針對無支護理想邊坡展開研究。
綜上可知,目前服役期邊坡穩(wěn)定性影響研究主要集中在降雨與土體飽和滲透系數(shù)方面,且多為地下水位深埋較淺的情況,而實際非飽和土的土水特性是由多個參數(shù)共同決定的,其與外界降雨綜合影響邊坡穩(wěn)定性,故針對土體水力特性與降雨模式,可以對坡體滲流場與位移場分布規(guī)律影響程度進行綜合研究。本文結(jié)合陜北延安地區(qū)實測降雨資料與抗滑樁邊坡實例,基于ABAQUS有限元軟件,建立地下水位深埋坡體降雨過程的數(shù)值計算模型,設置系列參數(shù)變量,探索Van Genuchten(VG)模型參數(shù)、飽和滲透系數(shù)、降雨強度、降雨類型與降雨持時對坡體穩(wěn)定性的影響程度,可為滑坡災害防治工作提供一定的理論參考。
某抗滑樁邊坡位于陜西省延安市宜川縣,屬陜北黃土高原丘陵溝壑區(qū),位于暖溫帶半濕潤區(qū),具有明顯的大陸性季風氣候特征,地下水類型主要為黃土孔隙水和基巖裂隙水。根據(jù)鉆孔揭露,地層自下而上依次為:上三疊統(tǒng)延長群瓦窯堡組、第四系中更新統(tǒng)黃土、第四系上更新統(tǒng)黃土與全新統(tǒng)滑坡堆積層?;嫠诘貙又饕獮榈谒南抵懈陆y(tǒng)黃土,呈淺棕色,質(zhì)地堅硬,偶見有鈣質(zhì)結(jié)核。根據(jù)室內(nèi)常規(guī)試驗測定結(jié)果,黃土的基本物理力學性質(zhì)指標見表1。依據(jù)工程地質(zhì)勘察資料,對坡體進行分級放坡,并設置抗滑樁和擋土板作永久性支擋,各支護部件基本尺寸如表2所示。
表1 黃土的基本物理力學性質(zhì)指標
表2 各支護部件基本尺寸
非飽和土力學理論是降雨條件下土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性研究的根基。其中,準確描述基質(zhì)吸力與含水量關系的土水特征曲線至關重要,可用于推測非飽和土滲透系數(shù)等相關特性。在應用較廣的模型中,Van Genuchten模型能有效擬合曲線形狀,且其用于非飽和黃土中適應性良好[15-16]。故本文亦選定這種形式,采用土水特征曲線與滲流系數(shù)模型為[17]:
(1)
k(Se)=kskr(Se)=ksSe0.5[1-(1-Se1/m)m]2,
(2)
其中:Se為有效飽和度;θ為體積含水量,%;θr為殘余含水量,%;θs為飽和體積含水量,%;a為進氣值的倒數(shù),kPa-1;φ為基質(zhì)吸力,kPa;n為當基質(zhì)吸力大于進氣值時,土中水的流出率,與孔徑分布有關;m與曲線整體對稱性有關,可近似取1-1/n;ks為飽和滲透系數(shù),m/s;kr為相對滲透系數(shù),m/s。
非飽和流固耦合計算采用ABAQUS軟件專門的孔隙流體滲透/應力耦合模塊實現(xiàn),本文基于選定的土水特征曲線與滲流系數(shù)模型,利用內(nèi)置的流固耦合模塊,通過定義不同的材料參數(shù)與荷載條件進行仿真計算,分析不同降雨入滲條件下,不同時刻、各類土質(zhì)邊坡坡體的孔壓場與位移場分布規(guī)律,研究各類土質(zhì)邊坡不同降雨模式下的穩(wěn)定性差異。
基于上述黃土邊坡非飽和流固耦合分析原理,采用ABAQUS軟件建立降雨過程的數(shù)值計算模型。
延安某抗滑樁邊坡降雨條件現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果用于驗證本次數(shù)值模型,故建模時選取該邊坡典型區(qū)段進行非飽和滲流計算。為削弱邊界效應帶來的影響,坡體模型尺寸定為12 m×65 m×44 m(長×寬×高),抗滑樁模型尺寸為2 m×3 m×14 m(長×寬×高),擋土板模型尺寸為4.0 m×0.4 m×4.0 m(長×寬×高)。圍巖采取Mohr-Coulomb模型,支護結(jié)構(gòu)中抗滑樁與擋土板采取彈性模型,參數(shù)采取表1與表2的室內(nèi)試驗結(jié)果。在網(wǎng)格劃分中,模型采取對稱網(wǎng)格,土體結(jié)構(gòu)采取Pore-Fluid/Stress的C3D8P單元,抗滑樁與擋土板采用3D Stress的C3D8R單元。模型尺寸與網(wǎng)格劃分效果圖見圖1。
圖1 模型尺寸與網(wǎng)格劃分效果圖
模型中定義XOY面為邊坡斷面,Z軸為擋土板走向的方向,其邊界條件為:下底面限制任意方向移動,四周限制法向變形,坡面選擇入滲邊界,下底面及四周邊界設為自由滲出邊界,僅支持孔隙水從邊界滲出,限制滲入。降雨前,坡體處于靜水條件下穩(wěn)態(tài)。延安地區(qū)地下水位埋深較大,依據(jù)當?shù)氐叵滤粍討B(tài)監(jiān)測結(jié)果[18],將初始地下水位預設在埋深16 m處,水位以下凈水孔壓力隨深度線性增加。
在自然降雨過程中,通過將振弦式孔隙水壓力計埋設在坡面不同深度處(1 m、2 m、3 m),對邊坡進行孔壓監(jiān)測,通過TF-CX-901F型測斜儀量測坡體深部位移情況。此處通過對7月某次自然降雨(日降雨量110 mm/d,持續(xù)2 d)進行模擬,并將計算得到的位移變化與實測資料進行對比,用以驗證模型的可靠性。測斜儀現(xiàn)場監(jiān)測圖見圖2。圖3對比了實際地層降雨條件下坡體深部位移實測值與計算值。
由圖3可以看出:位移計算值與實測值吻合較好。通過以上分析可知:本文建立的數(shù)值模型用于分析自然降雨下邊坡的穩(wěn)定性問題是合理的。下文將用該模型進行考慮土體水力特性與降雨模式的黃土邊坡變形規(guī)律研究。
邊坡幾何形狀與初始地下水位位置主要影響坡體安全系數(shù)初始值,服役期實際破壞條件很大程度上取決于施加在坡面上的降雨與土體性質(zhì)[19],故本文主要探討外界降雨模式和內(nèi)部土體水力特性對非飽和土邊坡穩(wěn)定性的影響。選取Van Genuchten模型參數(shù)a、參數(shù)n與飽和滲透系數(shù)ks,為本文研究的水力性質(zhì)變量,選取降雨強度、降雨類型與降雨持時為降雨模式變量。為提高分析結(jié)果的工程實用價值,結(jié)合陜北地區(qū)降雨特征[20],采用Soils瞬態(tài)分析步進行降雨入滲全過程分析。
選取陜北地區(qū)分布廣泛的黃土,根據(jù)飽和滲透系數(shù)ks數(shù)量級上的差異,將其分為排水良好與排水不良兩類。為削弱土體初始抗剪強度特性對邊坡穩(wěn)定性的影響,土體均采用Mohr-Coulomb屈服準則,參數(shù)研究中僅改變水力參數(shù),其余土性參數(shù)保持不變。表3列出了參數(shù)研究中涉及的可變參數(shù),每一種影響因素考慮4個水平,其余因素保持不變。
表3 數(shù)值試驗選定影響因素及水平
盡管所有參數(shù)條件的邊坡?lián)碛邢嗤哪P统叽缗c初始地下水位,但每種黃土類型對施加的土水特征參數(shù)、飽和滲透系數(shù)等條件響應不同,因此,降雨前坡體位移分布情況不同。為了獲得統(tǒng)一化可比數(shù)據(jù),在分析不同參數(shù)條件下的計算結(jié)果時,選取坡體變形最大點提取數(shù)據(jù)展開分析。
3.1.1 VG模型參數(shù)a的影響
圖4為VG模型參數(shù)a變化時坡體位移時程曲線。圖4a與圖4b分別展示了VG模型參數(shù)a變化時,排水良好與排水不良的土質(zhì)邊坡變形最大點位移隨降雨持時的變化規(guī)律。
圖4中的位移變化是由降雨強度400 mm/d、降雨72 h引起的。由圖4可知:無論土體排水性如何,參數(shù)a較小時,坡體變形隨降雨持時的上升速度更快且最終位移更高。相對而言,對于排水良好的坡體,相同降雨條件下最終位移差異較小,土體參數(shù)a的變化對邊坡穩(wěn)定性影響微弱。對于排水不良土體的坡體,最終位移差異明顯,土體參數(shù)a的變化對坡體穩(wěn)定性影響顯著。
在土-水特征曲線模型中,參數(shù)a是與進氣值有關的試驗參數(shù)。參數(shù)a的值越低,進氣值越大,相同基質(zhì)吸力下體積含水量越高。在非飽和土中,水僅在孔隙水所占空間中流動,故體積含水量較高的土體中水的運動更快。飽和滲透系數(shù)一定的情況下,參數(shù)a較低的土體在相同基質(zhì)吸力下具有較高的滲透系數(shù),雨水進入土體的入滲能力更強,則坡體受降雨影響范圍更大,入滲更深。因此,對于參數(shù)a值較低的土體,變形隨降雨持時的上升速度更快。
3.1.2 VG模型參數(shù)n的影響
圖5為VG模型參數(shù)n變化時坡體位移時程曲線。圖5a與圖5b分別展示了VG模型參數(shù)n變化時,排水良好與排水不良的土質(zhì)邊坡變形最大點位移隨降雨持時的變化規(guī)律。
圖5的位移變化是由降雨強度400 mm/d、降雨72 h引起的。由圖5可知:對于排水良好的土體,參數(shù)n變化時,隨持續(xù)降雨坡體加劇的變形量并不顯著,最終變形量也大致相同,而對于所有排水不良的土體,變形量的增加幅度較大。即參數(shù)n的變化對排水良好的土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性影響微弱,對排水不良土體的坡體穩(wěn)定性影響較顯著。但總體而言,無論土體排水性如何,參數(shù)n較低時變形隨降雨持時增加的上升速度更快。
VG模型參數(shù)n與孔徑分布有關,影響土壤水分特征曲線內(nèi)彎點的斜率。參數(shù)n越大,孔徑分布越小,土壤水分特征曲線內(nèi)彎點的斜率越陡。當基質(zhì)吸力低于進氣值時,n值較高的土體體積含水量較高;當基質(zhì)吸力高于進氣值時,n值較高的土體體積含水量較低。故降雨作用時坡體的變形響應取決于土體的初始基質(zhì)吸力狀態(tài)。鑒于延安地區(qū)地下水位較深,降雨前坡體非飽和土的初始基質(zhì)吸力已經(jīng)高于進氣值,故n值較低的土體體積含水量較高,入滲深度較大,相同情況下變形隨降雨時長的上升速度更快。這是地下水位深埋邊坡與普通土質(zhì)邊坡,如熱帶地區(qū)邊坡[13]相異之處。
3.1.3 飽和滲透系數(shù)ks的影響
圖6為飽和滲透系數(shù)ks變化時坡體位移時程曲線。圖6a與圖6b分別展示了排水良好和排水不良的土體在不同飽和滲透系數(shù)ks下,變形最大點位移隨降雨持時的變化規(guī)律。
圖6的位移變化是由降雨強度400 mm/d、降雨72 h引起的,排水良好土體飽和滲透系數(shù)大于選定雨強,排水不良土體的反之。從圖6中可以看出:飽和滲透系數(shù)ks變化時,對于排水良好的土體,隨降雨持時增加,變形量的加劇并不顯著,最終變形量差距不大;而對于所有排水不良的土體,變形量增加的幅度較大。即飽和滲透系數(shù)ks的變化對排水良好土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性影響微弱,對于排水不良土體的坡體穩(wěn)定性影響較顯著。相較而言,無論土體排水性如何,相同降雨條件下飽和滲透系數(shù)ks較低時坡體最終變形量較大。
對飽和滲透系數(shù)不同的坡體而言,降雨強度與飽和滲透系數(shù)相對關系至關重要。排水不良土體的滲透系數(shù)小于降雨強度,坡面土體體積含水率很快達到飽和,部分降雨在坡面形成短暫積水,孔隙氣壓力增加,降雨入滲難度較大,入滲深度較淺,表層土體孔隙水壓力與基質(zhì)吸力變化幅度反而較大。而排水良好土體的飽和滲透系數(shù)大于降雨強度,氣體可以溢出坡面,濕潤鋒推進較快,坡體入滲深度較深,但表層土體飽和度始終不高,孔隙水壓力變化較小,為較大負值,基質(zhì)吸力減小作用微弱,保持在較大值,故排水良好土體坡體在同等降雨條件下變形值較小??傮w而言,無論降雨強度如何,土體的滲透系數(shù)越大,雨水的入滲深度越深,相對使得坡體淺層基質(zhì)吸力更高,最終坡體變形量便相對較小。
3.2.1 降雨強度的影響
圖7為降雨強度q變化時坡體位移時程曲線。圖7a與圖7b分別為排水良好和排水不良的土體,在降雨強度不同時變形最大點位移隨降雨持時的變化規(guī)律。
鑒于黃土地區(qū)降雨多暴雨且雨季集中,根據(jù)降雨量等級劃分標準[21],選擇400 mm/d(特大暴雨)、200 mm/d(大暴雨)、100 mm/d(暴雨)與50 mm/d(大雨)4種降雨強度,分析同一土體不同降雨強度下位移變化差異。從圖7中可以看出:不同降雨強度對坡體位移響應差距較大。無論土體排水性如何,相同降雨時間內(nèi)降雨強度越大誘發(fā)坡體位移越大,且隨著降雨強度的增加,位移增大幅度逐漸增大。分析可知:雨強越大,相同時間內(nèi)滲入坡體的雨量越大,坡體相同位置處土體越飽和,孔隙水壓力越大,基質(zhì)吸力消散越快,故坡體位移越大,穩(wěn)定性越低。
3.2.2 降雨類型的影響
圖8為降雨類型變化時坡體位移時程曲線。圖8a與圖8b分別為排水良好和排水不良的土體,在強降雨類型不同時變形最大點位移隨降雨持時變化規(guī)律。
伴隨著降雨的進行,相同總降雨量下不同降雨類型有不同的雨量分配特征。72 h總降雨量相同的條件下,選擇勻強、單峰、漸強與漸衰4種降雨類型,分析同種土體不同強降雨類型下位移變化差異。從圖8中可以看出:相同降雨強度下不同降雨類型對應的位移最大值出現(xiàn)時間不一致,但均與降雨峰值時間有關。勻強與漸強型位移最大值出現(xiàn)在降雨停止時,單峰與漸衰型位移最大值出現(xiàn)在降雨峰值時間附近。
無論土體排水性如何,坡體位移與降雨強度時間呈正相關。降雨24 h時,坡體變形程度呈現(xiàn)出漸衰型>單峰型>勻強型>漸強型,這是由于此時漸強型降雨強度最低,故位移響應速度最慢,而漸衰型初始時間降雨強度最大,后期強度有所衰減,孔隙水壓力減小,而基質(zhì)吸力增強,故位移呈現(xiàn)先增大后減小的狀態(tài),變形回彈。降雨72 h后,坡體變形程度呈現(xiàn)出漸強型>勻強型>單峰型>漸衰型,這是由于漸強型與勻強型中后期仍存在較大降雨強度,土體孔隙水壓力持續(xù)增加,基質(zhì)吸力衰減,由此引發(fā)坡體位移增大。總體而言,漸強型降雨結(jié)束后坡體位移最大,勻強型與單峰型次之,漸衰型最小??梢?,累計降雨量與降雨持時一定的情況下,邊坡在漸強型降雨類型下更易發(fā)生失穩(wěn)破壞,工程實際中應給予重視。
3.2.3 降雨持時的影響
圖9為降雨持時t變化時坡體位移隨埋深變化曲線。圖9a與圖9b分別展示了不同降雨持時下,排水良好和排水不良的土體坡體位移隨埋深變化規(guī)律。
圖9的位移變化是由降雨強度400 mm/d、勻強型降雨引起的。由圖9可以看出:隨著降雨持時的增加,無論土體排水性如何,坡體入滲深度均隨之加深。降雨過程中,邊坡淺層土體最先受到影響,位移出現(xiàn)較大變化。隨著降雨持時的增加,累計降雨量不斷增大,深部土體位移亦出現(xiàn)響應,但隨著埋深的加深,位移逐漸減小。對比土體不同排水特性下位移隨埋深變化曲線,分析可知排水良好土體降雨入滲較快,坡體深部響應較快,排水不良土體淺層位移變化明顯,這主要是由土-水特征曲線不同引起的,前文已分析。
圖10a~圖10d分別為各個參數(shù)變化下坡體孔隙水壓力隨埋深的變化曲線圖,可用于分析參數(shù)變化對降雨入滲條件下坡體滲流場的影響程度。
對水力參數(shù)而言,水力參數(shù)a是與土體進氣值有關的試驗參數(shù),其值越低,進氣值越大。由圖10可以看出:對于飽和滲透系數(shù)較大的排水良好土體,參數(shù)a變化對孔隙水壓力計算結(jié)果影響微弱;對于飽和滲透系數(shù)較小的排水不良土體,參數(shù)a越低,降雨入滲速度越快,相同埋深下負孔隙水壓力值越高,基質(zhì)吸力越低,坡體最終變形量較大。水力參數(shù)n與土體孔徑分布有關,其值越大,孔徑分布越小,土壤水分特征曲線內(nèi)彎點斜率越陡。對初始地下水位深埋邊坡,與參數(shù)a規(guī)律類似,參數(shù)n越低,埋深一定時,負孔隙水壓力值越高,基質(zhì)吸力越低,相同情況下變形隨持續(xù)降雨上升速度更快。無論土體排水性如何,飽和滲透系數(shù)ks越低,埋深一定時負孔隙水壓力值越高,基質(zhì)吸力越低,相同情況下坡體最終變形量較大。
對降雨參數(shù)而言,降雨強度直接影響坡體入滲量,降雨強度越大,埋深一定時,負孔隙水壓力值越高,基質(zhì)吸力消散越快,相同情況下坡體最終變形量較大。降雨類型影響雨量分配狀態(tài),降雨總量與降雨持時一定的情況下,降雨結(jié)束后4種降雨類型時坡體孔隙水壓力隨埋深變化規(guī)律各不相同,相對而言,無論土體排水性如何,影響范圍內(nèi)漸強型孔隙水壓力最高,漸衰型孔隙水壓力最低。降雨持時影響降雨總量,分析可知:降雨持時越長,埋深一定時孔隙水壓力值越高,基質(zhì)吸力消散越快,坡體最終變形量較大。
以孔隙水壓力變化情況為依據(jù),分析可知對于排水不良土體,各參數(shù)變化影響程度為:降雨持時>降雨強度>VG模型參數(shù)a>降雨類型>飽和滲透系數(shù)>VG模型參數(shù)n。對于排水良好黃土而言,坡體孔隙水壓力狀態(tài)對參數(shù)變化不敏感,相對而言影響程度為:飽和滲透系數(shù)>降雨類型>VG模型參數(shù)n>降雨持時>降雨強度>VG模型參數(shù)a。總體而言,VG模型參數(shù)變化對排水不良土體坡體影響更顯著,土體飽和滲透系數(shù)與降雨參數(shù)對排水良好和不良的坡體穩(wěn)定性均有獨特影響。
(1)對水力參數(shù)而言,VG模型參數(shù)a是與進氣值有關的試驗參數(shù),參數(shù)a值較低的土體,坡體變形隨降雨歷時上升的速度更快,最終位移值更高;VG模型參數(shù)n與孔徑分布有關,參數(shù)n越小,孔徑分布越大,土壤水分特征曲線內(nèi)彎點斜率越緩。對地下水位深埋邊坡而言,參數(shù)n值較低的土體坡體變形上升速度更快;相同降雨條件下,飽和滲透系數(shù)ks較低時,坡體最終變形量較大。
(2)對降雨參數(shù)而言,相同時間內(nèi)降雨強度越大誘發(fā)坡體位移越大,且隨著降雨強度的增加,位移增長幅度逐漸增大;降雨類型變化時,坡體位移與降雨強度時間呈正相關;隨著降雨持時的增加,累計降雨量不斷增大,坡體入滲深度隨之加深。埋深一定時,降雨持時越長,孔隙水壓力值越高,坡體最終變形量越大。
(3)以孔隙水壓力變化情況為依據(jù),排水不同,坡體對參數(shù)變化敏感程度不同。VG模型參數(shù)變化對排水不良土體坡體影響更顯著,而土體飽和滲透系數(shù)與降雨模式參數(shù)對排水良好和排水不良的坡體穩(wěn)定性均有獨特影響。
(4)累計降雨量與降雨持時一定的情況下,排水不良土體坡體在外界漸強型降雨類型下,或者土體VG模型參數(shù)a與飽和滲透系數(shù)ks較低時,更易發(fā)生失穩(wěn)破壞,滑坡災害防治工作中應給予重視。