朱志廣 肖成明 唐林強(qiáng)
(廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣西 南寧 530023)
邊坡失穩(wěn)形成滑坡災(zāi)害已成為我國常見的地質(zhì)災(zāi)害。據(jù)統(tǒng)計,在2005~2020年間,廣西境內(nèi)由降雨誘發(fā)的滑坡地質(zhì)災(zāi)害占總滑坡災(zāi)害數(shù)量的84.42%,由此可見,降雨成為誘發(fā)邊坡失穩(wěn)導(dǎo)致滑坡的重要影響因素,對降雨入滲對邊坡穩(wěn)定性影響的研究具有重要意義。
降雨入滲對邊坡穩(wěn)定性影響是非常廣泛的,也是非常復(fù)雜的,應(yīng)把降雨入滲的邊坡當(dāng)作一個平面問題去分析[2],降雨入滲形成穩(wěn)定滲流的分析如下:
降雨單位時間流入土體單元的水量為:
則降雨單位時間流出土體單元的水量為:
根據(jù)水的連續(xù)性原理,單位土體的水滲入量等于流出量,即dq=dq0可以化簡為:
式中:Vx——x軸方向的流速;
Vz——z軸方向的流速;
KX——x軸方向的滲透系數(shù);
KZ——z軸方向的滲透系數(shù);
由此可以測定土體的水平滲透系數(shù)KX和豎向滲透系數(shù)KZ以及滲流的邊界條件,就可以計算出雨水在土體中的滲流問題。
以某高速路邊坡為例,該路塹邊坡左側(cè)開挖高度最高約37m,右側(cè)開挖高度最高約17m,分級開挖,每級高度10m。坡面采用1.00∶1.00~1.00∶1.25的坡率放坡;采用拱形骨架護(hù)坡。該邊坡在施工過程中,受強(qiáng)降雨和新形成的臨空面的影響,出現(xiàn)滑坡,滑動范圍最遠(yuǎn)處距離路基中線約100m,滑坡前緣位于路塹邊坡坡面,高程約345m,后緣位于半山腰,高程379m,前后緣高差約34m,主力軸長約90m,面積約1.1×104m2,滑坡體厚度3~15m,體積約8×104m3,屬順層中型牽引式中層滑坡。據(jù)現(xiàn)場施工單位反映,7月初部分邊坡混凝土骨架已經(jīng)施工,該路塹邊坡發(fā)現(xiàn)一些細(xì)小裂縫,經(jīng)大雨后裂縫有所發(fā)展,經(jīng)過連續(xù)幾天的暴雨后,邊坡裂縫貫通呈圈椅狀滑坡,見圖1所示。
圖1 滑坡的概貌
本文選用該邊坡詳勘階段的土工試驗作為未降雨前土體的物理力學(xué)參數(shù),該邊坡滑動后,重新進(jìn)行勘察,以滑坡后土工試驗作為降雨后土體的物理力學(xué)參數(shù),依據(jù)現(xiàn)場試驗及土工試驗結(jié)果,該滑坡前后土體的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)對比見表1。
表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)表
假設(shè)土體為各向同性,即滲透系數(shù)KX=KZ,根據(jù)達(dá)西定律以及降雨入滲穩(wěn)定滲流基本理論,降雨入滲流量Q的計算公式如下:
式中:A——匯水面積;
KX——x軸方向的滲透系數(shù);
KZ——z軸方向的滲透系數(shù);
i——水力坡降;
根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,該滑坡匯水面積約1.1×104m2,滑坡體厚度3~15m,滲透系數(shù)KZ=0.05m∕d,受強(qiáng)降雨影響,滑坡體內(nèi)水力坡降為i=0.364,由此可以估算降雨入滲流量:
降雨對邊坡穩(wěn)定影響主要在于降雨入滲,土體的含水率增大,對于正常固結(jié)黏性土,土體在剪切破壞時,含水率(或者密度)和強(qiáng)度間存在唯一性關(guān)系,與試驗的類型、排水條件和應(yīng)力路徑無關(guān),這一規(guī)律就是亨開爾(Henkel D J)學(xué)者提出的密度(含水率)-有效應(yīng)力-抗剪強(qiáng)度的唯一性關(guān)系[1]。根據(jù)這個規(guī)律,某正常固結(jié)土體進(jìn)行含水率試驗和直剪試驗可以得出含水率與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系如下:
φw=φ0-βw
c0——干燥狀態(tài)下、土的粘聚力,kPa;
φ0——干燥狀態(tài)下、土的內(nèi)摩擦角,o;
wp——土的塑限;
α、β——含水率線性擬合系數(shù),與土的性質(zhì)有關(guān)。
根據(jù)以上關(guān)系可以看出,當(dāng)土體含水量變化時,強(qiáng)度也隨之變化[3],隨著含水率的增大,內(nèi)摩擦角逐漸減?。火ぞ哿ο仍龃螅ㄋ芟藓史秶┖鬁p小的關(guān)系。
降雨前,邊坡未發(fā)生滑動,邊坡整體按巖土組合邊坡考慮,邊坡開挖后,邊坡上部土最可能出現(xiàn)的破壞模式為圓弧滑動破壞,采用Bishop法對邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性計算分析,計算結(jié)果如圖1所示。根據(jù)計算結(jié)果,邊坡在降雨前穩(wěn)定系數(shù)為1.23,基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。
圖1 降雨前邊坡的穩(wěn)定性分析
降雨對邊坡的穩(wěn)定性的影響主要有∶(1)雨水入滲導(dǎo)致的滲流作用使邊坡的下滑力增加;(2)隨著雨水入滲使得巖土體的抗剪強(qiáng)度降低或軟化[4]。本工程邊坡受降雨影響,上部殘積土由于雨水入滲坡體,含水率增大,且下伏基巖為相對隔水層,大部分雨水在基巖面附近匯集,基巖面附近的土體達(dá)到飽和狀態(tài),基本處于軟塑狀態(tài),抗剪強(qiáng)度急劇降低、軟化,形成滑帶,最終形成滑坡。根據(jù)滑動面的形態(tài)特征,采用基于極限平衡理論的折線型滑動面推力傳遞系數(shù)法對滑坡進(jìn)行穩(wěn)定性計算分析,穩(wěn)定系數(shù)為0.992,計算過程見表2。
表2 滑坡穩(wěn)定系數(shù)計算表
通過邊坡降雨前后穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行分析,降雨前,土體的含水率適中,抗剪強(qiáng)度較好,邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.23,由于強(qiáng)降雨的作用,雨水入滲坡體,遇到基巖相對隔水層在基巖面附近匯集,土體的含水率突然增大,呈軟塑狀態(tài),抗剪強(qiáng)度急劇降低,最終導(dǎo)致該滑坡的形成。
本文以某高速公路邊坡為工程實際案例進(jìn)行分析,通過對比降雨前后滑坡土體的物理力學(xué)性質(zhì)變化,根據(jù)降雨入滲穩(wěn)定滲流基本理論推測該邊坡降雨入滲量,分析含水率與抗剪強(qiáng)度參數(shù)的關(guān)系,并對該邊坡降雨前后穩(wěn)定性進(jìn)行計算分析,總結(jié)降雨入滲對邊坡穩(wěn)定性影響,對降雨入滲坡體研究以及工程建設(shè)具有重要指導(dǎo)意義。