降雨入滲下殘積土坡的失穩(wěn)機理與加固治理

柯云斌

(臺州學(xué)院建筑工程學(xué)院，浙江臺州318000)

在我國東南部，花崗巖分布相當(dāng)廣泛，尤其在廣東、福建以及桂東南與湘南、贛南一帶，更為集中。花崗巖出露面積，在閩、粵2省都占其總面積的30%～40%，桂、湘、贛3省分別占其總而積的10%～20%[1]。由降雨引起的花崗巖殘積土邊坡垮塌屢見不鮮，因此，近幾十年來降雨型滑坡一直是工程界的研究熱點，隨著非飽和土力學(xué)理論的不斷發(fā)展，國內(nèi)外許多學(xué)者采用飽和—非飽和滲流方法對降雨入滲下邊坡穩(wěn)定性的影響進行了深入研究，并取得了許多重要的成果[2-10]，這些成果對認識降雨誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的力學(xué)機理具有重要意義。但以上多是圍繞膨脹土等特殊非飽和土進行研究，對降雨條件下強風(fēng)化花崗巖殘積土的研究則相對較少。因此，以殘積土邊坡為研究對象，進行降雨入滲的邊坡失穩(wěn)的研究對于進一步認識花崗巖殘積土邊坡的失穩(wěn)機理具有重要的理論意義。鑒于此，本文針對福建省典型非飽和花崗巖殘積土邊坡為例，采用飽和—非飽和滲流理論模擬降雨入滲的過程，分析降雨條件對邊坡滲流場和穩(wěn)定性的影響，并提出相應(yīng)的加固方案。

1 非飽和土強度準(zhǔn)則

本文采用的非飽和土抗剪強度按Fredlund等1978年提出的公式計算[2]:

式中 :τf——非飽和土抗剪強度;c＇，φ＇——有效黏聚力和有效內(nèi)摩擦角;φb——吸力內(nèi)摩擦角;σn——總應(yīng)力;ua-uw——土體的基質(zhì)吸力。

2 數(shù)值分析算例

2.1 計算模型及參數(shù)

本文以福州大學(xué)銅盤校區(qū)1#邊坡為例進行降雨條件下滲流分析，該段邊坡高42.3 m，長147 m，為2級邊坡，由上而下一級邊坡高12.4 m，坡率為 1∶1.6，一級臺階寬6.0 m，二級邊坡高19.1 m，坡率為1∶1.45。為了表現(xiàn)強降雨對非飽和土質(zhì)邊坡滲流場的影響，根據(jù)福州市降雨強度特點，選擇了不同日降雨強度進行模擬。因現(xiàn)場勘探深度范圍內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定性的地下水位，在模擬時設(shè)定初始地下水位在x坐標(biāo)軸上，其計算模型如圖1所示。

圖1 福州大學(xué)銅盤校區(qū)1#邊坡數(shù)值計算模型

對于非飽和滲流問題，非飽和區(qū)的孔隙水壓力、體積含水量、滲透系數(shù)及容水度都是時間的函數(shù)。在有限元分析計算中，土質(zhì)的物理力學(xué)參數(shù)見表1所示，土—水特征曲線采用濾紙法得到，滲透曲線的飽和滲透系數(shù)取試驗數(shù)據(jù)，根據(jù)土水特征曲線采用V—G模型得到(見圖2)。數(shù)值模擬時降雨強度分別采用暴雨強度 50 mm/d，大暴雨強度 100，150，200 mm/d這4種工況。

表1 計算模型的土質(zhì)參數(shù)

圖2 各土層的土水特征曲線與滲透曲線

2.2 降雨邊界的處理

降雨入滲條件下，雨水的入滲率與土體的滲透性有關(guān)。當(dāng)降雨強度小于土體表面的入滲能力時，計算入滲速率取為降雨強度，邊界條件為Neumann邊界:

當(dāng)降雨強度大于土體表面的入滲能力時，入滲的強度等于土體的入滲能力，邊界條件轉(zhuǎn)為Dirichlet邊界:

3 降雨條件下殘積土邊坡的滲流場分布特征

3.1 降雨歷時的影響

圖3為邊坡在50 mm/d降雨強度條件下不同時刻邊坡橫向20 m處孔隙水壓力變化情況。無降雨時，孔隙水壓力等值線依據(jù)其原始條件分布。降雨過程中，水分通過邊坡表面進入坡體內(nèi)，形成豎向滲流，坡體上部的含水量加大，孔隙水壓力增大;距離地表的非飽和區(qū)的孔隙水壓力變化較為明顯，即從坡頂往下，邊坡孔隙水壓力經(jīng)歷大—小—大的過程。隨著降雨歷時的增長，坡體上部的含水量增加的區(qū)域越來越大，坡體的飽和度也在不斷地加大，孔隙水壓力不斷地增大，如在1 d時，近坡表面的孔隙壓力梯度比較小，坡體中間含水量較低的區(qū)域比較大，當(dāng)降雨歷續(xù)6 d時，坡表處孔隙水壓力梯度減小，這在降雨歷續(xù)10 d時尤為顯著。體現(xiàn)了降雨歷時對滲流場的影響變化規(guī)律，同時毛細現(xiàn)象使得坡底附近含水量也略有增加。

圖4為50 mm/d降雨強度不同降雨歷時時體積含水率隨深度的變化曲線。由圖可以看出，降雨作用使得近坡表處體積含水率快速增大，但并未達到飽和狀態(tài)，較深處僅有微小的增大。

圖3 不同降雨歷時的孔隙水壓力曲線

圖4 不同降雨歷時的體積含水量曲線

3.2 降雨強度的影響

圖5，6分別為不同降雨強度持續(xù)3 d時邊坡橫斷面20 m處孔隙水壓力和體積含水率隨深度的變化曲線。比較圖3和圖5，可以看出，在相同降雨歷時條件下，強降雨使雨水入滲的速度更快。在降雨持續(xù)3 d時，近坡表處-20 kPa的孔隙水壓力等值線的深度200 mm/d降雨強度時最深，150 mm/d次之。從50～100 mm/d時其增長速率較快，而后趨勢變緩。孔隙水壓力的影響深度隨降雨強度的增大而增大?？梢?，降雨強度越大對孔隙水壓力分布影響顯著。

圖6表明，降雨強度小于土體的入滲能力時，在相同降雨持時時，其入滲量隨降雨強度的增大而增大，因而，上部土層的體積含水率隨也呈現(xiàn)出隨降雨強度的增大而增大的趨勢。

圖5 不同降雨強度下孔隙水壓力變化曲線

圖6 不同降雨強度下體積含水量變化曲線

4 降雨入滲對花崗巖殘積土邊坡穩(wěn)定性的影響

4.1 降雨歷時對邊坡穩(wěn)定性的影響

圖7為該邊坡在50 mm/d降雨強度下安全系數(shù)—降雨歷時曲線。由圖可見，降雨入滲使得邊坡的穩(wěn)定性降低。在降雨期間，邊坡的安全系數(shù)隨降雨歷時的延長而減小。在50 mm/d降雨強度作用下，邊坡穩(wěn)定性在降雨初期下降的比較快，降雨歷時1 d時邊坡的安全系數(shù)從1.246降到1.220。隨時間的延長，下降趨勢變緩，當(dāng)降雨持續(xù) 10 d時，安全系數(shù)下降到1.202。由此可見，在降雨初期，隨著降雨時間的增大，邊坡內(nèi)土體孔隙水壓力增大，基質(zhì)吸力逐漸減少，抗剪強度下降，從而導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性在降雨初期下降比較顯著;隨著降雨時間的進一步延長，坡內(nèi)滲流場變化逐漸變小，土體吸力逐漸變化較小，從而導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性下降趨勢變緩并逐漸趨于一穩(wěn)定值，因而在工程設(shè)計中應(yīng)考慮基質(zhì)吸力對邊坡穩(wěn)定性的影響。

圖7 安全系數(shù)—降雨歷時關(guān)系曲線

4.2 降雨強度對邊坡穩(wěn)定性的影響

圖8為邊坡安全系數(shù)—降雨強度關(guān)系曲線。邊坡在50 mm/d降雨強度作用3 d時，安全系數(shù)為1.211，而在200 mm/d降雨強度作用3 d時，安全系數(shù)下降到1.192。邊坡在不考慮降雨的條件下其穩(wěn)定性并不滿足建筑邊坡安全要求，在降雨強度較小時，邊坡穩(wěn)定性降幅較大，當(dāng)降雨強度逐漸增大時，邊坡穩(wěn)定性降幅趨于平緩。說明雨水的入滲導(dǎo)致坡體內(nèi)負孔隙水壓力(基質(zhì)吸力)大幅下降，小降雨強度對于邊坡穩(wěn)定性的影響不容忽視。同時說明當(dāng)降雨歷時較短時，降雨強度僅僅改變了近坡表附近的孔隙水壓力分布及含水量，對深層狀態(tài)的影響相對較小，因而降雨強度對于邊坡淺層溜方影響較大。

圖8 安全系數(shù)—降雨強度關(guān)系曲線

5 加固方案設(shè)計

由前面分析可知，該段邊坡無論在未降雨條件下還是降雨條件下穩(wěn)定性均不能滿足安全要求，因此，擬采用C25鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力錨索進行加固，錨索分4排，單束設(shè)計軸向拉力為500 kN，注漿材料采用水泥漿或1∶1水泥砂漿，注漿壓力大于0.5 MPa，采用標(biāo)號不低于32.5 MPa的普通硅酸鹽水泥，漿體強度不小于20 MPa。采用預(yù)應(yīng)力錨索加固后邊坡的穩(wěn)定性的安全系數(shù)達到1.498，大于一級建筑邊坡容許安全系數(shù)1.3，滿足要求。

6 結(jié)論

(1)在降雨入滲過程中，坡體表面含水量增大，水分通過坡體表面進入坡體內(nèi)，形成豎向滲流，整個坡體上部的飽和程度加大，孔隙水壓力增大，從坡頂往下呈現(xiàn)大—小—大的變化趨勢。

(2)近坡表處的最大孔隙水壓力和體積含水率隨降雨歷時的延長和降雨強度的增大而增大，且影響深度均隨之增大，體現(xiàn)了降雨對滲流場的影響變化規(guī)律。

(3)在降雨初期，隨著降雨時間的增大，邊坡土體孔隙水壓力增大，基質(zhì)吸力逐漸減少，抗剪強度下降，從而導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性在降雨初期下降比較顯著;隨著降雨時間的進一步延長，坡內(nèi)滲流場變化逐漸變小，土體吸力逐漸變化較小，從而導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性下降趨勢變緩并逐漸趨于一穩(wěn)定值，因而在工程設(shè)計中應(yīng)考慮基質(zhì)吸力對邊坡穩(wěn)定性的影響。

(4)雨水的入滲導(dǎo)致坡體內(nèi)負孔隙水壓力(基質(zhì)吸力)大幅下降，小降雨強度對于邊坡穩(wěn)定性的影響不容忽視。當(dāng)降雨持時較短時，降雨強度僅僅改變了近坡表附近的孔隙水壓力分布及含水量，對深層狀態(tài)的影響相對較小，因而降雨強度對于邊坡淺層溜方影響較大。

[1] 中國科學(xué)院《中國自然地理》編委會.中國自然地理地貌[M].北京:科學(xué)出版社，1980.

[2] Ng C W W，Shi Q A.A numerical investigation of the stability of unsaturated soil slopes subjected to transient seepage[J].Computer and Geotechnics，1998，22(1):1-28.

[3] 包承綱.非飽和土的性狀及膨脹土路堤穩(wěn)定問題[J].巖土工程學(xué)報，2004，26(1):1-15.

[4] 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.

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

[6] 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.

[7] 袁俊平，殷宗澤.考慮裂隙非飽和膨脹土邊坡入滲模型與數(shù)值模擬[J].巖土力學(xué)，2004，25(10):1581-1586.

[8] 陳守義.考慮入滲和蒸發(fā)影響的邊坡穩(wěn)定性分析方法[J].巖土力學(xué) ，1997 ，18(2):8-12.

[9] 高潤德，彭良泉，王釗.雨水入滲作用下非飽和土邊坡的穩(wěn)定性分析[J].人民長江，2001，32(11):25-27.

[10] 平揚，劉明智，鄭少河.降雨入滲條件下的膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2004，23(S1):4478-4484.