付新平,丁 勇
(1.鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司,天津 300142;2.西北大學大陸動力學國家重點實驗室,西安 710069)
調(diào)查研究表明,黃土邊坡失穩(wěn)大多出現(xiàn)在雨季或暴雨之后。降雨入滲使得非飽和黃土浸水濕潤,含水量增加,基質(zhì)吸力降低乃至消失,土體抗剪強度大幅下降,進而誘發(fā)邊坡變形破壞甚至滑坡[1~3]。評價降雨作用下黃土邊坡的穩(wěn)定性就必須知道黃土基質(zhì)吸力隨含水量的變化規(guī)律和降雨入滲過程中基質(zhì)吸力的分布情況和變化趨勢。
本文通過英國GDS三軸儀,對不同含水率情況下的原狀黃土進行了吸力量測,得出了研究區(qū)域黃土的土水特征曲線,通過基質(zhì)吸力控制的非飽和黃土的三軸剪切試驗得到了非飽和抗剪強度參數(shù)。進而選用GeoStudio中SEEP模塊進行降雨數(shù)值模擬,計算出不同降雨強度和降雨持時的瞬態(tài)滲流場及孔隙水壓力(基質(zhì)吸力)分布圖。最后將計算結(jié)果導入SLOPE中,采用試驗得出非飽和黃土的抗剪強度參數(shù),分析了不同降雨工況下的邊坡穩(wěn)定性。
試驗土樣取至某重載鐵路山西臨縣境內(nèi)某邊坡,位于亞濕潤-半干旱的黃土地區(qū)?;疚锢硇再|(zhì)指標如表1所示。由表1可知,黃土的天然含水量為10.45%,為了得出相對完整水土特征曲線,需在原狀試樣的基礎(chǔ)上配置不同含水量的試樣,試驗開始前配置了4.5%、7.45%、13.45%、16.45%、19.45%、22.45%、25.45% 7組不同含水量的黃土試樣,加上天然含水量10.45%,一共是8組試樣。
表1 黃土物理性質(zhì)指標
試樣安裝好之后,關(guān)閉水壓閥門和反壓閥門,打開氣壓閥門,啟動所用控制系統(tǒng)和測量系統(tǒng),點擊GDS程序,打開非飽和試驗固結(jié)模塊,給定軸壓、圍壓、氣壓(軸壓≥圍壓≥氣壓), 由于氣壓是定值,水壓閥門關(guān)閉,試樣便在封閉環(huán)境中調(diào)整孔隙水壓,直至達到定值。此過程持續(xù)1~30 d,視土樣而定,孔隙大,黏粒含量低的穩(wěn)定時間快,反之黏粒含量高,孔隙細微的穩(wěn)定時間慢。本次試驗共歷時44 d。低含水量和高含水量孔隙水壓力穩(wěn)定時間均較短,中間含水量的穩(wěn)定時間較長,試驗的統(tǒng)計結(jié)果見表2。
表2 黃土吸力試驗統(tǒng)計
根據(jù)表2的試驗數(shù)據(jù),擬合黃土的土水特征曲線(圖1),試樣低含水量時,基質(zhì)吸力變化較大,Fredlund就曾在實驗室測到了高達300 MPa的吸力[4];高含水量至飽和態(tài)時,基質(zhì)吸力變化較小。試驗選取含水量基本覆蓋了邊坡自然條件下含水量的波動范圍,當邊坡飽和時,吸力便不復(fù)存在。
圖1 黃土土水特征擬合曲線
也就是說在低吸力范圍內(nèi),黃土土水特征曲線指數(shù)擬合度相當高,符合:ua-uw=578.26e-0.174 1θ(其中θ為邊坡土體的含水量)。謝定義[5]也曾研究得出不同應(yīng)力狀態(tài)、不同應(yīng)力路徑下非飽和重塑黃土在凈圍壓σt-ua=70~220 kPa下的吸力公式us0-us=becsr(us0為初始吸力,sr為飽和度,b、e為擬合參數(shù))。
為了得出非飽和黃土的抗剪強度參數(shù),需進行非飽和及飽和兩組三軸試驗。進行非飽和黃土三軸試驗時須打開水壓閥門和氣壓閥門,關(guān)閉反壓閥門。本試驗操作分為兩步,第一步:給定軸壓、圍壓、孔隙氣壓、孔隙水壓,即給定符合試樣含水率的基質(zhì)吸力,直至穩(wěn)定;第二步:分別在凈圍壓為50、100、150 kPa條件下以0.010 7 mm/min恒定速率[6,7](保證基質(zhì)吸力不變)進行排水剪切,直至軸向應(yīng)變達到15%,認為試樣破環(huán)。進行飽和黃土試驗時試樣采用反壓飽和法,飽和完成后,在圍壓為50、100、150 kPa條件下以0.2 mm/min恒定速率進行排水剪切,直至軸向應(yīng)變達到15%,認為試樣破環(huán)。
本次試驗對黃土進行了飽和狀態(tài)下固結(jié)排水剪切和液限18.44%情況下的固結(jié)排水剪切,試驗參數(shù)見表3和表4。飽和土的破壞包絡(luò)線可以由繪制在二維力系中一組與破壞條件一致的莫爾圓得到,非飽和土抗剪強度理論中增加了基質(zhì)吸力,就需要增加基質(zhì)吸力坐標軸,變二維坐標系為三維坐標系。此三維坐標系中,縱坐標為剪應(yīng)力τ,橫坐標為兩個應(yīng)力狀態(tài)變量σ-ua和ua-uw,三維坐標的前緣面代表基質(zhì)吸力為零的飽和土。此時即是二維坐標系,如此便實現(xiàn)了飽和土和非飽土抗剪強度包絡(luò)線的平順過渡[8]。
本次試驗黃土的飽和黏聚力為21.13 kPa,摩擦角為17°,當含水量降至塑限18.44%時,根據(jù)離石黃土水土特征曲線擬合公式可知對應(yīng)的基質(zhì)吸力為24 kPa,在圖2中,將法向應(yīng)力軸σ-ua沿基質(zhì)吸力ua-uw軸平移24 kPa,在塑限固結(jié)排水三軸試驗的基礎(chǔ)上畫出莫爾圓,得到摩擦角為22°,總黏聚力為28.78 kPa,代入飽和黏聚力計算得φb=17.5°。由圖2,黃土由飽和至非飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)變時內(nèi)摩擦角增大,非飽和黃土莫爾庫倫破壞包面是一個上翹曲面。
表3 飽和黃土三軸試驗參數(shù)
表4 含水量18.44%黃土三軸試驗參數(shù)
圖2 非飽和黃土莫爾庫倫破壞包面
研究選取的邊坡為黃土均質(zhì)邊坡,高65 m,長130 m。根據(jù)試驗結(jié)果可知黃土天然含水量w=10.45%、密度ρ=1.64 g/cm3、孔隙比e=0.75、液限WL=29.7、塑限Wp=18.5、飽和黏聚力c′=21.13 kPa、飽和內(nèi)摩擦角φ′=17°。初始地下水位線,整體邊坡模型如圖3所示。綜合考慮計算速度與精度的要求,在坡體表面降雨區(qū)域單元劃分較密。有限元網(wǎng)格采用三角形網(wǎng)格,整個模型有450個單元,265個節(jié)點(圖4)。
圖6 降雨30 mm/d(1 d)孔隙水壓力分布
圖7 降雨30 mm/d(5 d)孔隙水壓力分布
圖8 降雨30 mm/d(10 d)孔隙水壓力分布
圖3 整體邊坡模型(單位:m)
圖4 有限元網(wǎng)格劃分
對滲透性進行模擬,需要輸入土的滲透性系數(shù)函數(shù)和水土特征曲線。本文通過測定的黃土滲透系數(shù),并通過擬合得到了滲透性系數(shù)函數(shù)。水土特征曲線見圖1。
在給定水力學函數(shù)情況下,根據(jù)邊界條件,計算出邊坡初始狀態(tài)的孔隙水壓力和體積含水量分布。從圖5可以看出,初始狀態(tài)下,負孔隙水壓力(基質(zhì)吸力)最大值-505.22 kPa出現(xiàn)在坡頂,正孔隙水壓力143.65 kPa出現(xiàn)在坡底,水壓力大致沿地下水位線垂直方向從上往下遞增,地下水位附近及下方出現(xiàn)滲流,滲流速度最大為8.63×10-7m/s。由此可見,隨著降雨強度的增加和降雨持時的延長,邊坡表層孔隙水壓力逐漸增加,對應(yīng)基質(zhì)吸力持續(xù)減小,水頭等值線在坡頂和坡腳最為密集,降雨50 d時吸力減小深度達到7 m。
圖5 初始狀態(tài)坡體孔隙水壓力分布(單位:kPa)
本次模擬雨型為中雨、大雨、暴雨,對應(yīng)雨強為30、60、75 mm/d。研究邊坡地表線按坡度可分為10段,坡度從上到下分別為4°、56°、0°、39°、47°、72°、7°、36°、16°、0°。換算到坡面單位流量雨強見表5。
表5 坡面單位流量 m/s
從圖6 ~圖17可以看出:隨著降雨強度的增加和降雨持時的延長,邊坡表層孔隙水壓力逐漸增加,受影響最大的區(qū)域是坡頂和坡腳。降雨50 d時,地下水位
圖9 降雨30 mm/d(50 d)孔隙水壓力分布
圖10 降雨60 mm/d(1 d)孔隙水壓力分布
圖11 降雨60 mm/d(5 d)孔隙水壓力分布
圖12 降雨60 mm/d(10 d)孔隙水壓力分布
圖13 降雨60 mm/d(50 d)孔隙水壓力分布
圖14 降雨75 mm/d(1 d)孔隙水壓力分布
圖15 降雨75 mm/d(5 d)孔隙水壓力分布
圖16 降雨75 mm/d(10 d)孔隙水壓力分布
圖17 降雨75 mm/d(50 d)孔隙水壓力分布
明顯上升,雨強60 mm/d和雨強75 mm/d情況下,坡腳地下水位已經(jīng)上升至地表,形成穩(wěn)定的正孔隙水壓力。另外吸力影響深度和廣度也與雨強和持時正相關(guān)。
將上述SEEP/W計算的滲流瞬態(tài)結(jié)果導入SLOPE中,結(jié)合試驗求出的黃土非飽和抗剪強度參數(shù),考慮基質(zhì)吸力和第二摩擦角φb,采用4種極限平衡法分析了不同降雨工況下的邊坡穩(wěn)定性(圖18)。
從圖18可以看出,降雨強度越大,降雨時間越長,越不利于邊坡穩(wěn)定。當降雨強度為30 mm/d時,邊坡安全系數(shù)下降緩慢,降雨50 d時的降幅在0.010~0.021,當降雨強度為60 mm/d時,降雨50 d時安全系數(shù)的降幅在0.029~0.065,當降雨強度為75 mm/d時,降雨50 d時安全系數(shù)的降幅在0.065~0.099。降雨1 d時,安全系數(shù)基本不發(fā)生變化,當降雨進行到20 d時,安全系數(shù)下降速率加快。由此可見,在無裂隙、無薄弱面工程地質(zhì)條件下,降雨對黃土高邊坡的穩(wěn)定性影響不大。
圖18 安全系數(shù)隨降雨持時變化
(1)在0~260 kPa低吸力范圍內(nèi),原狀黃土土水特征曲線指數(shù)擬合度相當高,ua-uw=578.26e-0.174 1θ(其中θ為邊坡土體的含水量),代入Frdeulnd和Mogernstm提出雙應(yīng)力變量公式[9],即可得到非飽和黃土抗剪強度公式:τf=c′+(σ-ua)tanφ′+578.26e-0.174 1θtanφb。
(2)通過飽和-非飽和黃土的三軸剪切試驗,得到研究區(qū)黃土的飽和黏聚力為21.13 kPa,摩擦角為17°,當含水量降至18.44%時,摩擦角提高至22°,總黏聚力為28.78 kPa,φb為17.5°。黃土由飽和至非飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)變時內(nèi)摩擦角增大,表明非飽和黃土莫爾庫倫破壞包面是一個上翹曲面。
(3)隨著降雨強度的增加和降雨持時的延長,邊坡表層孔隙水壓力逐漸增加,對應(yīng)基質(zhì)吸力持續(xù)減小,水頭等值線在坡頂和坡腳最為密集,降雨50 d時吸力減小深度達到7 m。
(4)降雨強度越大,持時越長,越不利于邊坡穩(wěn)定。本次模擬計算的安全系數(shù)最大下降幅度0.065~0.099,表明在無裂隙、無薄弱面工程地質(zhì)條件下,降雨對黃土高邊坡的穩(wěn)定性影響不大,有必要對存在裂隙或薄弱面邊坡做更進一步研究。
(5)基質(zhì)吸力的變化,對應(yīng)于土體含水率與孔隙水壓力的變化,與黃土邊坡在時空的穩(wěn)定性密切相關(guān),應(yīng)在邊坡評價、設(shè)計、施工中考慮其影響。
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