鎮(zhèn)江地區(qū)非飽和膨脹土邊坡在降雨入滲下的穩(wěn)定性分析

梅 嶺，趙 攀，李 鵬

(江蘇科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003)

常規(guī)的邊坡穩(wěn)定性分析法是建立在飽和土理論基礎(chǔ)之上的，在應(yīng)用極限平衡法分析時(shí)僅能得到特定條件下的一個(gè)穩(wěn)定系數(shù)，只能夠判斷邊坡是否會(huì)發(fā)生破壞，而不能判斷邊坡隨降雨量變化時(shí)穩(wěn)定系數(shù)的動(dòng)態(tài)變化過程，但是在邊坡的監(jiān)測及安全判斷上必須依據(jù)邊坡穩(wěn)定系數(shù)的動(dòng)態(tài)變化過程.文中將結(jié)合鎮(zhèn)江地區(qū)非飽和土的物理力學(xué)性質(zhì)來分析不同降雨強(qiáng)度、地下水位情況下降雨入滲的情況，得到邊坡安全系數(shù)隨降雨發(fā)展的動(dòng)態(tài)過程，以分析降雨對非飽和土邊坡穩(wěn)定性的影響.

1 建立模型

根據(jù)有限元模型劃分的方法，模型尺寸如圖1，假設(shè)邊坡為各向同性，表層雨水滲入部分的網(wǎng)格劃分為0.5 m，底部網(wǎng)格劃分為2 m.根據(jù)鎮(zhèn)江地區(qū)非飽和土的室內(nèi)試驗(yàn)可得，土的彈性模量85.2 MPa，泊松比0.3，容重為17 kN/m3，飽和容重為20 kN/m3，粘聚力為 25 kPa，摩擦角為 15°，體積含水量為30%.非飽和特征曲線計(jì)算時(shí)采用Van Genuchten數(shù)學(xué)模型［1］，非飽和土體含水量與基質(zhì)吸力之間的冪函數(shù)形式為:

式中:θr=0.05，θs=0.424 3，a=0.697 7，n=1.525，m=0.3443.a，m，n為擬合參數(shù)，θ為體積含水量，θr為殘余含水量，θs為飽和體積含水量［2］.

圖1 邊坡模型(單位:m)Fig.1Slop model(Unit:m)

2 長期弱降雨條件下邊坡分析

2.1 長期弱降雨條件下邊坡入滲分析

1)無地下水狀態(tài)下的分析

對無地下水，滲透系數(shù)為0.5 mm/h，降雨強(qiáng)度為0.1 mm/h的邊坡進(jìn)行降雨入滲分析.

根據(jù)基質(zhì)吸力公式us=ua－uw，在分析中一般認(rèn)為孔隙氣壓力ua為0，uw為孔隙水壓力，因此邊坡中的基質(zhì)吸力us=－uw.在后面的分析中為了方便地表示基質(zhì)吸力，同時(shí)為了將基質(zhì)吸力和孔隙水壓力分開，在表述時(shí)統(tǒng)一使用0孔隙水壓作為圖形的分界面，大于0的孔隙水壓即為孔隙水壓力(云圖的空白部分)，而小于0的孔隙水壓即為負(fù)的基質(zhì)吸力(灰色云圖部分)，即基質(zhì)吸力為負(fù)的孔隙水壓力.圖2中最大孔隙水壓力接近0，也即基質(zhì)吸力接近0，而最小孔隙水壓力為－314 kPa，即土中基質(zhì)吸力為314 kPa.

圖2 無地下水條件下初始孔隙水壓力Fig.2 Initial pore water pressure with no groundwater

從圖3中可以看出，受雨坡體能夠被雨水完全入滲，且受雨坡體在降雨入滲下，基質(zhì)吸力會(huì)隨著降雨的發(fā)展逐漸消失，58 h后完全消失，降雨繼續(xù)發(fā)展，坡體表面也沒有出現(xiàn)積水現(xiàn)象，說明雨水全部入滲到邊坡土體中.

2)有無地下水的對比分析

采用同樣的方法對地下水位4 m，滲透系數(shù)為0.5 mm/h，降雨強(qiáng)度為0.1 mm/h的非飽和土邊坡進(jìn)行降雨入滲分析.

圖3 無地下水時(shí)孔隙水壓力隨降雨發(fā)展變化Fig.3 Influence of rainfall on pore water pressure with no groundwater

與無地下水相比，地下水位為4 m時(shí)，降雨入滲的速度有所加快，但并不明顯，基質(zhì)吸力在52 h后就完全消失了，坡體的表面也沒有出現(xiàn)積水，說明了當(dāng)滲透系數(shù)大于降雨強(qiáng)度時(shí)，雨水能夠完全入滲.

3)不同降雨強(qiáng)度的對比分析

同理對地下水位4 m，滲透系數(shù)為0.5 mm/h，降雨強(qiáng)度為0.4mm/h的邊坡進(jìn)行降雨入滲分析可知.

與降雨強(qiáng)度為0.1 mm/h相比，降雨入滲的速度明顯地加快了，在39 h后基質(zhì)吸力就完全消散，且出現(xiàn)了地下水位隨著降雨的發(fā)展而升高的現(xiàn)象.

2.2 長期弱降雨條件下邊坡穩(wěn)定性分析

1)不同地下水位的對比分析

對滲透系數(shù)為0.5 mm/h，不考慮地下水和地下水位為4 m，弱降雨強(qiáng)度為0.1 mm/h的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，用Midas-GTS計(jì)算出邊坡的安全系數(shù)，從而得到降雨持時(shí)與邊坡穩(wěn)定性的關(guān)系.弱降雨?duì)顟B(tài)下的邊坡穩(wěn)定系數(shù)與降雨持時(shí)的關(guān)系如圖4.

圖4 不同地下水位邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨降雨持時(shí)變化情況Fig.4 Influence of rainfall durative time on slope stability factor with different groundwater level

從圖4中可以看出在弱降雨?duì)顟B(tài)下，雖然雨水入滲能夠持續(xù)對基質(zhì)吸力和地下水位高度變化產(chǎn)生影響，但對不同地下水位情況的影響很有限，故不同地下水位時(shí)邊坡的穩(wěn)定系數(shù)變化很微弱.即較弱降雨情況下，地下水位的變化對邊坡的穩(wěn)定性影響很有限.

2)不同降雨強(qiáng)度的對比分析

對滲透系數(shù)為0.5 mm/h，地下水位4 m，強(qiáng)度為0.1mm/h和0.4mm/h的弱降雨進(jìn)行分析，得到降雨持時(shí)與邊坡穩(wěn)定性的關(guān)系(圖5).

圖5 不同降雨強(qiáng)度下邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨降雨持時(shí)變化情況Fig.5 Influence of rainfall durative time on slope stability factor with different rainfall intensity

從圖5中可以看出在弱降雨?duì)顟B(tài)下，雖然0.4 mm/h的降雨強(qiáng)下邊坡的基質(zhì)吸力比0.1 mm/h降雨強(qiáng)度下的基質(zhì)吸力消散更快，但它受膨脹土膨脹影響也更大，因此它的安全系數(shù)反而高于0.1 mm/h降雨強(qiáng)度下的安全系數(shù)，并且它在降雨開始的時(shí)候安全系數(shù)還會(huì)有一個(gè)明顯的增加過程.這說明適量的弱降雨不但不會(huì)使得邊坡穩(wěn)定性降低，反而會(huì)使邊坡的穩(wěn)定性有所提高.

3 短期強(qiáng)降雨條件下邊坡的分析

3.1 短期強(qiáng)降雨條件下邊坡入滲分析

1)無地下水狀態(tài)下的分析

對無地下水，滲透系數(shù)為0.5 mm/h，降雨強(qiáng)度為1 mm/h的邊坡進(jìn)行降雨入滲分析.

圖6 降雨24 h后的孔隙水壓力分布Fig.6 Distribution of pore water pressure after 24 h of rainfall

此種條件下，降雨24 h后基質(zhì)吸力已經(jīng)基本消散，比弱降雨條件下了基質(zhì)吸力消散速度快了2倍左右.但同弱降雨?duì)顟B(tài)一樣，它的地下水位也會(huì)隨降雨入滲的發(fā)展而有所提高.

2)有無地下水的對比分析

采用同樣的方法對地下水位4 m，滲透系數(shù)為0.5 mm/h，降雨強(qiáng)度為1 mm/h的邊坡進(jìn)行降雨入滲分析可知.

與無地下水條件相比，邊坡的基質(zhì)吸力消散地更快了，且隨著降雨的發(fā)展，地下水位的提高也更明顯，這也加劇了基質(zhì)吸力的消散.

3)不同降雨強(qiáng)度的對比分析

同理對地下水位4 m，滲透系數(shù)為0.5 mm/h，降雨強(qiáng)度為4 mm/h的邊坡進(jìn)行降雨入滲分析可知.

與降雨強(qiáng)度為1 mm/h相比，降雨強(qiáng)度的急劇增加，使降雨強(qiáng)度遠(yuǎn)超滲透系數(shù)，基質(zhì)吸力消散的速度并沒有出現(xiàn)大的變化，但邊坡出現(xiàn)大量積水，并且表層積水嚴(yán)重.

3.2 短期強(qiáng)降雨條件下邊坡穩(wěn)定性分析

對滲透系數(shù)為0.5 mm/h，地下水位為4 m，強(qiáng)度為4 mm/h的強(qiáng)降雨進(jìn)行分析，用Midas-GTS計(jì)算出邊坡的安全系數(shù)，得到降雨持時(shí)與邊坡穩(wěn)定性的關(guān)系(圖7).

從圖7中可以看出強(qiáng)降雨?duì)顟B(tài)明顯與弱降雨?duì)顟B(tài)時(shí)的穩(wěn)定情況不同，在降雨1 h后邊坡穩(wěn)定系數(shù)有所提高，之后穩(wěn)定系數(shù)隨著降雨持時(shí)的增加而降低.值得注意的一點(diǎn)就是，在降雨的初期，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)是增加的，這跟弱降雨條件下的邊坡穩(wěn)定性變化規(guī)律類似.這也說明，常規(guī)的邊坡穩(wěn)定分析中沒有考慮邊坡土中水的存在對邊坡穩(wěn)定的貢獻(xiàn)，這也使得邊坡穩(wěn)定計(jì)算的結(jié)果偏于保守.

圖7 降雨強(qiáng)度為4mm/h時(shí)邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨降雨持時(shí)變化情況Fig.7 Influence of rainfall durative time on slope stability factor with rainfall intensity of 4mm/h

4 結(jié)論

從工程實(shí)際應(yīng)用的角度分析了非飽和膨脹土邊坡在降雨入滲下穩(wěn)定性的變化規(guī)律，建立以降雨量和地下水位為變量的有限元模型.同時(shí)，結(jié)合鎮(zhèn)江地區(qū)非飽和土的物理力學(xué)性質(zhì)，得出如下結(jié)論:

1)非飽和膨脹土邊坡在長期弱降雨?duì)顟B(tài)下，穩(wěn)定系數(shù)不會(huì)發(fā)生大的變化，如果降雨強(qiáng)度適當(dāng)，邊坡的穩(wěn)定性還會(huì)有所增強(qiáng)，并慢慢趨于穩(wěn)定.

2)強(qiáng)降雨?duì)顟B(tài)下的非飽和膨脹土邊坡，在降雨開始的一段時(shí)間，安全系數(shù)會(huì)增加并達(dá)到最大值，然后隨著降雨的繼續(xù)發(fā)展開始逐漸降低，直到邊坡失穩(wěn)破壞.

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