含水量對(duì)黃土邊坡穩(wěn)定性的影響

郭亞兵

（天水師范學(xué)院 機(jī)電與汽車工程學(xué)院，甘肅 天水 741001）

黃土是距今約200萬(wàn)年的第四紀(jì)時(shí)期形成的特殊沉積物，是呈黃色或褐黃色的粉粒土，多形成于氣候干燥且降雨量少而蒸發(fā)量大的干旱、半干旱地區(qū)，中國(guó)西北地區(qū)的黃土高原及華北平原和東北的南部大量分布著黃土。由于其特殊的形成條件，使得黃土具有獨(dú)特的物理、化學(xué)、力學(xué)特性，如孔隙較大、結(jié)構(gòu)疏松，垂直節(jié)理發(fā)育、易沖刷、易腐蝕等，但其最大的工程特點(diǎn)是：具有天然含水量而未遇水浸濕的黃土較堅(jiān)硬，一般強(qiáng)度較高、壓縮性較小，而一旦遇水，則表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)疏松、穩(wěn)定性差等特點(diǎn)，多發(fā)生邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象。因此，對(duì)于黃土邊坡而言，其穩(wěn)定性就與土體含水量有著很大的關(guān)系。

研究黃土邊坡穩(wěn)定與含水量之間定量關(guān)系的方法很多，有極限平衡法、有限單元法、FLAC3D等。本文采用FLAC3D強(qiáng)度折減法，以簡(jiǎn)化的均質(zhì)邊坡為實(shí)例，分析含水量對(duì)黃土邊坡穩(wěn)定性的影響程度，以更好地應(yīng)用于工程實(shí)際。

1 邊坡穩(wěn)定性的影響因素

影響邊坡穩(wěn)定性的因素很多，如黃土本身的結(jié)構(gòu)特性、降雨、地震，以及人類工程活動(dòng)等。在這些影響因素中，降雨是最常見(jiàn)而且較為嚴(yán)重且具有周期性的一種。降雨除了對(duì)邊坡會(huì)產(chǎn)生沖刷作用、增加坡體重量從而加大下滑力之外，還可導(dǎo)致邊坡本身含水量增加，從而引起邊坡失穩(wěn)。因此，研究不同含水量情況下邊坡的穩(wěn)定性就顯得尤為重要。

不管邊坡發(fā)生怎樣的失穩(wěn)形態(tài)，究其根本原因都是由于某種因素的影響導(dǎo)致坡體本身抗剪強(qiáng)度降低或者其剪應(yīng)力值達(dá)到土體抗剪強(qiáng)度值而產(chǎn)生的失穩(wěn)現(xiàn)象。而黃土的抗剪強(qiáng)度除與土的顆粒組成、礦物成分、粘粒和可溶鹽含量等有關(guān)外，主要取決于其含水量和密實(shí)程度。[1]所以，要研究不同含水量對(duì)坡體穩(wěn)定性的影響，必先從含水量對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響入手。

2 含水量對(duì)黃土抗剪強(qiáng)度的影響

對(duì)于任何土體，其抗剪強(qiáng)度τf都與土體本身的粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ有關(guān)，即摩爾定律：

而c、φ卻與土體含水量有著直接相關(guān)的關(guān)系，隨著含水量的變化，c、φ也在發(fā)生變化。這是由于含水量的變化會(huì)導(dǎo)致天然含水量狀態(tài)下土體中固體顆粒間的固化聯(lián)結(jié)鏈被破壞，即隨著含水量的增加，粘聚力和內(nèi)摩擦角也會(huì)隨之降低，從而導(dǎo)致土體的抗剪強(qiáng)度降低。

2.1 含水量對(duì)粘聚力c的影響

對(duì)于天然結(jié)構(gòu)的黃土，其粘聚力會(huì)隨著含水量的增加而減小，而且當(dāng)含水量變化范圍在10%～25%之間時(shí)，粘聚力對(duì)含水量的變化極為敏感，而當(dāng)含水量大于25%之后粘聚力則變化不大。[2]

根據(jù)黨進(jìn)謙[3]等人對(duì)黃土的試驗(yàn)成果（見(jiàn)表1）可知，當(dāng)含水量從8.2%增至25.1%后，粘聚力從90kpa降至16kpa，降幅約為82%，繪制含水量與粘聚力關(guān)系曲線，如圖1所示，從圖中可以看出，黃土的粘聚力隨含水量的增加而減小，擬合所得含水量與粘聚力之間的關(guān)系可以表示為：

表1 土體含水量及對(duì)應(yīng)強(qiáng)度參數(shù)

圖1 含水量與粘聚力關(guān)系曲線

圖2 含水量與內(nèi)摩擦角關(guān)系曲線

2.2 含水量對(duì)內(nèi)摩擦角φ的影響

含水量對(duì)內(nèi)摩擦角的影響與對(duì)粘聚力的影響相近，即隨著含水量的增加，內(nèi)摩擦角值逐漸降低，且當(dāng)含水量的變化范圍在10%～25%之間時(shí)，含水量對(duì)內(nèi)摩擦角的影響也較為敏感，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，當(dāng)含水量從8.2%增至25.1%后，內(nèi)摩擦角從22.79°降至20.8°，降幅約為8.7%，繪制含水量與內(nèi)摩擦角關(guān)系曲線，如圖2所示。從圖中可以看出，黃土的內(nèi)摩擦角隨含水量的增加而減小，擬合所得含水量與內(nèi)摩擦角之間的關(guān)系可以表示為：

3 含水量對(duì)黃土邊坡穩(wěn)定性的影響

3.1 算例概況

算例取均質(zhì)、各向同性的兩臺(tái)階天然黃土邊坡建立FLAC3D模型，不存在開(kāi)挖荷載問(wèn)題，外荷載只有重力，只計(jì)算邊坡在不同含水量情況下的安全系數(shù)值。土體的材料參數(shù)如下：彈性模量E=10MPa；泊松比ν=0.3，抗拉強(qiáng)度σt=10kpa，計(jì)算時(shí)采用非關(guān)聯(lián)法則，即剪脹角φ=0.邊坡的兩側(cè)邊界設(shè)為只有豎向位移的水平約束，底部計(jì)算邊界設(shè)為固定約束，頂面不做約束，計(jì)算時(shí)采用的模型為Mohr-Coulomb模型。

考慮計(jì)算速度及精度問(wèn)題，以及參考文獻(xiàn)[4-6]中對(duì)于邊坡穩(wěn)定性的研究結(jié)果，本算例中取邊坡高度H為20米。對(duì)于邊坡穩(wěn)定性而言，坡度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律為：當(dāng)邊坡坡度小于35°時(shí)，邊坡坡度變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響不大；當(dāng)邊坡坡度在35°到55°區(qū)間時(shí)，邊坡坡度變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響急劇增加。[4]因此算例中坡角取45°，而計(jì)算所用數(shù)據(jù)取值見(jiàn)表1.

計(jì)算模型見(jiàn)圖3.

圖3 計(jì)算模型

圖4 安全系數(shù)與含水量關(guān)系曲線

3.2 計(jì)算方法

算例中安全系數(shù)的計(jì)算采用FLAC3D強(qiáng)度折減法。所謂強(qiáng)度折減法（SSR），就是在對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值分析的過(guò)程中，通過(guò)式（4）和（5）不斷增大折減系數(shù)Ftrial來(lái)調(diào)整土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c值和φ值，反復(fù)計(jì)算，直至其達(dá)到臨界破壞，計(jì)算時(shí)采用解的不收斂性作為破壞標(biāo)準(zhǔn)，此時(shí)得到的折減系數(shù)即為安全系數(shù)Ks：

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

模型計(jì)算結(jié)果如下表2，其相關(guān)系數(shù)曲線如圖4.

表2 計(jì)算結(jié)果

從計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)可以看出，含水量對(duì)邊坡安全系數(shù)具有較大的影響：隨著含水量的增加，邊坡安全系數(shù)逐漸減小，含水量從8.1%增至25.1%，而安全系數(shù)相應(yīng)的由原來(lái)的1.793降至0.871，降幅為51.4%，即由原來(lái)的的穩(wěn)定狀態(tài)（1.793＞1.0）變?yōu)椴环€(wěn)定狀態(tài)（0.871＜1.0）?？梢?jiàn)含水量對(duì)于邊坡的穩(wěn)定性影響很大。

4 結(jié) 論

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析計(jì)算，可得出含水量與粘聚力、內(nèi)摩擦角之間的定量關(guān)系：隨著含水量的增加，粘聚力值不斷減小，且當(dāng)含水量變化范圍在10%～25%之間時(shí)，粘聚力對(duì)含水量的變化極為敏感，而含水量大于25%之后的粘聚力則變化不大；內(nèi)摩擦角也隨著含水量的增加而降低，且與粘聚力有相似的變化范圍。而通過(guò)FLAC3D強(qiáng)度折減法的計(jì)算結(jié)果可知，含水量對(duì)于邊坡的穩(wěn)定性具有較大的影響，一般來(lái)說(shuō)，隨著含水量的增加，邊坡的安全系數(shù)逐漸降低，即其穩(wěn)定性也隨之降低，甚至破壞。

[1]趙勇，李國(guó)良，喻渝.黃土隧道工程[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2011.

[2]張少紅，康順祥，李永紅.降雨對(duì)黃土邊坡穩(wěn)定性的影響[J].水土保持通報(bào)，2005，25(5)：42-44.

[3]黨進(jìn)謙，郝月清.含水量對(duì)黃土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響[J].西北水資源與水工程，1998，9(2)：15-19.

[4]鄭彥奎.隧道洞口邊坡穩(wěn)定性研究[D].重慶大學(xué)，2008.

[5]高志輝.有限元邊坡穩(wěn)定參數(shù)敏感性分析[D].北京工業(yè)大學(xué)，2007.

[6]孫書(shū)偉，等，編著.FLAC3D在巖土工程中的應(yīng)用[M].北京：水利水電出版社，2011.