降雨歷時(shí)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

吳兵權(quán) 趙 鳴

(同濟(jì)大學(xué)建筑工程系，上海 200092）

降雨歷時(shí)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

吳兵權(quán) 趙 鳴

(同濟(jì)大學(xué)建筑工程系，上海 200092）

本文以非飽和土力學(xué)理論為基礎(chǔ)，考慮了降雨入滲過(guò)程中的滲流-應(yīng)力耦合過(guò)程，采用Geo-studio軟件對(duì)非飽和土邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得出不同降雨歷時(shí)對(duì)邊坡孔隙水壓力和位移的影響規(guī)律，以及邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的變化。該研究成果為正確認(rèn)識(shí)降雨條件下滑坡發(fā)生的機(jī)理提供了科學(xué)依據(jù)，為降雨型滑坡的監(jiān)測(cè)預(yù)警分析提供了基礎(chǔ)。

降雨歷時(shí)；有限元數(shù)值模擬；邊坡穩(wěn)定性

1 引言

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類工程活動(dòng)日益頻繁、規(guī)模日益增大，遇到的邊坡穩(wěn)定問(wèn)題也越來(lái)越突出，邊坡失穩(wěn)形成滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，輕則增加投資、延長(zhǎng)工期，重則摧毀建筑物、造成人員傷亡，目前，滑坡仍然是危害人們生命財(cái)產(chǎn)安全的主要災(zāi)害之一[1]。大量事實(shí)表明，降雨是影響邊坡穩(wěn)定性，導(dǎo)致滑坡發(fā)生的最主要的因素，因此，深入研究降雨條件下邊坡的變形和失穩(wěn)規(guī)律對(duì)滑坡的防治具有重要意義。本文通過(guò)降雨條件下非飽和土邊坡的數(shù)值模擬分析，對(duì)不同降雨歷時(shí)影響下的邊坡基質(zhì)吸力的變化、位移的變化、穩(wěn)定性系數(shù)的變化進(jìn)行綜合分析，得出降雨歷時(shí)對(duì)邊坡孔隙水壓力、位移以及邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的影響規(guī)律，為正確認(rèn)識(shí)降雨條件下滑坡發(fā)生的機(jī)理提供了科學(xué)依據(jù)，對(duì)降雨型滑坡的監(jiān)測(cè)預(yù)警分析提供了基礎(chǔ)。

2 數(shù)值模型

2.1 模型建立

考慮一均質(zhì)粘性土邊坡，數(shù)值分析模型如圖1所示，建模時(shí)采用如下簡(jiǎn)化和假設(shè)：

圖1 邊坡數(shù)值計(jì)算模型示意圖

（1）模型幾何尺寸：坡腳到左端邊界的距離為坡高的1.5倍，坡頂?shù)接叶诉吔绲木嚯x為坡高的2.5倍，上下邊界總高為2倍坡高，各工況采用的具體坡度和坡高數(shù)據(jù)見(jiàn)表2；

（2）初始地下水位線如圖所示；

（3）位移邊界條件為：邊坡兩側(cè)約束水平方向的位移，底部約束水平和豎直兩個(gè)方向的位移；

（4）降雨邊界條件為：當(dāng)雨強(qiáng)小于土體滲透系數(shù)時(shí)，按流量邊界處理，大小等于降雨強(qiáng)度；當(dāng)雨強(qiáng)大于土體滲透系數(shù)時(shí)，按水頭邊界處理，大小等于該節(jié)點(diǎn)的高程；

（5）模型底部為基巖，設(shè)為不透水邊界；

（6）邊坡兩側(cè)取為透水邊界，其流入和流出的總流量為零；

（7）為了對(duì)孔隙水壓力和位移變化進(jìn)行研究分析，數(shù)值分析模型中設(shè)置了孔隙水壓力監(jiān)測(cè)剖面和位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖1所示，孔隙水壓力監(jiān)測(cè)剖面沿豎向設(shè)置，沿斜坡面設(shè)置水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

2.2 土體參數(shù)

在非飽和—飽和滲流分析中所采用的土水特征曲線及滲透系數(shù)曲線參考了前人的試驗(yàn)數(shù)據(jù)[2-4]以及工程地質(zhì)手冊(cè)[5]，繪制的曲線如圖2、3所示。土體重度、彈性模量、泊松比、粘聚力、內(nèi)摩擦角等參數(shù)如表1所示。

圖2 土水特征曲線

圖3 滲透系數(shù)曲線

表1 土體基本參數(shù)

2.3 計(jì)算分析方案

為了研究降雨歷時(shí)對(duì)邊坡變形和穩(wěn)定的影響規(guī)律，本文進(jìn)行了3種工況分析，具體見(jiàn)表2。

表2 計(jì)算分析方案及參數(shù)取值

1-2 45 15 14 20 5×10-68 60 45 15 14 20 5×10-68 80 1-3

3 分析結(jié)果及討論

3.1 監(jiān)測(cè)剖面孔隙水壓力分析

在降雨過(guò)程中，隨著雨水從坡面逐步往里入滲，邊坡淺層土體基質(zhì)吸力（負(fù)孔隙水壓力）逐漸減小，隨著時(shí)間的推延，影響范圍也逐步擴(kuò)大，坡體表層土體形成了暫態(tài)飽和區(qū)，地下水位線上升，從圖4可以看出，降雨歷時(shí)越長(zhǎng)，雨水入滲的深度越深，基質(zhì)吸力受到影響的范圍逐步擴(kuò)大。

圖4 監(jiān)測(cè)剖面孔隙水壓力隨降雨歷時(shí)的變化

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移隨降雨歷時(shí)的變化

圖6 峰值點(diǎn)水平位移隨降雨歷時(shí)的變化

圖7 穩(wěn)定性系數(shù)隨降雨歷時(shí)的變化

3.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移分析

在降雨過(guò)程中，邊坡的位移是逐步增長(zhǎng)的，從圖5和圖6可以看出，位移的變化過(guò)程大體分為三個(gè)階段：第一階段為初始變形階段，降雨入滲時(shí)，邊坡土體受到降雨的影響，重度增加，基質(zhì)吸力降低，抗剪強(qiáng)度降低，因此土體有一個(gè)啟動(dòng)變形的趨勢(shì)；第二階段為穩(wěn)定變形階段，土體變形趨于平穩(wěn)，變形速率較低；第三階段為加速變形階段，隨著降雨時(shí)間的增長(zhǎng)，土體抗剪強(qiáng)度繼續(xù)下降，開(kāi)始出現(xiàn)塑性變形，變形速率急劇增長(zhǎng)，甚至有可能發(fā)生破壞。隨著降雨時(shí)間的增長(zhǎng)，邊坡土體變形從第一階段演變到第三階段，降雨40h時(shí)，邊坡的最大水平位移為10mm左右，此時(shí)邊坡處于穩(wěn)定變形階段；降雨60h時(shí)，邊坡的最大水平位移為80mm左右，此時(shí)邊坡處于急劇變形階段，但相對(duì)而言，處于急劇變形階段的初期；降雨72h時(shí)，邊坡最大水平位移達(dá)220mm左右，處于急劇變形階段的后期，已瀕臨滑坡邊緣，降雨74h時(shí)，坡體發(fā)生滑坡。

3.3 邊坡穩(wěn)定性系數(shù)分析

隨著降雨的進(jìn)行，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)逐漸降低，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的變化與位移的變化具有一致性。從圖7可以看出，降雨40h時(shí)，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)由初始的1.434降到1.368，降雨48h時(shí)，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)降到1.154，降雨72h時(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)降到1.034，降雨74h時(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)小于1，發(fā)生滑坡。

4 結(jié)論

本文在降雨入滲非飽和土邊坡的數(shù)值模擬分析中，對(duì)不同降雨歷時(shí)影響下的邊坡基質(zhì)吸力的變化、位移的變化、穩(wěn)定性系數(shù)的變化進(jìn)行綜合分析，得出如下結(jié)論：

（1）隨著降雨歷時(shí)的增長(zhǎng)，土體的基質(zhì)吸力逐漸減小，邊坡位移增大，穩(wěn)定性系數(shù)降低，降雨對(duì)邊坡的穩(wěn)定性不利；

（2）邊坡土體水平位移與邊坡穩(wěn)定性系數(shù)有很大的相關(guān)性，位移變化速率與穩(wěn)定性系數(shù)的變化具有很好的一致性，當(dāng)邊坡位移變化緩慢時(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)降低較小，邊坡處于穩(wěn)定階段；當(dāng)邊坡位移急劇增長(zhǎng)時(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)急劇降低，發(fā)展下去則有可能達(dá)到臨界值，發(fā)生滑坡。在邊坡監(jiān)測(cè)中可以有效利用邊坡土體的水平位移變化來(lái)進(jìn)行滑坡預(yù)警。

[1]羅麗娟,趙法鎖.滑坡防治工程措施研究現(xiàn)狀與應(yīng)用綜述[J]. 自然災(zāi)害學(xué)報(bào), 2009, 18(4):158-164.

[2]邱愛(ài)華.上海軟土彈塑性本構(gòu)模型試驗(yàn)研究[D]. 同濟(jì)大學(xué), 2004.

[3]葉為民,白云,金麒,等.上海軟土土水特征的室內(nèi)試驗(yàn)研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2006, 28(2):260-263.

[4]葉為民,錢麗鑫,白云,等.由土-水特征曲線預(yù)測(cè)上海非飽和軟土滲透系數(shù)[J].巖土工程學(xué)報(bào), 2005, 27(11)

[5]常士驃,張?zhí)K民,等.工程地質(zhì)手冊(cè)（第四版）[M] .中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2007.

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1007-6344（2016）02-0242-01