降雨條件下淺層邊坡穩(wěn)定性分析

蔡瑞卿

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

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降雨條件下淺層邊坡穩(wěn)定性分析

蔡瑞卿

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

分析邊坡土體強(qiáng)度參數(shù)在降雨條件下的衰減規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上研究降雨對(duì)淺層邊坡穩(wěn)定性的影響。研究結(jié)果表明：土體黏聚力隨含水量增大的變化規(guī)律接近指數(shù)減小，土體內(nèi)摩擦角隨含水量增大的變化規(guī)律接近線(xiàn)性減??；降雨持時(shí)不變的條件下，邊坡安全系數(shù)隨降雨強(qiáng)度的增大而呈非線(xiàn)性減??；降雨強(qiáng)度不變的條件下，邊坡安全系數(shù)隨降雨持時(shí)的增大而接近線(xiàn)性減小。

降雨滑坡 穩(wěn)定性強(qiáng)度 參數(shù)有限元

在降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響方面，國(guó)內(nèi)外已有大量的研究成果。唐棟[1]等在研究邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題時(shí)考慮前期降雨的影響，并結(jié)合三峽降雨資料進(jìn)行分析，研究發(fā)現(xiàn)滲透系數(shù)越低的邊坡，其穩(wěn)定性受前期降雨的影響越明顯。許建聰[2]等在工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)較深入研究了滑帶的強(qiáng)度指標(biāo)和滑體飽水面積對(duì)淺層邊坡穩(wěn)定性的影響。李煥強(qiáng)[3]等通過(guò)建立不同坡腳的模型，并分別進(jìn)行人工降雨實(shí)驗(yàn)，研究結(jié)果表明邊坡含水率、坡體變形、坡前推力隨降雨持續(xù)時(shí)間而不斷增大，降雨停止后，隨時(shí)間的推移而逐漸減小。汪益敏[4]等以實(shí)際工程為例進(jìn)行降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響研究，結(jié)果表明降雨過(guò)程中土體吸水不斷軟化，土體強(qiáng)度不斷降低，當(dāng)土體強(qiáng)度降低到一定程度時(shí)，邊坡失穩(wěn)破壞。陳善雄[5]等提出一種新的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方法，認(rèn)為在分析降雨條件下堆積體滑坡的穩(wěn)定性時(shí)，滲透力是不可忽略的因素，并進(jìn)一步推導(dǎo)出了考慮滲透力的傳遞系數(shù)法，通過(guò)工程實(shí)例，驗(yàn)證了該方法的正確性和可靠性。黃新智[6]等通過(guò)降雨對(duì)黃土邊坡穩(wěn)定性的分析研究，發(fā)現(xiàn)邊坡隨降雨持續(xù)時(shí)間的增加而降低，降雨前12 h安全系數(shù)降低速度較快，降雨25～40 h期間安全系數(shù)降低速度較慢。彭永良[7]基于京九線(xiàn)鐵路工程項(xiàng)目，較深入地研究分析了該地區(qū)非飽和粉土的強(qiáng)度特性，結(jié)果表明該地區(qū)非飽和粉土黏聚力隨著含水量增大的變化規(guī)律接近線(xiàn)性減小，內(nèi)摩擦角隨含水量的增大而降低的幅度相對(duì)較小。張社榮[8]等對(duì)降雨條件下飽和—非飽和邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，研究結(jié)果表明安全系數(shù)與降雨強(qiáng)度呈反比關(guān)系，降雨強(qiáng)度從12 mm/h增大到36 mm/h，邊坡安全系數(shù)降低17%。吳李泉[9]等以浙江武義平頭村山體滑坡為研究對(duì)象，通過(guò)有限元進(jìn)行邊坡失穩(wěn)分析，結(jié)果表明持續(xù)降雨24 h情況下，淺層邊坡土體內(nèi)部含水量不斷增加，邊坡表層首先出現(xiàn)飽和區(qū)，并且零壓面不斷向邊坡內(nèi)部推移，到達(dá)一定程度時(shí)邊坡失穩(wěn)。徐晗[10]等通過(guò)修正的Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則，結(jié)合非飽和土的水土特征曲線(xiàn)建立有限元模型，對(duì)非飽和土邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，結(jié)果表明降雨入滲時(shí)，邊坡表層較容易先發(fā)生塑性變形，并由邊坡坡趾逐漸向上延伸，最終導(dǎo)致滑坡。

現(xiàn)有研究成果多是根據(jù)模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬對(duì)降雨條件下邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，作者認(rèn)為，降雨誘導(dǎo)邊坡失穩(wěn)的根本原因是在降雨過(guò)程中土體含水量隨降雨過(guò)程不斷變化，從而導(dǎo)致邊坡土體強(qiáng)度不斷衰減，衰減到一定程度導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)破壞，現(xiàn)有成果對(duì)此研究尚有不足，本文將在此方面進(jìn)一步深入研究。

1 邊坡地質(zhì)條件

畢威高速公路K86+680～K86+980段邊坡長(zhǎng)度約300 m，最大高度約60 m。邊坡表層為粉質(zhì)黏土，含少量風(fēng)化巖碎屑，下伏石灰?guī)r(如圖1所示)。

圖1 邊坡整體

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和鉆探資料，邊坡從上至下地層如下所示。

(1)粉質(zhì)黏土：黃褐色-紅褐色，硬塑-堅(jiān)硬，該地層厚5～15 m，含少量風(fēng)化巖碎屑。

(2)石灰?guī)r：強(qiáng)風(fēng)化，灰黑色-灰褐色，層厚3～8 m，巖體裂隙發(fā)育，結(jié)構(gòu)較破碎。

(3)石灰?guī)r：弱風(fēng)化，灰黑色-灰褐色，層厚>10 m，工程性質(zhì)較好。

2 邊坡土體強(qiáng)度隨降雨持續(xù)時(shí)間衰減規(guī)律

邊坡土體強(qiáng)度隨降雨過(guò)程不斷衰減是邊坡失穩(wěn)的主要因素，而與邊坡土體強(qiáng)度直接相關(guān)的是土體含水量。本節(jié)分別研究邊坡含水量隨降雨持續(xù)時(shí)間的變化規(guī)律以及邊坡強(qiáng)度隨含水量的變化規(guī)律，從而得到邊坡強(qiáng)度隨降雨持續(xù)時(shí)間的變化規(guī)律。

2.1 邊坡土體含水量隨降雨時(shí)間的測(cè)定

為準(zhǔn)確測(cè)量降雨過(guò)程中土體含水量變化情況，現(xiàn)場(chǎng)含水量的測(cè)定采用EC-5土壤水分傳感器來(lái)進(jìn)行。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地層條件，滑坡主要發(fā)生在淺層土層中，故選擇在5 m深度測(cè)定土體含水量，每隔4 h記錄一次，記錄結(jié)果如表1所示。

表1 不同降雨條件下土壤含水量 %

2.2 土體強(qiáng)度參數(shù)隨含水量的變化規(guī)律

通過(guò)土工試驗(yàn)得出粉質(zhì)黏土在不同含水量條件下的強(qiáng)度，如表2所示。

表2 不同含水量條件下土體強(qiáng)度參數(shù)

用Origin將土體黏聚力和內(nèi)摩擦角隨含水量的變化規(guī)律擬合出來(lái)，如圖2和圖3所示。

圖2 黏聚力隨含水量變化關(guān)系

圖3 內(nèi)摩擦角隨含水量變化關(guān)系

通過(guò)擬合得到土體強(qiáng)度參數(shù)黏聚力隨含水量w的變化關(guān)系式為

(1)

內(nèi)摩擦角φw隨含水量w的變化關(guān)系式為

(2)

從圖2和式(1)可以看出，土體黏聚力隨含水量增大的變化規(guī)律接近指數(shù)減小，從圖3和式(2)可以看出，土體內(nèi)摩擦角隨含水量增大的變化規(guī)律接近線(xiàn)性減小。

3 有限元模型建立與分析

3.1 有限元模型建立

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)邊坡尺寸及地層情況建立有限元模型，邊坡尺寸及地層信息如圖4所示。

圖4 邊坡尺寸及地層情況(單位：m)

各地層物理力學(xué)參數(shù)如表3所示。

表3 各地層物理力學(xué)參數(shù)

3.2 結(jié)果分析

(1)降雨強(qiáng)度對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響

依據(jù)氣象部門(mén)對(duì)降雨強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)劃分，降雨強(qiáng)度參數(shù)取值為小雨0.4 mm/h，中雨1 mm/h，大雨2 mm/h，暴雨5 mm/h。不同降雨強(qiáng)度下降雨24 h后邊坡穩(wěn)定性的計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 安全系數(shù)隨降雨強(qiáng)度變化情況

將表4中不同降雨強(qiáng)度條件下邊坡安全系數(shù)的變化規(guī)律用曲線(xiàn)圖表示出來(lái)(如圖5所示)。

圖5 安全系數(shù)隨降雨強(qiáng)度的變化關(guān)系

從圖5得出降雨持時(shí)不變(24 h)的條件下，邊坡安全系數(shù)隨降雨強(qiáng)度的變化規(guī)律：邊坡安全系數(shù)隨降雨強(qiáng)度的增大而呈非線(xiàn)性減小，當(dāng)降雨強(qiáng)度較小時(shí)，安全系數(shù)隨降雨強(qiáng)度的增大而減小的速率相對(duì)較大，當(dāng)降雨強(qiáng)度較大時(shí)，安全系數(shù)隨降雨強(qiáng)度的增大而減小的速率相對(duì)較小，當(dāng)降雨強(qiáng)度為大雨(即2 mm/h)時(shí)，經(jīng)過(guò)24 h降雨，邊坡安全系數(shù)小于1，邊坡失穩(wěn)。

邊坡自然條件下的安全系數(shù)為1.45，暴雨條件下邊坡安全系數(shù)為0.66，暴雨條件下邊坡安全系數(shù)減小了54.48%，由此可見(jiàn)，強(qiáng)度大的降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響巨大。

(2)降雨持續(xù)時(shí)間對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響

分析大雨(2 mm/h)條件下，邊坡安全系數(shù)隨降雨持時(shí)的變化規(guī)律，計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 邊坡安全系數(shù)隨降雨持時(shí)的變化情況

將表5不同降雨持時(shí)條件下邊坡安全系數(shù)的變化規(guī)律用曲線(xiàn)圖表示出來(lái)(如圖6所示)。

圖6 安全系數(shù)隨降雨持續(xù)時(shí)間的變化關(guān)系

從圖6得出降雨強(qiáng)度不變(2 mm/h)的條件下，邊坡安全系數(shù)隨降雨持續(xù)時(shí)間的變化規(guī)律：邊坡安全系數(shù)隨降雨持續(xù)時(shí)間的增大而接近線(xiàn)性減小。

邊坡在自然條件下安全系數(shù)為1.45，大雨條件下持續(xù)降雨24 h后，安全系數(shù)減小到0.99，邊坡安全系數(shù)減小了31.72%，由此可見(jiàn)，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響也是巨大的。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析不同降雨條件下土體強(qiáng)度的衰減規(guī)律和降雨條件對(duì)淺層邊坡穩(wěn)定性的影響，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)土體黏聚力隨含水量的增大的變化規(guī)律接近指數(shù)減小，土體內(nèi)摩擦角隨含水量增大的變化規(guī)律接近線(xiàn)性減小。

(2)降雨持時(shí)不變的條件下，邊坡安全系數(shù)隨降雨強(qiáng)度的增大而呈非線(xiàn)性減小，當(dāng)降雨強(qiáng)度較小時(shí)，安全系數(shù)隨降雨強(qiáng)度的增大而減小的速率相對(duì)較大，當(dāng)降雨強(qiáng)度較大時(shí)，安全系數(shù)隨降雨強(qiáng)度的增大而減小的速率相對(duì)較小，當(dāng)降雨強(qiáng)度為大雨(2 mm/h)時(shí)，經(jīng)過(guò)24 h降雨，邊坡安全系數(shù)小于1，邊坡失穩(wěn)。邊坡自然條件下的安全系數(shù)為1.45，暴雨條件下邊坡安全系數(shù)為0.66，暴雨條件下邊坡安全系數(shù)減小了54.48%。

降雨量不變的條件下，邊坡安全系數(shù)隨降雨持時(shí)的增大而接近線(xiàn)性減小。邊坡在自然條件下安全系數(shù)為1.45，大雨條件下持續(xù)降雨24 h后，安全系數(shù)減小到0.99，邊坡安全系數(shù)減小了31.72%。

[1] 唐棟，李慶典，周創(chuàng)兵，等.考慮前期降雨過(guò)程的邊坡穩(wěn)定性分析[J].巖土力學(xué)，2013，34(11)：3239-3248

[2] 許建聰，尚岳全，陳侃福，等.強(qiáng)降雨作用下的淺層滑坡穩(wěn)定性分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(18)：3246-3251

[3] 李煥強(qiáng)，孫紅月，孫新民，等.降雨入滲對(duì)邊坡形狀影響的模型試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2009,31(4)：589-594

[4] 汪益敏，陳頁(yè)開(kāi)，韓大建，等.降雨入滲對(duì)邊坡穩(wěn)定影響的實(shí)例分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23(6)：920-924

[5] 陳善雄，許錫昌，徐海濱.降雨型堆積層滑坡特征及穩(wěn)定性分析[J].巖土力學(xué)，2005，26(增刊)：6-10

[6] 黃新智，劉俊俊.基于SEEP/W的降雨條件下黃土邊坡穩(wěn)定性分析[J].鐵道勘察，2015(5):41-44

[7] 彭永良.京九線(xiàn)濟(jì)南局段非飽和粉土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及強(qiáng)度特性規(guī)律研究[J].鐵道勘察，2009(2)：28-31

[8] 張社容，譚堯升，王超，等.強(qiáng)降雨特性對(duì)飽和-非飽和邊坡失穩(wěn)破壞的影響[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2014，33(z2)：4102-4112

[9] 吳李泉，張鋒，凌賢長(zhǎng)，等.強(qiáng)降雨條件下浙江武義平頭村山體高邊坡穩(wěn)定性分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28(6)：1193-1199

[10]徐晗，朱以文，蔡元奇，等.降雨入滲條件下非飽和土邊坡穩(wěn)定性分析[J].巖土力學(xué)，2005，26(12)：1956-1962

Shallow slope stability analysis under the condition of rainfall

CAI Ruiqing

2016-07-11

蔡瑞卿(1987—)，男，2014年畢業(yè)于西南交通大學(xué)巖土工程專(zhuān)業(yè)，工學(xué)碩士，助理工程師。

1672-7479(2016)05-0056-03

P642.2

A