降雨入滲對(duì)非飽和黃土邊坡穩(wěn)定性的影響分析

李 雪 浩

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，山西 太原 030012)

降雨入滲對(duì)非飽和黃土邊坡穩(wěn)定性的影響分析

李 雪 浩

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，山西 太原 030012)

開展降雨條件下黃土邊坡的非穩(wěn)態(tài)滲流有限元計(jì)算，分析降雨過程中黃土邊坡孔壓分布以及邊坡穩(wěn)定系數(shù)的變化規(guī)律，得出以下結(jié)論：降雨導(dǎo)致的非飽和黃土邊坡表層土體基質(zhì)吸力喪失是誘發(fā)淺層滑坡的重要原因。

降雨，非飽和，黃土，基質(zhì)吸力

1 概述

隨著山西省高速公路的飛速發(fā)展，黃土滑坡成為一種常見的地質(zhì)災(zāi)害。降雨是誘發(fā)黃土滑坡的一個(gè)重要因素。山西地處黃土高原，黃土分布廣泛，由于常年降雨量偏小，黃土通常處于非飽和狀態(tài)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，山西地區(qū)年降雨量多集中在6月份～9月份，占全年降水量的60%～80%，且以暴雨為主，降水量集中而短暫。而黃土滑坡也主要發(fā)生在6月份～9月份，其間發(fā)生的滑坡數(shù)目約占全年的55%。

黃土作為一種特殊土，具有其獨(dú)特的細(xì)觀結(jié)構(gòu)。黃土土粒多以粉粒為主，孔隙較大，毛細(xì)作用明顯，天然狀態(tài)下含水率較低。根據(jù)山西地區(qū)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在合適的坡率下，天然狀態(tài)下的黃土邊坡往往呈非飽和狀態(tài)，有足夠的抗剪強(qiáng)度維持坡體的穩(wěn)定狀態(tài)；而一旦降雨入滲，降雨影響范圍內(nèi)的土體含水量增大，基質(zhì)吸力減小，同時(shí)黃土大孔隙的構(gòu)造又會(huì)增強(qiáng)土體的吸滲能力，使降雨影響區(qū)域加深。斜坡在下滑力增大，抗滑力減小的雙重不利作用下失穩(wěn)破壞[1]。研究降雨入滲對(duì)非飽和黃土邊坡的破壞機(jī)理是黃土邊坡優(yōu)化設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)，對(duì)相關(guān)的工程設(shè)計(jì)和施工有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

2 非飽和土理論

非飽和土是土，水，氣的三相體，孔隙中氣壓與孔壓之差稱為基質(zhì)吸力[2]。一般若空氣連通時(shí)，基質(zhì)吸力大小等于孔壓的負(fù)值，負(fù)孔壓的增大意味著基質(zhì)吸力的減小，基質(zhì)吸力對(duì)土體強(qiáng)度有增強(qiáng)作用。隨著土體中含水量增加，土體飽和度增大，滲透系數(shù)增大，基質(zhì)吸力逐漸消失，土體的強(qiáng)度下降[2,3]。

2.1 非飽和土滲流理論

非飽和土中孔隙水的流動(dòng)仍然服從達(dá)西定律。不同的是：1)飽和土中的孔壓為正值，而非飽和土中為負(fù)值；2)飽和土中滲透系數(shù)可以看做是常量，而非飽和土滲透系數(shù)為變量，隨著含水率的增加而增大。一維狀態(tài)下土體的滲流方程如下：

2.2 非飽和土抗剪強(qiáng)度理論

非飽和土的強(qiáng)度準(zhǔn)則需要考慮基質(zhì)吸力的影響，最常用的是Fredlund等提出的非飽和土雙應(yīng)力變量強(qiáng)度準(zhǔn)則。

τf=c′+σtanφ′+ustanφb′。

其中，us為基質(zhì)吸力;φb為us引起的等效內(nèi)摩擦角，隨著基質(zhì)吸力的變化而變化。

3 非飽和黃土邊坡在降雨過程中的狀態(tài)變化

3.1 模型建立

結(jié)合一個(gè)均質(zhì)黃土邊坡模型分析降雨過程中邊坡的狀態(tài)變化。由于降雨常常在大范圍內(nèi)進(jìn)行，采用模型水平長(zhǎng)度為60 m，高度為25 m，坡率為1∶2。水位線位于地下5 m，初始基質(zhì)吸力在水位線以上5 m范圍內(nèi)隨深度呈線性分布，再向上則不再變化。黃土的體積含水量和滲透系數(shù)隨基質(zhì)吸力的變化見圖1,圖2。考慮到強(qiáng)降雨和持續(xù)降雨往往會(huì)引起滑坡，降雨量采用100 mm/d，持續(xù)24 h，并考察在降雨結(jié)束后144 h時(shí)長(zhǎng)內(nèi)的邊坡狀態(tài)變化。

3.2 土體孔壓變化

分析坡肩部位不同時(shí)刻孔隙水壓力隨深度變化的曲線可知(見圖3)，與初始條件相比，降雨后邊坡表層范圍土體孔壓變化較大，并且逐漸由負(fù)孔壓向正孔壓轉(zhuǎn)變。在降雨初期，坡體表面下2 m范圍內(nèi)孔壓增大尤為明顯；降雨達(dá)16 h時(shí)，孔隙水壓力增加了33 kPa。隨著降雨的進(jìn)行，降雨影響深度逐漸加深，當(dāng)降雨進(jìn)行到20 h時(shí)，坡面下3 m范圍內(nèi)的孔壓出現(xiàn)增大。降雨達(dá)24 h時(shí)，表層土體孔壓達(dá)到-10 kPa，土體的非飽和區(qū)大大縮小?？紫端畨毫Φ脑黾右馕吨|(zhì)吸力的喪失，隨著降雨的進(jìn)行，表層土體的基質(zhì)吸力迅速減小，并且降雨影響范圍也逐漸向下延伸?；|(zhì)吸力的減小使得邊坡表層土體的抗剪強(qiáng)度快速下降，最終導(dǎo)致淺層滑坡的發(fā)生。從圖3b)中可以看出，在降雨完成后，由于缺乏雨水補(bǔ)給，表層土體的基質(zhì)吸力又逐漸增加，但由于模型沒有考慮蒸發(fā)效應(yīng)，基質(zhì)吸力的增加較為緩慢。這表明降雨結(jié)束后，隨著水分的蒸發(fā)，土體的基質(zhì)吸力又逐漸恢復(fù)，抗剪強(qiáng)度增加。

3.3 邊坡內(nèi)部孔隙水壓力分布變化

從圖4中可以看出，在初始狀態(tài)下，水位線以上土體為非飽和狀態(tài)，水位線4 m以上范圍內(nèi)基質(zhì)吸力表現(xiàn)為負(fù)孔壓，大小為-40 kPa。在降雨達(dá)3 h時(shí)，由于雨水沿坡面的徑流，坡腳處孔壓率先增大到-20 kPa，坡腳土體基質(zhì)吸力逐漸喪失，向飽和土轉(zhuǎn)變。在降雨達(dá)24 h時(shí)，坡面1 m范圍的土體孔壓增大到-20 kPa，-40 kPa的非飽和區(qū)明顯縮小，表層土體逐漸趨于飽和。在降雨后144 h，由于沒有雨水補(bǔ)給，表層土體轉(zhuǎn)變回非飽和狀態(tài)，并且由于雨水在坡體內(nèi)部持續(xù)滲流，-40 kPa的非飽和區(qū)繼續(xù)縮小。

可以看出，坡腳處土體對(duì)降雨的響應(yīng)最為明顯，該處土體強(qiáng)度的降低對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響很大，所以坡腳處的防護(hù)排水尤為重要。此外，坡面表層土體基質(zhì)吸力變化亦較為明顯，隨著降雨進(jìn)入表層土體經(jīng)歷了由非飽和到飽和再到非飽和的動(dòng)態(tài)變化過程[3,4]，這個(gè)過程中基質(zhì)吸力的逐漸喪失是非飽和土坡在降雨工況下發(fā)生淺層滑坡的重要原因，所以坡面排水設(shè)施的布置至關(guān)重要。

3.4 邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨降雨歷時(shí)變化

在降雨產(chǎn)生的滲漏場(chǎng)基礎(chǔ)上，采用極限平衡理論計(jì)算邊坡的穩(wěn)定性。從邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨降雨歷時(shí)的變化曲線可以看出(見圖5)，在降雨發(fā)生的24 h內(nèi)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)迅速下降；在降雨結(jié)束后，隨著雨水向土坡內(nèi)部的滲流，邊坡穩(wěn)定系數(shù)緩慢下降。實(shí)際工程中，降雨結(jié)束后，蒸發(fā)作用會(huì)使得邊坡內(nèi)土體含水量減小，基質(zhì)吸力逐漸恢復(fù)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)不會(huì)無休止的下降，而是在降雨結(jié)合后一段時(shí)間出現(xiàn)上升[5]。

4 結(jié)語

結(jié)合降雨情況下非飽和黃土邊坡的有限元計(jì)算結(jié)果，分析了降雨對(duì)黃土邊坡的影響機(jī)制，得到了以下結(jié)論:

1)降雨使得非飽和黃土邊坡土體含水量增大，基質(zhì)吸力喪失，從而使得土體抗剪強(qiáng)度降低，邊坡在下滑力增大和強(qiáng)度降低的雙重作用下發(fā)生滑動(dòng)。

2)降雨對(duì)邊坡的影響主要集中在表層土體，表層土體孔壓響應(yīng)強(qiáng)烈，基質(zhì)吸力喪失迅速，這也是降雨多誘發(fā)淺層滑坡的原因。坡面排水設(shè)施的合理布置對(duì)減少滑坡發(fā)生至關(guān)重要。

3)降雨停止后，邊坡內(nèi)部雨水繼續(xù)下滲，邊坡安全系數(shù)在降雨結(jié)束后的一定時(shí)間持續(xù)降低。所以，滑坡往往發(fā)生在雨后。

[1] 吳俊杰，王成華，李廣信.非飽和土基質(zhì)吸力對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響[J].巖土力學(xué)，2004，25(5)：732-736，744.

[2] 殷宗澤.土工原理[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2007.

[3] 李國(guó)榮，陳文婷，李進(jìn)芳，等.黃土邊坡降雨入滲規(guī)律及其對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響[J].中國(guó)水土保持,2014(8)：36-39.

[4] 李 萍，李同錄，付昱凱，等.非飽和黃土中降雨入滲規(guī)律的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)研究[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2014,45(10):3351-3360.

[5] 孔郁斐，宋二祥，楊 軍，等.降雨入滲對(duì)非飽和土邊坡穩(wěn)定性的影響[J].土木建筑與環(huán)境工程,2013,35(6):17-21.

Stabilityanalysisforunsaturatedloessslopesufferingfromrainfallinfiltration

LiXuehao

(TheCommunicationsPlanningSurveyingandDesigningInstituteofShanxiProvince,Taiyuan030012,China)

In order to study the influence of rainfall infiltration on slope stability. The FEM is used to the calculate unsaturated infiltration in unsaturated loess soil. It is found that the factor of safety of engineering slope would obviously decrease due to the matrix suction decreasing.

rain, unsaturated, loess soil, matrix suction

TU441.35

：A

1009-6825(2017)24-0077-02

2017-06-12

李雪浩(1989- )，男，碩士，助理工程師