降雨作用下的非飽和土邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法

戚國(guó)慶 錢 程 王二偉

(紹興文理學(xué)院 土木工程學(xué)院，浙江 紹興312000)

0 引言

降雨與邊坡的穩(wěn)定性之間有著密切的聯(lián)系.我國(guó)擁有復(fù)雜的地形和地質(zhì)條件，廣泛分布著膨脹土、殘積土等特殊的土質(zhì)及人工邊坡，每年雨季時(shí)常常產(chǎn)生滑坡給我國(guó)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失.據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)顯示，我國(guó)擁有新老滑坡約30萬(wàn)處，其中災(zāi)害性的約1.5萬(wàn)處，每年損失高達(dá)100億元以上[1].周佳文等[2]根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料得出，在日本每年因降雨導(dǎo)致的邊坡失穩(wěn)破壞超過(guò)1萬(wàn)以上的多達(dá)10萬(wàn)個(gè).在美國(guó)，每年因?yàn)榉秋柡吞厥馔猎斐傻淖匀粸?zāi)害損失高達(dá)100億美元.因此，降雨情況下非飽和土邊坡的穩(wěn)定性得到了廣泛的研究.

傳統(tǒng)土力學(xué)對(duì)非飽和土邊坡穩(wěn)定性的研究主要基于飽和滲流理論，運(yùn)用剛體極限平衡原理進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性的計(jì)算.隨著施工中復(fù)雜工程條件的出現(xiàn)簡(jiǎn)單計(jì)算已經(jīng)不能滿足工程的需求，人們對(duì)非飽和土的研究也越來(lái)越深入，更多影響非飽和土邊坡穩(wěn)定性的因素也得到了人們的研究與關(guān)注.對(duì)于非飽和土，降雨入滲使得邊坡體內(nèi)潛水面或者飽和帶地下水壓力升高，有效應(yīng)力降低，導(dǎo)致土體的抗剪強(qiáng)度降低.同時(shí)降雨入滲使得邊坡非飽和帶物料區(qū)的含水量增加，基質(zhì)吸力降低，從而使邊坡產(chǎn)生應(yīng)變[3-5].

1 非飽和土邊坡穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)方法

1.1 降雨誘發(fā)邊坡失穩(wěn)機(jī)理認(rèn)識(shí)

土力學(xué)的發(fā)展得益于Terzaghi在20世紀(jì)30年代提出了有效應(yīng)力原理，該原理成功地解決了實(shí)際工程中有關(guān)飽和土體滲流、體變等一系列問(wèn)題.隨著人們不斷地實(shí)踐，在實(shí)際工程中遇到的問(wèn)題越來(lái)越復(fù)雜，有效應(yīng)力原理已不能滿足日益復(fù)雜的工程需求.1960年Bishop在太沙基有效應(yīng)力原理的基礎(chǔ)上提出了非飽和土有效應(yīng)力公式.1978年Fredlund等根據(jù)非飽和土的雙應(yīng)力變量理論，提出了非飽和土抗剪強(qiáng)度理論.現(xiàn)代研究表明降雨引起邊坡位移是因?yàn)榻涤耆霛B使得邊坡非飽和區(qū)物料的含水量增加，基質(zhì)吸力下降，從而使得邊坡非飽和物料產(chǎn)生應(yīng)變[5].非飽和土力學(xué)認(rèn)為：基質(zhì)吸力是研究處于非飽和狀態(tài)土體的抗剪強(qiáng)度、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、固結(jié)以及非飽和土體中的應(yīng)力分布，地下水滲流等各種重要研究問(wèn)題的核心問(wèn)題[1,6].

1.2 降雨情況下非飽和土穩(wěn)定性分析的研究發(fā)展

1.2.1 非飽和土邊坡穩(wěn)定性分析理論的探索

對(duì)于非飽和土的研究最為基礎(chǔ)和著名的主要是Bishop非飽和土強(qiáng)度理論和Fredlund非飽和土抗剪強(qiáng)度理論.

1.2.1.1 Bishop非飽和土強(qiáng)度理論

Bishop的非飽和土有效應(yīng)力[6-10]公式是在太沙基有效應(yīng)力原理的基礎(chǔ)上發(fā)展來(lái)的：

對(duì)于有效應(yīng)力參數(shù)的獲取，Bishop給出了用三軸試驗(yàn)確定有效應(yīng)力參數(shù)的方法，Bishop通過(guò)試驗(yàn)得出有效應(yīng)力參數(shù)與飽和度的關(guān)系.

1.2.1.2 Fredlund非飽和土強(qiáng)度理論

Fredlund等根據(jù)非飽和土的雙應(yīng)力變量理論，提出了非飽和土抗剪強(qiáng)度理論[10,12]:

式中假設(shè)非飽和土抗剪強(qiáng)度τf與基質(zhì)吸力(ua-uw)成線性正比關(guān)系.Fredlund非飽和土抗剪強(qiáng)度理論依據(jù)莫爾庫(kù)倫破壞包絡(luò)線提出土的破壞包絡(luò)面在三維空間中是平面，并且基質(zhì)吸力恒定的非飽和土其莫爾圓與飽和土的莫爾圓是一樣的，土體中基質(zhì)

吸力變化非飽和土的莫爾圓隨之變化.

隨后Fredlund等進(jìn)行大量的試驗(yàn)驗(yàn)證非飽和土的抗剪強(qiáng)度τf與基質(zhì)吸力(ua-uw)之間的關(guān)系，得出非飽和土抗剪強(qiáng)度τf與基質(zhì)吸力(ua-uw)并不成線性正比關(guān)系，對(duì)于同樣其內(nèi)摩擦系數(shù)也隨著基質(zhì)吸力的變化而變化[11].

1.2.1.3 折減系數(shù)法

Zienkiewicz[12]首次在土工彈塑性有限元數(shù)值分析中提出了抗剪強(qiáng)度折減系數(shù).對(duì)于非飽和土邊坡當(dāng)考慮降雨入滲，很難得到不同降雨時(shí)刻邊坡體內(nèi)部的應(yīng)力-應(yīng)變分布，但是可以使用滑面應(yīng)力分析法或者強(qiáng)度折減法來(lái)對(duì)邊坡的安全性進(jìn)行判斷[13-14].在強(qiáng)度折減有限元法的計(jì)算中，先給定一個(gè)初始折減系數(shù)，土坡中的每個(gè)單元都按此折減系數(shù)進(jìn)行折減，若此時(shí)的彈塑性有限元計(jì)算是收斂的，則證明突破仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，依次增大折減系數(shù)直至土坡破壞前的折減系數(shù)便為土坡的安全系數(shù).折減強(qiáng)度參數(shù)為：

同時(shí)強(qiáng)度折減有限元法考慮了土的本構(gòu)關(guān)系對(duì)于強(qiáng)度非均勻性的非飽和土有良好的適應(yīng)性，由此可以計(jì)算出邊坡的潛在滑面和相對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)[15].

1.2.2 我國(guó)對(duì)于非飽和土邊坡穩(wěn)定性分析理論的研究

沈珠江[16]針對(duì)非飽和土力學(xué)中基質(zhì)吸力測(cè)量困難等問(wèn)題分別提出了含水率替代方案、折減吸力替代方案、廣義吸力替代方案等基質(zhì)吸力的替代方案.提出了廣義吸力折減概念，認(rèn)為實(shí)測(cè)吸力中只有一部分能有效地增加土體的強(qiáng)度，并提出折減吸力與飽和度S的關(guān)系[17]：

陳善雄[18]等采用極限平衡分析方法，采用簡(jiǎn)化Janbu模型計(jì)算出土坡穩(wěn)定安全系數(shù)方程：

并結(jié)合實(shí)際案例進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明：降雨引起的土坡失穩(wěn)往往為淺層破壞.

黃潤(rùn)秋[19]基于莫爾庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則通過(guò)土-水特征曲線建立了一種新的非飽和土的抗剪強(qiáng)度公式，該公式可以考慮基質(zhì)吸力的影響也可以考慮到飽和度對(duì)強(qiáng)度的影響：

τf=c′(σ-ua)tanφ′+S(ua-uw)tanφ′

(8)

高登輝[20]等通過(guò)對(duì)前人的公式進(jìn)行總結(jié)，將非飽和土抗剪強(qiáng)度公式進(jìn)行修正：

1.2.3 近代對(duì)于非飽和土邊坡穩(wěn)定性的研究

近代隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，更多關(guān)于非飽和土邊坡穩(wěn)定性分析的方法被提出.

劉金龍[3]等運(yùn)用Fredlund提出的非飽和土抗剪強(qiáng)度理論使用有限元軟件，對(duì)降雨入滲條件下的非飽和土邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析.分析表明：雨水入滲導(dǎo)致的非飽和土邊坡中非飽和區(qū)土體中基質(zhì)吸力減小是使邊坡失穩(wěn)的主要原因，且降雨初期的基質(zhì)吸力值越大邊坡越穩(wěn)定.隨著降雨時(shí)間的增加，當(dāng)邊坡逐漸趨于飽和之后基質(zhì)吸力的不同取值對(duì)邊坡安全性基本沒(méi)有影響.

戚國(guó)慶[21]等通過(guò)總結(jié)分析巖質(zhì)邊坡降雨入滲數(shù)學(xué)模型及其分析方法，得出了非飽和-飽和滲流模型的線性方程及其解法并利用此方程對(duì)某露天采礦邊坡的降雨入滲的全過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬.通過(guò)分析得出降雨入滲過(guò)程的規(guī)律，并發(fā)現(xiàn)使用該數(shù)值方法進(jìn)行實(shí)際工程的分析不僅方程收斂速度快，而且工作量小.

姚攀峰[22]引入安全系數(shù)比，將安全系數(shù)比引入到非飽和土穩(wěn)定性分析的普遍條分法、瑞典條分法和Bishop條分法中，建立起不同狀態(tài)下各部分的計(jì)算參數(shù)與最小安全系數(shù)的關(guān)系.通過(guò)具體算例研究安全系數(shù)比、重度對(duì)最小安全系數(shù)的影響.研究發(fā)現(xiàn)，安全系數(shù)比對(duì)最小安全系數(shù)有著較大的影響，安全系數(shù)比增大非飽和土的最小安全系數(shù)減小，重度則對(duì)其影響不大.

劉子振等考慮非飽和黏土邊坡中的基質(zhì)吸力和滲流力，根據(jù)水位線所處的臨界狀態(tài)建立了滑塊極限平衡狀態(tài)下的力與力矩的平衡式，進(jìn)而得出降雨情況下非飽和黏土邊坡穩(wěn)定性的計(jì)算公式.通過(guò)實(shí)驗(yàn)求得相關(guān)參數(shù)，并采用數(shù)值計(jì)算求解臨界平衡狀態(tài)下滑體條塊的相互作用力系數(shù)和非飽和土邊坡的安全系數(shù)，并結(jié)合實(shí)際案例進(jìn)行分析.研究結(jié)果表明，考慮滲流力會(huì)使非飽和土邊坡的安全系數(shù)比不考慮時(shí)下降13.8%，同時(shí)其條間作用力系數(shù)變化率明顯變大.

CHO S E[23]針對(duì)以往關(guān)于降雨入滲引起邊坡穩(wěn)定性分析的研究都是建立在單相水流模型的基礎(chǔ)上、孔隙內(nèi)的壓力恒定始終為大氣壓力，并不能很好地分析出在暴雨情況下非飽和土中的空氣-水相互作用會(huì)對(duì)邊坡造成的影響.采用水-氣兩相流分析研究了孔隙氣壓力對(duì)降雨入滲的影響，研究表明，雨水取代了飽和帶中的空氣導(dǎo)致孔隙空氣壓力增大，對(duì)水流產(chǎn)生了顯著的延遲效應(yīng)，嚴(yán)重影響土坡的穩(wěn)定性.

2 非飽和土邊坡穩(wěn)定性影響因素

基質(zhì)吸力是非飽和土區(qū)別于其它土體的主要特點(diǎn)，因此也是非飽和土研究的重點(diǎn).降雨入滲會(huì)使非飽和土中非飽和區(qū)土體中的基質(zhì)吸力喪失，從而使非飽和土的抗剪強(qiáng)度大幅度下降.吳俊杰[24]等通過(guò)試驗(yàn)和計(jì)算，揭示了基質(zhì)吸力在邊坡穩(wěn)定性中的重要作用.黃潤(rùn)秋[4]等對(duì)影響滑坡的基質(zhì)吸力進(jìn)行觀測(cè)研究，發(fā)現(xiàn)滑坡基質(zhì)吸力的變化受滑坡體物質(zhì)組成的影響，滑體非飽和帶基質(zhì)吸力隨降雨因素變化.林鴻州[25]等通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了非飽和土抗剪強(qiáng)度與基質(zhì)吸力的關(guān)系.姚海林[26]針對(duì)在許多專著或者土力學(xué)文獻(xiàn)中對(duì)此概念沒(méi)有詳細(xì)的介紹、討論這一點(diǎn)，對(duì)基質(zhì)吸力及其相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了討論總結(jié).李新明[27]等研究了基質(zhì)吸力對(duì)非飽和粉土強(qiáng)度的影響，研究發(fā)現(xiàn)粉土的內(nèi)摩擦角隨吸力的增加呈增大的趨勢(shì).

降雨也是影響邊坡穩(wěn)定性的另一重要的因素，降雨入滲會(huì)使邊坡土體中產(chǎn)生滲流導(dǎo)致邊坡土體的滑動(dòng)力增加[28]，此外降雨也會(huì)引起邊坡土體中的基質(zhì)吸力下降.Fredlund和Rahardjo[29]通過(guò)對(duì)非飽和土中水分遷移理論的研究，認(rèn)為長(zhǎng)時(shí)間降雨會(huì)使土體中的基質(zhì)吸力喪失從而導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)破壞.高華喜等研究了深圳市降雨與滑坡的相關(guān)資料，對(duì)本區(qū)降雨與滑坡的相關(guān)性進(jìn)行了分析.研究得出了降雨量與滑坡之間的相關(guān)性，且滑坡的時(shí)間與季節(jié)性降雨也相對(duì)應(yīng)，且滑坡相對(duì)于降雨而言有一定的滯后性.林鴻州[30]等通過(guò)已有的降雨模型研究降雨對(duì)邊坡失穩(wěn)的影響，揭示了降雨入滲導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的作用機(jī)理.唐棟等研究了不同前期不同降雨類型對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，研究發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣值a對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響很大.

3 非飽和土邊坡穩(wěn)定性分析方法之間的比較

影響非飽和土邊坡穩(wěn)定性的因素有很多，基質(zhì)吸力仍是非飽和土邊坡研究中的重點(diǎn)與難點(diǎn).Bishop在非飽和土強(qiáng)度理論中假設(shè)參數(shù)c'和φ'為常數(shù)，基質(zhì)吸力(ua-uw)的存在會(huì)使邊坡的有效應(yīng)力增大，從而使土體的抗剪強(qiáng)度得到提高.在使用Bishop非飽和土強(qiáng)度理論進(jìn)行非飽和土抗剪強(qiáng)度計(jì)算時(shí)吸力參數(shù)x難以得到確定.吸力參數(shù)x與土的飽和度、土的類別等很多因素有關(guān)，因此這也是Bishop非飽和土有效應(yīng)力強(qiáng)度公式在實(shí)踐中并沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用的主要原因.

Fredlund提出了基質(zhì)吸力內(nèi)摩擦角φb并認(rèn)為φb為常數(shù)，在Fredlund非飽和土強(qiáng)度理論中主要是將基質(zhì)吸力對(duì)非飽和土邊坡穩(wěn)定性的影響納入到了總粘聚力之中了.

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著人們對(duì)降雨情況下非飽和土邊坡穩(wěn)定性的不斷研究，人們對(duì)降雨引起非飽和土失穩(wěn)的機(jī)理已經(jīng)有了一定的認(rèn)識(shí).降雨容易引起非飽和土體形成暫態(tài)飽和區(qū)，導(dǎo)致土體內(nèi)部的基質(zhì)吸力下降進(jìn)而影響邊坡體的穩(wěn)定.同時(shí)降雨入滲容易使邊坡土體吸水軟化，從而使邊坡土體的抗剪強(qiáng)度降低造成邊坡的滑坡破壞.

非飽和土與一般土體的主要區(qū)別在于其內(nèi)部基質(zhì)吸力的存在，基質(zhì)吸力的存在會(huì)使土體的抗剪強(qiáng)度有一定的提高.非飽和土邊坡穩(wěn)定性抗剪強(qiáng)度公式的差異主要表現(xiàn)在吸附強(qiáng)度公式表達(dá)的不同，這表明了當(dāng)前對(duì)于非飽和土抗剪強(qiáng)度研究的多樣性，也說(shuō)明了把握基質(zhì)吸力對(duì)非飽和土體穩(wěn)定性的影響還有一定的難度.針對(duì)基質(zhì)吸力獲取困難這一點(diǎn)更多的學(xué)者提出更多的解決方法，如結(jié)合土-水特征曲線、采用數(shù)值模擬的方式進(jìn)行擬合、分段對(duì)土體的吸附強(qiáng)度進(jìn)行表示等等.此外，目前現(xiàn)有的非飽和土抗剪強(qiáng)度公式大多是基于莫爾庫(kù)倫強(qiáng)度理論的，這樣對(duì)準(zhǔn)確表達(dá)土體的真實(shí)受力狀態(tài)有著很大的影響，因此未來(lái)還需要從多方面去研究建立針對(duì)不同類型的非飽和土適用的穩(wěn)定性表達(dá)式.

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