降雨條件下輸電塔基失穩(wěn)機理研究

岳靈平 蔡 煒 樓 平 程 鵬 韋舒天

(1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司湖州供電公司，浙江 湖州 313000；2.南瑞集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 211000； 3.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430074)

0 引言

降雨入滲是誘發(fā)地基失穩(wěn)的主要因素之一，據(jù)統(tǒng)計大量的典型工程地基失穩(wěn)案例，其中絕大多數(shù)地基失穩(wěn)發(fā)生在雨季。

降雨入滲為非飽和滲流過程，一方面，雨水入滲使土體的三相平衡被改變，降低土體的強度參數(shù)，導(dǎo)致地基的抗剪強度降低。當(dāng)土體抗剪強度小于外荷載作用的剪切強度時，坡體內(nèi)部會出現(xiàn)貫通滑動面；另一方面，滑動面含水率增加，地基穩(wěn)定性降低。

Lumb[1]依據(jù)飽和度和抗剪強度的關(guān)系，研究降雨滲流對邊坡穩(wěn)定性的影響。Fredlund[2]發(fā)現(xiàn)在強降雨條件下，土壤安全系數(shù)明顯降低，土體基質(zhì)吸力對邊坡穩(wěn)定性有重要的影響。Alonso[3]對地基滲流進(jìn)行二維滲流模擬并利用極限平衡法進(jìn)行組合分析發(fā)現(xiàn)，土體越松散，在強降雨條件下，邊坡安全系數(shù)呈現(xiàn)出累進(jìn)性衰減，導(dǎo)致坡體容易出現(xiàn)破壞和松動。劉子振[4]將非飽和—飽和土邊坡極限平衡理論和雨水滲流理論相結(jié)合，研究土體含水率、黏聚力、基質(zhì)吸力、坡體高度等參數(shù)對安全系數(shù)的影響度。李兆平等[5]通過設(shè)定邊坡的穩(wěn)定性計算過程，得到在降雨情況下坡體的瞬時安全系數(shù)。

為了研究降雨條件下地基內(nèi)的基質(zhì)吸力和滲流力對土體力學(xué)參數(shù)的作用，通過土體極限平衡條分法與強度折減理論，推導(dǎo)出在降雨入滲下邊坡穩(wěn)定性分析的計算公式，并對坡體滲流力和坡體的安全性系數(shù)進(jìn)行驗算。

1 黏土體極限平衡條分法計算原理

視非飽和黏土體為剛體，對滑動面垂直劃分n個條塊，每個條塊設(shè)定為單位寬度，對其進(jìn)行力學(xué)平衡分析。按土體含水率以及水位線的位置來分析滑體條塊的臨界力學(xué)狀態(tài)。條塊受力分析如圖1所示。

1.1 水位線位于第i條塊滑動面上的臨界平衡公式

1)由條塊滑動面中心法向與切向受力平衡可知：

(1)

其中，Ti,Ni分別為條塊滑動面中心處切向與法向反作用力；Xi,Yi分別為條塊間法向、切向應(yīng)力；Jui,Jdi分別為條塊上方與下方滲流力；Gi為條塊自重力；di為水平方向?qū)挾?；q為條塊所受均布荷載；Qi為地震作用力。

2)由底部中心Oi力矩平衡公式可知：

(2)

其中，hir,hil分別為前、后法向作用應(yīng)力；Xi,Xi-1為與底部中心Oi豎直距離；hJdi,hJui分別為條塊上、下層滲流力；Jdi,Jui為到底部中心Oi豎直距離。

3)由第i條塊間合力到相鄰條塊中心Oi豎直距離關(guān)系可知：

(3)

4)由第i條塊上層滲流力、下層滲流力到條塊的中心Oi豎直距離關(guān)系可知：

(4)

1.2 水位線位于條塊滑動面下的臨界平衡公式

當(dāng)水位線位于滑動面下時，孔隙水壓力為0(Upi=0)，滑面上有基質(zhì)吸力。

1)第i條塊滑動面切向、法向作用力平衡分析可知：

(5)

2)由第i條塊底面中心Oi的力矩平衡可知：

(6)

3)第i條塊滑動面為非飽和狀態(tài)，由此可得滑動面切向作用力為：

(7)

2 土體安全系數(shù)

分析土體條塊間相互作用力參數(shù)λ和土體安全系數(shù)fs，如圖2所示。

Mi(i=1,2,3,…,n)為第i條塊所受作用力對滑動面中心Oi的力矩;Δfs,Δλ分別為力、力矩計算滑動面安全系數(shù)和條塊間合力系數(shù)的差值；ε為公式的差值許可量。土體安全系數(shù)求解步驟為：從滑動面劃分的第1條塊最外側(cè)開始計算，h11=0,X0=0，按力的極限平衡方程求解至第2,…,第n條塊的各項參數(shù)，求得土體安全系數(shù)fs。

3 案例分析

湖州某地區(qū)公路沿線的黏土質(zhì)邊坡，在邊坡進(jìn)行人工開挖后，遭遇降雨影響，邊坡土體含水率增加，抗剪強度降低。坡體的各項參數(shù)如表1所示。黏土邊坡模型如圖3所示。邊坡模型為非飽和狀態(tài)，含水率19.8%，模型縱向?qū)挾热? m。設(shè)定某段時間降雨之后，坡體的抗剪強度折減，力學(xué)性能減弱。經(jīng)過地質(zhì)勘查取樣，獲得邊坡處于極限平衡狀態(tài)下的c,φ值。飽和黏聚力c=22.1 kPa，內(nèi)摩擦角φ=15°。

表1 邊坡模型各項參數(shù)

邊坡模型以坡頂降雨入滲與坡腳組成滑動面、坡中段降雨入滲與坡腳組成滑動面兩種情況來進(jìn)行計算。兩種情況下的邊坡模型如圖4，圖5所示。在持續(xù)降雨入滲條件下，邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨雨水滲入的深度變化而改變，如圖6所示。

從圖6可以看出，坡頂降雨達(dá)390 cm、中段降雨達(dá)460 cm時，邊坡失穩(wěn)；在邊坡處于即將失穩(wěn)狀態(tài)時，考慮滲流力比不考慮滲流力的安全系數(shù)降低約15%。降雨情況下黏土邊坡條塊間水平力與垂直力間的作用系數(shù)如圖7所示。

雨水入滲條件下，非飽和土邊坡的條塊間作用力系數(shù)會隨入滲深度的增加而減小。并且加入了邊坡滲流的條塊間作用系數(shù)變化明顯大于不加入邊坡滲流的作用系數(shù)。根據(jù)施工規(guī)范，在降雨條件下，安全系數(shù)fs=1.05可定為坡體失穩(wěn)的判斷依據(jù)，坡體出現(xiàn)不穩(wěn)定時間與降雨強度關(guān)系如圖8所示。

由圖8可知，在降雨強度在2 mm/s之前，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)降雨強度到達(dá)3.7 mm/s后，邊坡出現(xiàn)不穩(wěn)定的時間一致。在降雨強度達(dá)到預(yù)警界限時，必須加強對不穩(wěn)定坡體的監(jiān)控。

4 結(jié)語

文章重點研究了邊坡的降雨入滲特征對斜坡地基穩(wěn)定性的影響，得出以下結(jié)論：

1)考慮滑面受力和彎矩下的條塊極限平衡方程，推導(dǎo)出非飽和黏土邊坡的極限平衡法計算式，并根據(jù)計算式確定邊坡安全系數(shù)。

2)根據(jù)具體案例結(jié)果分析，降雨入滲深度越大，則滲流作用力的影響越?。换瑒用鏃l塊間作用力系數(shù)隨雨水入滲程度的增加而減少。

3)當(dāng)邊坡處于即將失穩(wěn)狀態(tài)時，考慮滲流力的邊坡安全系數(shù)比不考慮滲流力的邊坡安全系數(shù)低15%左右。