地下水對邊坡穩(wěn)定性影響

劉明發(fā)，趙毅博，張 靜

(1.貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴陽 550025； 2.南水北調(diào)中線干線建設(shè)管理局 河南分局，鄭州 450000)

邊坡的破壞并不是瞬間就完成的，它是一個緩慢的過程，影響邊坡失穩(wěn)的因素錯綜復(fù)雜。內(nèi)在因素包括地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、水文地質(zhì)條件、坡體物質(zhì)的組成及其結(jié)構(gòu)特征，這些因素決定了邊坡的破壞模式。外在因素分為不良地質(zhì)現(xiàn)象和不良地質(zhì)作用，主要包含有氣候、降雨量、地下水位的變化等。大量數(shù)據(jù)證明，地下水以多種方式對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生不利的影響，它是評價邊坡穩(wěn)定時需要重點考慮的因素。趙艷[1]研究表明，地下水會使邊坡巖土體結(jié)構(gòu)面上受到靜水壓力的作用，會降低滑體重量產(chǎn)生的法向應(yīng)力，降低抗滑阻力。地下水在邊坡中排泄受到阻礙，會使巖土體的重量變大，增加坡體的下滑力。周罕[2]提出影響邊坡穩(wěn)定性的因素主要包括5個方面：①地質(zhì)條件；②坡體材料的物理力學(xué)參數(shù)；③邊坡的尺寸和形狀；④邊坡工作的條件，如荷載作用；⑤水的作用。葉華成[3]得出水的滲入導(dǎo)致土體含水量增加，使土體的強(qiáng)度參數(shù)降低，從而減小邊坡穩(wěn)定性的結(jié)論。地下水的活動是造成滑坡發(fā)生的直接原因，也是最復(fù)雜又變化不定的影響因素。受天氣的影響，地表水會從表面滲入地下，成為地下水溶蝕和沖刷邊坡內(nèi)部的裂隙或者結(jié)構(gòu)面及裂隙等等。據(jù)統(tǒng)計，80%～90%的滑坡破壞均與水有關(guān)。許多學(xué)者就地下水對邊坡穩(wěn)定性的影響方式和作用機(jī)理做了大量的研究工作[4-6]。

地下水與邊坡坡體的相互作用從類型上分為物理作用、化學(xué)作用及力學(xué)作用[7]。結(jié)合前人的研究，本文借助三軸試驗來研究不同含水率對土體抗剪強(qiáng)度造成影響。又以某土質(zhì)邊坡為例，分別用理正5.6計算穩(wěn)定性和GEO-SLOPE軟件分析不同地下水位對邊坡穩(wěn)定系數(shù)的影響，研究結(jié)果可為邊坡支護(hù)提供一定的參考。

1 邊坡穩(wěn)定性

邊坡一般是由巖土體或者單一的巖體和土體組成，評價穩(wěn)定性時，采用的安全系數(shù)也是不一樣的。通過邊坡材料的力學(xué)參數(shù)計算邊坡穩(wěn)定性系數(shù)，是評價該邊坡是否達(dá)到穩(wěn)定的指標(biāo)。邊坡的安全系數(shù)根據(jù)邊坡規(guī)范來確定。一般來說，巖質(zhì)邊坡與均勻土質(zhì)邊坡破壞形式不同，巖質(zhì)邊坡破壞模式較為復(fù)雜，可能會沿著某一破壞面做折線滑動，也可能崩塌或墜落。但均勻土質(zhì)邊坡大部分以某一潛在的圓弧滑動面破壞。1955年，畢肖普明確了土體穩(wěn)定安全系數(shù)的定義為潛在滑面上的抗滑力與下滑力的比值，用下式表示：

(1)

式中：Fs為邊坡穩(wěn)定性系數(shù)；R為某潛在滑動面上的平均抗滑力；T為某潛在滑動面上的平均下滑力。

可根據(jù)表1來評價邊坡所處的穩(wěn)定狀態(tài)。表1中Fst可在邊坡規(guī)范上根據(jù)實際工程查詢。

表1 邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)

2 室內(nèi)試驗及分析

2.1 室內(nèi)三軸試驗

取含水率為59%、41%、35.2%、31.5%的原狀土試樣，為了更好地探討水對巖土體抗剪強(qiáng)度的影響，特意進(jìn)行3種試驗方法的三軸壓縮試驗，即不固結(jié)不排水(UU)、固結(jié)不排水(CU)、固結(jié)排水(CD)試驗，土樣制取及試驗過程嚴(yán)格按照《土工試驗方法規(guī)程》進(jìn)行，試驗圍壓為50、100、150、200、250和350 kPa。

2.2 結(jié)果分析

圖1表示不同含水率下所得到的黏聚力的變化曲線。由圖1可知，UU試驗在40%含水率之前，土體的黏聚力受含水率影響最大，含水率的變大，黏聚力削減得最快，而CU試驗和CD試驗變化趨勢相近，40%含水率以后，三者的變化趨勢比較類似?？傻贸鼋Y(jié)論，地下水會使土體的含水率提高，從而降低土體黏聚力，CU試驗和CD試驗降低40%，而UU試驗強(qiáng)度降低幅度最大，達(dá)到73%。

圖1 不同含水率下黏聚力變化曲線

圖2表示不同含水率下所得到的內(nèi)摩擦角的變化曲線。UU試驗、CU試驗和CD試驗在隨著含水率的增加，摩擦角均呈減小的趨勢，大致類似于倒著的S型，代表摩擦角減小的趨勢為先增大后減小。其中，相同含水率下UU試驗測得的內(nèi)摩擦角最小，而CD試驗測得的內(nèi)摩擦角最大，CU試驗位于兩者中間。隨含水率的增加，CU試驗測得的內(nèi)摩擦角減小速率是最慢的，其減小幅度為25%左右；UU試驗減小21%；CD試驗減小幅度最小，約11.7%。由此可得，地下水的存在會降低土體的內(nèi)摩擦角，使土體的物理力學(xué)性能變差。

圖2 不同含水率下摩擦角變化曲線

3 地下水對坡體的作用

地下水邊坡巖土體的作用主要分為物理作用、化學(xué)作用和力學(xué)作用。從邊坡穩(wěn)定性分析，地下水的作用最終通過兩種方式降低邊坡穩(wěn)定性：①等效的增加滑坡體的重量，使下滑力增大；②潤滑潛在滑面，降低滑面的物理力學(xué)參數(shù)，減小抗滑力。

3.1 物理作用

地下水對巖土體的物理作用，主要表現(xiàn)為潤滑、軟化和泥化[8]。地下水的潤滑作用會沖刷坡面的松散物質(zhì)，當(dāng)坡體有軟弱夾層時，這種侵蝕作用表現(xiàn)更強(qiáng)烈，會使部分坡體臨空，從而失去支撐后發(fā)生破壞。地下水對坡體的軟化作用主要對邊坡體的軟巖或極軟巖產(chǎn)生作用，其作用效果與泥化作用類似，均是降低巖體的力學(xué)參數(shù)。地下水的流動類型和流速也會破壞巖土體，紊流比層流破壞強(qiáng)度大，破壞的能量與速度的二次方成正比。

3.2 化學(xué)作用

地下水與邊坡接觸產(chǎn)生的化學(xué)作用不斷改變巖土體的性質(zhì)和強(qiáng)度特性，影響邊坡穩(wěn)定性。水中有一些酸性或堿性成分，與巖土體發(fā)生水解、溶解和碳酸化等作用，會破壞土體內(nèi)部細(xì)微的結(jié)構(gòu)，改變土體的結(jié)構(gòu)特性，進(jìn)而影響其力學(xué)性能。趙鵬[9]對某鋁廠堿對紅黏土的物理力學(xué)性質(zhì)的影響進(jìn)行研究，得出在堿的作用下，紅黏土物理力學(xué)性質(zhì)存在物理性質(zhì)變好、力學(xué)性質(zhì)變差的結(jié)論。具體表現(xiàn)為紅黏土物理性質(zhì)整體變好，黏聚力、內(nèi)摩擦角減小。溫度降低時，巖土體與水會產(chǎn)生一些結(jié)晶作用，當(dāng)溫度升高時，某些物質(zhì)中的水就會流出，使巖土體的變得松散軟弱。

3.3 力學(xué)作用

地下水對巖土體的力學(xué)作用主要為靜水壓力和動水壓力。當(dāng)巖土體內(nèi)部賦存有地下水時，水會對周圍的巖土體產(chǎn)生靜水壓力，水頭越高，壓力越大，靜水壓力隨深度的增加呈三角形分布。當(dāng)存在裂縫或者孔隙時，地下水從某個位置流出，形成統(tǒng)一潛水位面，則靜水壓力為零。靜水壓力的大小由水頭差決定。地下水對巖土體產(chǎn)生的動水壓力，是水在巖土體裂隙或結(jié)構(gòu)面中流動而產(chǎn)生。如果巖土體之間存在細(xì)小的顆粒，在一定條件下，可能引起管涌和流沙。

4 邊坡穩(wěn)定性系數(shù)計算

4.1 工程概況

某建筑擬建在山腳，對坡腳進(jìn)行一定的開挖，其剖面圖見圖3。已知上層為約36 m的紅黏土，下層為強(qiáng)風(fēng)化泥巖。結(jié)合工程實際，采用固結(jié)不排水試驗的物理力學(xué)指標(biāo)對該邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性評價。

圖3 工程地質(zhì)剖面圖

紅黏土隨含水率變化，固結(jié)不排水試驗得到的抗剪強(qiáng)度參數(shù)見表2。

表2 土體物理力學(xué)參數(shù)

4.2 理正計算

該邊坡的高度H=31.12 m，屬于土質(zhì)邊坡，破壞后果很嚴(yán)重，邊坡的工程安全等級為一級，屬于永久性邊坡。在自然工況下，F(xiàn)st取1.35。

計算項目： 復(fù)雜土層土坡穩(wěn)定計算 1

[計算簡圖]見圖4

圖4 計算簡圖

[控制參數(shù)]

采用規(guī)范:通用方法

計算目標(biāo):安全系數(shù)計算

滑裂面形狀:圓弧滑動法

不考慮地震

[坡面信息]

坡面線段數(shù) 9

坡面線號 水平投影(m) 豎直投影(m) 超載數(shù) 11.7401.2500 26.1806.3200 34.8702.2600 45.8906.0300 54.0001.3100 64.1403.7800 74.5800.0000 89.8909.8100 95.1600.0000

不考慮水的作用

[計算條件]

圓弧穩(wěn)定分析方法:Bishop法

土條重切向分力與滑動方向反向時:當(dāng)下滑力對待

穩(wěn)定計算目標(biāo):自動搜索最危險滑裂面

條分法的土條寬度:1.000(m)

搜索時的圓心步長:1.000(m)

搜索時的半徑步長:0.500(m)

計算結(jié)果:

[計算結(jié)果圖]見圖5

圖5 圓弧滑動法計算圖

最不利滑動面:

滑動圓心=(10.002,49.216)(m)

滑動半徑=50.223(m)

滑動安全系數(shù)=1.633

總的下滑力=5560.392(kN)

總的抗滑力=9082.745(kN)

土體部分下滑力=5560.392(kN)

土體部分抗滑力=9082.745(kN)

在不考慮地下水作用的情況下，用理正5.6計算得邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為1.633>1.35，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4.3 GeoStudio 2007計算及結(jié)果分析

利用GeoStudio 2007計算邊坡穩(wěn)定系數(shù)，見圖6和圖7。邊坡在無地下水作用時，穩(wěn)定性系數(shù)為1.748，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，比用理正5.6計算的結(jié)果偏大。

圖6 計算穩(wěn)定性系數(shù)時搜索最危險滑動面

圖7 最危險滑動面

地下水位發(fā)生變化時，結(jié)合試驗，地下水位以下，取含水率為59%的抗剪強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行計算；地下水位以上，取含水率為32.5%的參數(shù)計算。邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的計算見圖8～圖19。

圖8 地下水位2 m

圖9 地下水位4 m

圖10 地下水位6 m

圖11 地下水位8 m

圖12 地下水位10 m

圖13 地下水位12 m

圖14 地下水位14 m

圖15 地下水位16 m

圖16 地下水位18 m

圖17 地下水位20 m

圖18 地下水位22 m

圖19 地下水位24 m

當(dāng)?shù)叵滤粡?～20 m變化時，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)一直在下降,在地下水位從10～12m和16～18 m變化時，穩(wěn)定系數(shù)下降平緩。從20～22 m變化時，會有所升高。地下水位在22～24 m時，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)繼續(xù)呈下降趨勢。水位在6 m及以上，邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；在6 m以下，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；在沒有地下水的作用時，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)最高，此時邊坡相對最穩(wěn)定。地下水位為20 m時，穩(wěn)定系數(shù)為1.094，穩(wěn)定系數(shù)最低。最終得出結(jié)論，地下水會影響巖體的力學(xué)性能，降低邊坡的穩(wěn)定性。因此，在評價邊坡穩(wěn)定性時，需要詳細(xì)查明地下水的情況，才能保證邊坡達(dá)到穩(wěn)定要求。見圖20。

圖20 穩(wěn)定系數(shù)與地下水位的關(guān)系

5 結(jié) 論

1) 紅黏土的含水率增加，物理力學(xué)參數(shù)會變差。CU試驗和CD試驗測得的土的黏聚力降低程度較相似，而UU試驗測得的黏聚力強(qiáng)度降低程度最強(qiáng)烈，CU試驗測得的內(nèi)摩擦角減少幅度最大。

2) 地下水位對邊坡穩(wěn)定性的影響比較顯著，評價邊坡穩(wěn)定性時需要重點考慮。地下水位越高，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)呈整體減小的趨勢。

3) 在邊坡支護(hù)設(shè)計時，需要做好邊坡表面的截水措施和下部的排水措施，盡量減少地下水對邊坡產(chǎn)生不利影響。