強(qiáng)降雨條件下含軟弱夾層粘性土坡穩(wěn)定性分析

何忠明 王保林 胡慶國(guó)

摘 要：

為了分析含軟弱夾層粘性土坡在強(qiáng)降雨條件下的穩(wěn)定性，結(jié)合某失穩(wěn)邊坡工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)研資料，基于飽和非飽和滲流與非飽和抗剪強(qiáng)度理論，提出了一種新的含軟弱夾層粘性土坡穩(wěn)定性分析方法，并利用該方法分析了強(qiáng)降雨條件下邊坡的滲流特性及安全系數(shù)變化規(guī)律。分析結(jié)果表明：降雨入滲先在邊坡軟弱夾層內(nèi)形成暫態(tài)飽和區(qū)，且當(dāng)坡頂入滲的雨水未滲流至軟弱夾層時(shí)，夾層內(nèi)暫態(tài)飽和區(qū)中的雨水會(huì)沿夾層上表面向著坡頂方向滲流；降雨入滲過(guò)程中，邊坡基質(zhì)吸力與鉛直有效應(yīng)力之間存在嚴(yán)格的正相關(guān)變化關(guān)系；隨著降雨歷時(shí)的增加，塑性區(qū)首先在軟弱夾層內(nèi)部貫通，然后向坡頂擴(kuò)展，邊坡安全系數(shù)逐漸降低；降雨停止一段時(shí)間后，由于坡頂入滲雨水的補(bǔ)給，軟弱夾層內(nèi)局部將仍存在暫態(tài)飽和區(qū)，此時(shí)，塑性區(qū)面積會(huì)由坡頂向軟弱夾層內(nèi)部減小，再由夾層內(nèi)部至坡面逐漸縮減，但邊坡安全系數(shù)并未明顯上升；根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果可將粘性土坡失穩(wěn)過(guò)程分為夾層軟化、夾層擠壓、拉伸裂縫、坡頂沉降和斷裂滑移等5個(gè)階段。因此，為了降低強(qiáng)降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，在含軟弱夾層粘性土坡支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)著重考慮邊坡排水系統(tǒng)的合理布設(shè)。

關(guān)鍵詞：

降雨入滲；軟弱夾層；穩(wěn)定性；塑性區(qū)；安全系數(shù)

中圖分類號(hào)：U416.217

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：16744764（2018）05010908

收稿日期：20171228

基金項(xiàng)目：

國(guó)家自然科學(xué)基金（51508042、51678073）；湖南省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016SK2023）

作者簡(jiǎn)介：

何忠明（1980），男，教授，博士（后），主要從事路基工程研究，Email： hezhongming45@126.com。

Received：20171228

Foundation item：

National Natural Science Foundation of China （No.51508042，51678073）； Research Foundation of Hunan Province （No.2016SK2023）

Author brief：

He Zhongming（1980）， professor， PhD， main research interest： subgrade engineering， Email： hezhongming45@126.com.

Stability analysis of cohesive soil slope with weak interlayer

under heavy rainfall

He Zhongminga，b， Wang Baolinb， Hu Qingguob

（a. Key Laboratory of Special Environment Road Engineering of Hunan Province； b. School of Traffic and

Transportation Engineering， Changsha University of Science & Technology， Changsha 410004， P.R. China）

Abstract：

For the stability analysis of cohesive soil slope with weak interlayer under condition of heavy rainfall， a new method is proposed based on the slope investigation data and the fleory of unsaturated seepage and shear strength to analysis the seepage characteristics and variation of safety coefficient for soil slopes containing weak interlayers. Analysis results indicate： due to rainfall infiltration， the transient saturated zone is formed in the weak interlayer of slope； Under rainfall infiltration process， there is positive correlation between the suction and the vertical effective stress； With increase of rainfall duration， the plastic zone extended from the inside interlayer to the top of slope， as a result of which the slope safety coefficient decreases； After rain， weak interlayer will still exist in local transient saturated zone， causing less significant decrease of the slope safety coefficient. According to the numerical results， the instability process of cohesive soil slopes can be divided into 5 stages： interlayer softening，interlayer extrusion，tensile crack，slope crest settlement and fault slip. Consequently， to minimize the influence of heavy rainfall on the slope stability， reasonable drainage system should be emphasized in the design of cohesive soil slope with weak interlayer.

Keywords：

rainfall infiltration； weak interlayer； stability； plastic zone； safety factor

中國(guó)公路、鐵路和水利等交通事業(yè)的發(fā)展方興未艾，各地區(qū)的地質(zhì)及氣候條件差異性大，因此，在公路交通建設(shè)中經(jīng)常會(huì)遇到邊坡中含有軟弱夾層的問(wèn)題。一般情況下，軟弱夾層具有高滲透性，遇水極易軟化，軟化后其抗滑能力逐步降低，從而影響整個(gè)邊坡的穩(wěn)定性[1]。已有學(xué)者對(duì)含軟弱夾層的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了相關(guān)研究，如李永亮等[2]基于有限元強(qiáng)度折減法，建立了軟弱夾層影響下的土坡模型，分析了坡高、坡腳、夾層埋深、夾層傾角和夾層厚度這5種因素對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響；TAKASHI等[3]運(yùn)用剛塑性有限元法對(duì)含軟弱夾層邊坡的安全系數(shù)進(jìn)行了研究；SANTHA等[4]重點(diǎn)分析了軟弱結(jié)構(gòu)層的粘聚力和內(nèi)摩擦角等對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響；王睿等[5]通過(guò)對(duì)含水平軟弱夾層的黏性土坡進(jìn)行離心模型試驗(yàn)，分析了水平軟弱夾層的存在對(duì)邊坡整體穩(wěn)定性的影響。從上述研究中不難看出，當(dāng)土質(zhì)邊坡內(nèi)含水平軟弱夾層時(shí)，邊坡會(huì)發(fā)生不連續(xù)的斷裂破壞，這種破壞將直接導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)，從而對(duì)交通安全造成嚴(yán)重威脅。此外，降雨也是誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的重要因素，但目前尚較少有學(xué)者考慮降雨對(duì)軟弱夾層的影響，并深入系統(tǒng)分析其穩(wěn)定性。

鑒于此，筆者所在研究團(tuán)隊(duì)在總結(jié)已有研究成果的基礎(chǔ)上，展開(kāi)了對(duì)降雨入滲條件下含軟弱夾層土坡的穩(wěn)定性研究，如：馬勇[6]對(duì)降雨入滲引起的邊坡孔隙水壓力、體積含水率以及安全系數(shù)等變化規(guī)律進(jìn)行了分析，指明了降雨入滲在含軟弱夾層粘性土坡內(nèi)的滲流特性，但未考慮邊坡在降雨入滲條件下的穩(wěn)定性變化規(guī)律。為更加深入研究該類邊坡的失穩(wěn)機(jī)理，本文結(jié)合湖南省長(zhǎng)沙地區(qū)京珠高速公路某含軟弱夾層失穩(wěn)邊坡實(shí)例，提出一種由面到點(diǎn)，再到面的軟弱夾層邊坡穩(wěn)定性分析方法，對(duì)強(qiáng)降條件下軟弱夾層邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行深入研究。

1 含軟弱夾層邊坡穩(wěn)定性分析方法

含軟弱夾層邊坡穩(wěn)定性分析步驟：首先，結(jié)合湖南省長(zhǎng)沙市某高速公路含風(fēng)化夾層失穩(wěn)邊坡現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際資料，建立相應(yīng)數(shù)值計(jì)算模型，根據(jù)長(zhǎng)沙地區(qū)的氣候條件設(shè)定相應(yīng)降雨工況。然后，采用GeoStudio軟件宏觀分析強(qiáng)降雨引起的邊坡體積含水率以及滲流速度的變化規(guī)律來(lái)確定雨水的滲流特性；再通過(guò)布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)基質(zhì)吸力的變化規(guī)律來(lái)判定雨水入滲至監(jiān)測(cè)點(diǎn)的具體時(shí)刻，從而對(duì)邊坡基質(zhì)吸力與鉛直有效應(yīng)力的關(guān)系進(jìn)行微觀分析。最后，采用FLAC3D軟件對(duì)邊坡塑性區(qū)變化規(guī)律進(jìn)行宏觀研究，通過(guò)分析其破壞路徑和安全系數(shù)來(lái)對(duì)強(qiáng)降雨條件下含軟弱夾層粘性土坡的穩(wěn)定性進(jìn)行整體評(píng)價(jià)（見(jiàn)圖1）。

2 研究的理論基礎(chǔ)

2.1 飽和非飽和滲流理論

自然條件下，含軟弱夾層的粘性土坡是一種飽和非飽和的穩(wěn)定狀態(tài)，在經(jīng)歷強(qiáng)降雨后，雨水入滲使邊坡飽和非飽和區(qū)進(jìn)行了重分布，其滲流特性滿足達(dá)西定律

vi=-ki（θ）kijHxj（1）

式中：vi為入滲雨水的達(dá)西流速；kij為飽和滲透張量；H為總水頭。

強(qiáng)降雨入滲條件下，入滲雨水在飽和區(qū)和非飽和區(qū)的滲流運(yùn)動(dòng)有所不同，主要體現(xiàn)在滲透系數(shù)的不一致。一般認(rèn)為，在飽和區(qū)時(shí)，滲透系數(shù)為一定值，在非飽和區(qū)時(shí)，滲透系數(shù)為土壤飽和度與基質(zhì)吸力的一種函數(shù)關(guān)系，但都滿足質(zhì)量守恒原理，其飽和非飽和滲流控制微分方程為

xikijkyyxi+ki3krh+S=Ch+βSSht（2）

式中：h為壓力水頭；ki（h）為相對(duì)滲透系數(shù)；kij為滲透張量；SS為單位貯水系數(shù)；C（h）為容水度；S為源匯項(xiàng)。

含軟弱夾層粘性土坡的滲流邊界條件參考文獻(xiàn)[7]，基質(zhì)吸力與土壤飽和度的函數(shù)曲線采用Van Genuchten模型來(lái)擬合[8]，具體方程為

Se=1+αPcn-m（3）

式中：Pc為基質(zhì)吸力；m、n、α為擬合參數(shù)。

根據(jù)大量經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)算，參數(shù)m和n之間存在n=1-m-1的關(guān)系，代入式（3）中可得

Pc = PoS-1/me-11/m（4）

式中：Po=1/α；Se為有效飽和度。

2.2 非飽和抗剪強(qiáng)度理論

目前有兩類基于MohrCoulumb準(zhǔn)則的非飽和抗剪強(qiáng)度理論公式被巖土工程界所認(rèn)可[9]，分別是Bishop公式和Fredlund的雙應(yīng)力變量公式。本文數(shù)值分析時(shí)采用Fredlund的雙應(yīng)力變量公式，其非飽和土的抗剪強(qiáng)度通過(guò)凈法向應(yīng)力和基質(zhì)吸力來(lái)表達(dá)[10]。

τf=C′+σ-Pgtan φ′+Pg-Pwtan φb （5）

式中：τf為抗剪強(qiáng)度；C′為有效黏聚力；φ′為有效摩擦角；σ為正應(yīng)力；Pg為孔隙氣壓力；Pw為孔隙壓力；φb為由基質(zhì)吸力引起抗剪強(qiáng)度增量的摩擦角。

3 邊坡數(shù)值計(jì)算

3.1 工程概況

京珠高速（長(zhǎng)沙―株洲段）某路基左側(cè)失穩(wěn)粘性土質(zhì)邊坡，總高度達(dá)10 m左右，沿線長(zhǎng)度達(dá)1.2 km。受地形及路線限制，邊坡總體按1∶1的坡比進(jìn)行開(kāi)挖，沿線區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，受亞熱帶季風(fēng)氣候的影響，該地區(qū)常年雨水充沛，強(qiáng)降雨時(shí)有發(fā)生，地下水系較為發(fā)育。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)鉆芯取樣發(fā)現(xiàn)，該邊坡出露部分為長(zhǎng)沙地區(qū)典型的紅粘土結(jié)構(gòu)層，下方為弱風(fēng)化花崗巖加頁(yè)巖，由于地質(zhì)構(gòu)造及長(zhǎng)時(shí)間降雨因素的影響，該邊坡內(nèi)部分粘性土層較為松散，裂隙十分發(fā)育，與一些破碎的砂礫及植物殘骸夾雜在一起形成了厚度近1 m的粉質(zhì)粘土層，即：強(qiáng)風(fēng)化軟弱夾層。由于該強(qiáng)風(fēng)化軟弱夾層滲透系數(shù)較高且表面裸露，每當(dāng)雨季來(lái)臨之時(shí)，雨水都能較快地入滲至軟弱夾層，從而泥化夾層，使夾層的強(qiáng)度迅速降低，導(dǎo)致邊坡坡頂處發(fā)生不均勻沉降變形，坡面多處出現(xiàn)拉伸裂縫，最終發(fā)育形成明顯的滑移趨勢(shì)（見(jiàn)圖2）。為深入了解該類型邊坡失穩(wěn)機(jī)理，擬以該邊坡為研究對(duì)象，對(duì)強(qiáng)降雨條件下含軟弱夾層粘性土坡的穩(wěn)定性進(jìn)行深入研究。

3.2 結(jié)構(gòu)層基本假定

要完全真實(shí)地模擬含軟弱夾層邊坡的實(shí)際情況，比較困難。因此，在保證分析精度與可靠性的基礎(chǔ)上，根據(jù)研究目的對(duì)邊坡結(jié)構(gòu)層進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化[1112]，先作出如下假定：

1）降雨工況下含軟弱夾層粘性土坡的體系為小變形且只考慮土體自重的應(yīng)力場(chǎng)。

2）視邊坡粘性土層和軟弱夾層的各物理參數(shù)為常數(shù)。

3）粘性土層與軟弱夾層之間的接觸條件為完全連續(xù)接觸。

4）粘性土層和軟弱夾層均視為各向同性材料。

3.3 計(jì)算參數(shù)確定

按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40—2007）取該邊坡粘性土及強(qiáng)風(fēng)化軟弱夾層試樣進(jìn)行變水頭滲透試驗(yàn)，測(cè)得粘性土的飽和滲透系數(shù)為1.02×10-7 cm/s，強(qiáng)風(fēng)化軟弱夾層的飽和滲透系數(shù)為1.25×10-5 cm/s。通過(guò)室內(nèi)大型直剪試驗(yàn)測(cè)得粘性土和強(qiáng)風(fēng)化軟弱夾層的黏聚力分別為：25、16 kPa，內(nèi)摩擦角分別為：22°、12°，重度分別為：20、15 kN/m3。此外，參考相關(guān)文獻(xiàn)[1315]，選取本次數(shù)值計(jì)算的粘性土層和強(qiáng)風(fēng)化軟弱夾層的其他巖土力學(xué)參數(shù)如表1所示。

3.4 降雨方案確定

降雨入滲過(guò)程可由降雨強(qiáng)度q、土壤允許入滲的容量fp、土壤飽和時(shí)的水力傳導(dǎo)系數(shù)kw這3個(gè)因子來(lái)進(jìn)行描述[11]，具體為：

1）q

2）kw≤q

3）q≥fp時(shí)，由于降雨強(qiáng)度大于土壤的入滲容量，故降雨在部分入滲的情況下形成地表徑流。

本文主要分析強(qiáng)降雨條件下含軟弱夾層邊坡的失穩(wěn)機(jī)理，故暫不考慮第3種情況。結(jié)合歷年來(lái)湖南省長(zhǎng)沙地區(qū)雨季的降雨資料及參考相關(guān)文獻(xiàn)[1618]，選取本次數(shù)值模擬的降雨強(qiáng)度為6.94×10-7 m/s，歷時(shí)72 h，降雨總量為179.88 mm，隨后降雨停止72 h，總過(guò)程歷時(shí)144 h。室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得長(zhǎng)沙地區(qū)粘性土在標(biāo)準(zhǔn)壓實(shí)度下的飽和體積含水率和殘余體積含水率分別為0.16、0.10，軟弱夾層的飽和體積含水率和殘余體積含水率分別為0.23、015，然后，利用Van Genuchten模型對(duì)滲透系數(shù)、體積含水率隨基質(zhì)吸力的變化規(guī)律進(jìn)行擬合，擬合曲線如圖3、圖4所示。

3.5 邊坡計(jì)算模型建立

在參考相關(guān)文獻(xiàn)[1920]的基礎(chǔ)上，結(jié)合3.1節(jié)所述的依托工程實(shí)際情況，采用GeoStudio軟件建立如圖5所示的數(shù)值計(jì)算模型，其幾何尺寸為：坡高10 m，坡寬10 m，坡率為1∶1，基層厚度為6 m，寬度30 m，軟弱夾層厚度為1 m。在同時(shí)考慮計(jì)算精度與計(jì)算效率的基礎(chǔ)上，將計(jì)算模型劃分為1 941個(gè)節(jié)點(diǎn)和1 840個(gè)單元，并在坡面以下1 m處布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)a、b、c，坡頂中心處沿節(jié)點(diǎn)布設(shè)截面ⅠⅠ。邊界條件為：坡面和坡頂為降雨入滲邊界，坡腳右側(cè)是公路路面段，設(shè)置為不透水邊界，模型坡底亦設(shè)置為不透水邊界。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 降雨入滲條件下體積含水率分布規(guī)律

土壤體積含水率的增加是誘導(dǎo)邊坡失穩(wěn)的重要因素之一，尤其是在含軟弱夾層的粘性土坡中，由于軟弱夾層的高滲透性，雨水可以很快入滲至軟弱夾層內(nèi)部，加快了邊坡土壤體積含水率的增加速率，使其抗剪、抗滑能力迅速降低，最終導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。為研究強(qiáng)降雨條件下含軟弱夾層粘性土坡的體積含水率分布規(guī)律，取沿截面ⅠⅠ中所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行體積含水率的監(jiān)測(cè)，其分布規(guī)律如圖6、圖7所示。從圖中可以看出：降雨歷時(shí)24 h后，坡頂含水率為0.16，已經(jīng)到達(dá)飽和狀態(tài)；在軟弱夾層上方的粘性土層中，體積含水率隨降雨歷時(shí)的增加而增加，當(dāng)降雨分別歷時(shí)24、48、72 h時(shí)，土壤體積含水率在高程為14、13、12 m處仍為天然含水率，表明雨水即將但還未滲流至該處，由此可得雨水平均入滲速度為41.7 mm/h；在軟弱夾層中，體積含水率明顯高于各粘性土層，其最大值在降雨為24、48、72 h時(shí)，就已經(jīng)達(dá)到0.20、0.21、0.215，接近軟弱夾層飽和含水率023，因此，視軟弱夾層在降雨達(dá)到24 h就已經(jīng)達(dá)到飽和狀態(tài)；在軟弱夾層下方的粘性土層中，高程為8～10 m之間的土壤含水率隨降雨歷時(shí)的增加而增加，6～8 m之間的土壤體積含水率保持不變。降雨停止后，在高程為13～16 m之間的體積含水率逐漸減小，11～13 m之間的體積含水率卻慢慢增加，10～11 m之間軟弱夾層的體積含水率基本保持不變，6～10 m粘性土層的體積含水率逐步增大。

綜上所述，在強(qiáng)降雨條件下，雨水先由坡面向軟弱夾層內(nèi)部入滲；當(dāng)降雨歷時(shí)72 h時(shí)，由坡頂入滲的雨水滲流至12 m處，并未流至軟弱夾層，所以，入滲至軟弱夾層內(nèi)的雨水全部來(lái)源于坡面入滲；此外，由于軟弱夾層的滲透系數(shù)明顯高于粘性土層，因此，入滲至軟弱夾層內(nèi)部的雨水會(huì)在其內(nèi)部聚集，形成暫態(tài)飽和區(qū)；降雨停止后，坡頂飽和區(qū)的雨水會(huì)繼續(xù)向下入滲至軟弱夾層，對(duì)夾層內(nèi)暫態(tài)飽和區(qū)進(jìn)行補(bǔ)給，軟弱夾層內(nèi)部暫態(tài)飽和區(qū)內(nèi)的雨水也將緩慢向下入滲，當(dāng)降雨停止72 h后，暫態(tài)飽和區(qū)仍然局部存在軟弱夾層內(nèi)部，但是，隨著降雨停止時(shí)間的延長(zhǎng)，其暫態(tài)飽和區(qū)會(huì)慢慢消散。

4.2 含軟弱夾層邊坡降雨入滲滲流速度分布規(guī)律

為分析強(qiáng)降雨條件下，雨水在邊坡粘性土層和軟弱夾層內(nèi)的滲流速度分布規(guī)律，故給出降雨72 h和降雨停止72 h的滲流速度矢量圖，分別如圖8、圖9所示。從圖中可以看出：降雨過(guò)程中，雨水在坡頂處表現(xiàn)為均勻入滲，在坡面處表現(xiàn)為軟弱夾層內(nèi)的滲流速度明顯快于粘性土層；降雨達(dá)到72 h后，坡頂入滲的雨水并未到達(dá)軟弱夾層區(qū)域，相反，由邊坡面滲流進(jìn)入軟弱夾層內(nèi)的少量雨水，會(huì)沿夾層上表面向著坡頂方向滲流；當(dāng)降雨停止72 h后，坡頂入滲的雨水已經(jīng)蔓延至軟弱夾層內(nèi)部，雨水向上滲流的現(xiàn)象消失。

分析其原因：隨著降雨歷時(shí)的增加，雨水從邊坡面軟弱夾層處可以很快入滲至夾層內(nèi)部，形成4.1節(jié)中所述的暫態(tài)飽和區(qū)，當(dāng)降雨達(dá)到72 h后，坡頂入滲的雨水并未流至軟弱夾層區(qū)域，所以，在軟弱夾層上面的部分粘性土層仍然具有較大的基質(zhì)吸力，導(dǎo)致軟弱夾層內(nèi)早已形成的暫態(tài)飽和區(qū)中的雨水沿夾層上表面向著坡頂方向滲流；降雨停止后，由坡頂均勻入滲的雨水會(huì)由于重力及吸力作用繼續(xù)向下蔓延，當(dāng)降雨停止72 h后，坡頂入滲的雨水已經(jīng)蔓延至軟弱夾層，故軟弱夾層上面粘性土層的吸力不足以支持雨水向上滲流。

4.3 基質(zhì)吸力與鉛直有效應(yīng)力關(guān)系

為了研究降雨入滲至邊坡某處時(shí)引起的基質(zhì)吸力與鉛直有效應(yīng)力之間的關(guān)系，分別對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的基質(zhì)吸力及鉛直有效應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到的監(jiān)測(cè)點(diǎn)基質(zhì)吸力和鉛直有效應(yīng)力變化規(guī)律如圖10、圖11所示。從圖中可以看出：降雨過(guò)程中，隨降雨歷時(shí)的增加邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)基質(zhì)吸力逐漸減小，鉛直有效應(yīng)力也逐漸減小，降雨停止后，隨著入滲雨水的消散，監(jiān)測(cè)點(diǎn)基質(zhì)吸力逐漸恢復(fù)，鉛直有效應(yīng)力也逐漸增大，此外，由于基質(zhì)吸力和土壤含水率呈現(xiàn)出密切的負(fù)相關(guān)性，即土壤含水率的增大會(huì)引起基質(zhì)吸力的減小，根據(jù)這一關(guān)系可以推測(cè)當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)基質(zhì)吸力明顯減小時(shí)，降雨會(huì)入滲至該監(jiān)測(cè)點(diǎn)。在圖10中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)a、b、c的基質(zhì)吸力分別在降雨歷時(shí)2、1、3 h后開(kāi)始明顯減小，據(jù)此認(rèn)為，在降雨歷時(shí)1、2、3 h時(shí)，雨水分別入滲至監(jiān)測(cè)點(diǎn)b、a、c；再分析圖11不難看出，當(dāng)降雨入滲至監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的鉛直有效應(yīng)力開(kāi)始明顯減小。分析上述現(xiàn)象可以認(rèn)為：降雨入滲過(guò)程中，邊坡基質(zhì)吸力與鉛直有效應(yīng)力之間存在著嚴(yán)格的正相關(guān)變化關(guān)系。

4.4 邊坡降雨入滲引起的塑性區(qū)分布規(guī)律

含軟弱夾層粘性土坡的失穩(wěn)可以認(rèn)為是塑性區(qū)逐漸擴(kuò)展至貫通，致使其結(jié)構(gòu)層抗拉、抗剪能力降低，從而進(jìn)入完全塑流狀態(tài)的過(guò)程。為研究本次數(shù)值計(jì)算模型在強(qiáng)降雨條件下的塑性區(qū)分布規(guī)律，在FLAC3D軟件中建立三維等效模型，并通過(guò)自編轉(zhuǎn)換程序?qū)?duì)應(yīng)時(shí)刻的孔隙水壓力按網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)導(dǎo)入到三維等效模型中，具體計(jì)算結(jié)果如圖12所示，但由于篇幅限制，本文只給出降雨歷時(shí)12、36、72 h及降雨停止36、72 h時(shí)的塑性區(qū)計(jì)算結(jié)果。從圖12可知，降雨工況下，塑性區(qū)首先發(fā)生在軟弱夾層內(nèi)，在降雨歷時(shí)12 h時(shí)，塑性區(qū)已經(jīng)擴(kuò)展至軟弱夾層內(nèi)部，繼而隨著降雨的持續(xù)，塑性區(qū)逐漸向坡頂發(fā)展，當(dāng)降雨達(dá)到72 h時(shí)，其塑性區(qū)面積最大；降雨停止后，塑性區(qū)面積逐漸減小，并由坡內(nèi)向坡表軟弱夾層出露處縮減。這是因?yàn)椋很浫鯅A層較粘性土層而言，其滲透系數(shù)較高，降雨初期，雨水可以較快的滲流進(jìn)入軟弱夾層內(nèi)部，致使其抗拉、抗剪能力迅速降低，因此，塑性區(qū)先在軟弱夾層內(nèi)發(fā)生，當(dāng)降雨歷時(shí)72 h時(shí)，由于雨水尚未滲流至軟弱夾層，所以由坡頂入滲的雨水會(huì)存留在軟弱夾層和坡頂之間的粘性土層中，增加了該結(jié)構(gòu)層土體的自重，因此，塑性區(qū)繼續(xù)向著坡頂擴(kuò)展；降雨停止后，由于雨水的出滲，導(dǎo)致邊坡基質(zhì)吸力逐漸恢復(fù)，鉛直有效應(yīng)力也逐漸增大，土體自重有所減輕，故塑性區(qū)面積會(huì)由坡頂向軟弱夾層內(nèi)部減小，繼而再由夾層內(nèi)至坡面逐漸縮減。

4.5 邊坡安全系數(shù)變化規(guī)律

降雨入滲條件下，通過(guò)強(qiáng)度折減法計(jì)算得到的邊坡安全系數(shù)如圖13所示。從圖中可以看出：邊坡安全系數(shù)隨著降雨歷時(shí)的增加而逐漸減小，在降雨歷時(shí)72 h時(shí)，邊坡安全系數(shù)由1.80降至1.50，減小了17%；降雨停止后，邊坡安全系數(shù)減小的速率明顯變緩，在降雨停止歷時(shí)72 h整個(gè)過(guò)程中，安全系數(shù)從1.50降至1.45，僅減小了3%。分析其中原因?yàn)椋航涤赀^(guò)程中，雨水逐漸入滲至邊坡內(nèi)部，導(dǎo)致邊坡各結(jié)構(gòu)層土體自重增加，其抗滑、抗剪能力降低，所以，邊坡安全系數(shù)隨著降雨入滲的持續(xù)而逐漸減?。唤涤晖Ｖ购?，邊坡基質(zhì)吸力逐漸恢復(fù)，但是，由于軟弱夾層內(nèi)局部依然存在暫態(tài)飽和區(qū)，導(dǎo)致雨水不能快速的出滲，所以，邊坡安全系數(shù)并未出現(xiàn)明顯回升。

5 含軟弱夾層邊坡失穩(wěn)機(jī)理分析

根據(jù)4.1節(jié)和4.2節(jié)的計(jì)算結(jié)果可以看出，在強(qiáng)降雨條件下，雨水較快滲流進(jìn)入至軟弱夾層，在軟弱夾層內(nèi)形成暫態(tài)飽和區(qū)，從而使軟弱夾層的強(qiáng)度降低，此時(shí)為夾層軟化階段；根據(jù)4.3節(jié)計(jì)算結(jié)果可知，降雨入滲引起軟弱夾層上方結(jié)構(gòu)層的鉛直有效應(yīng)力明顯減小，導(dǎo)致夾層被擠壓變形，此時(shí)為夾層擠壓階段；隨著降雨的持續(xù)，軟弱夾層上方結(jié)構(gòu)層的抗剪強(qiáng)度逐漸降低，局部開(kāi)始出現(xiàn)拉伸裂縫，此時(shí)為拉伸裂縫階段；當(dāng)拉伸裂縫發(fā)到一定程度后，坡頂開(kāi)始產(chǎn)生不均勻沉降變形，導(dǎo)致夾層進(jìn)一步被擠壓，邊坡抗滑能力也逐漸降低，此時(shí)為坡頂沉降階段；根據(jù)4.4節(jié)中的計(jì)算結(jié)果可以看出：邊坡塑性區(qū)從夾層擠壓處逐漸向坡頂發(fā)展至貫通，當(dāng)降雨達(dá)到一定程度后，塑性區(qū)土體自重明顯增加，使邊坡的抗滑能力進(jìn)一步降低，從而導(dǎo)致邊坡沿塑性貫通區(qū)發(fā)生滑移破壞，并在夾層擠壓處斷裂，此時(shí)為斷裂滑移階段。因此，依托工程邊坡的失穩(wěn)過(guò)程分為：夾層軟化、夾層擠壓、拉伸裂縫、坡頂沉降和斷裂滑移這5個(gè)階段。因此，為了降低強(qiáng)降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，在含軟弱夾層粘性土坡支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)著重考慮邊坡排水系統(tǒng)的合理布設(shè)。

6 結(jié)論

1）在強(qiáng)降雨條件下，雨水在軟弱夾層內(nèi)的滲流速度最快，先在軟弱夾層內(nèi)形成暫態(tài)飽和區(qū)，當(dāng)坡頂入滲的雨水未滲流至軟弱夾層時(shí)，夾層內(nèi)部暫態(tài)飽和區(qū)的雨水會(huì)沿夾層上表面向著坡頂方向滲流；降雨停止一段時(shí)間后，軟弱夾層暫態(tài)飽和區(qū)得到坡頂暫態(tài)飽和區(qū)入滲雨水的補(bǔ)給，故夾層局部?jī)?nèi)依然存在暫態(tài)飽和區(qū)。

2）在強(qiáng)降雨條件下，可根據(jù)軟弱夾層粘性土坡降雨入滲至某點(diǎn)時(shí)引起該點(diǎn)基質(zhì)吸力開(kāi)始明顯減小來(lái)判定降雨入滲至該點(diǎn)的具體時(shí)刻，從而對(duì)基質(zhì)吸力與鉛直有效應(yīng)力之間的關(guān)系進(jìn)行微觀分析，確定了兩者之間存在著嚴(yán)格的負(fù)相關(guān)變化關(guān)系。

3）隨著降雨歷時(shí)的增加，邊坡塑性區(qū)首先在軟弱夾層內(nèi)部貫通，繼而向著坡頂發(fā)展，邊坡安全系數(shù)逐漸降低；降雨停止后，塑性區(qū)面積會(huì)由坡頂向軟弱夾層內(nèi)部減小，繼而再由夾層內(nèi)至坡面逐漸縮減，但由于軟弱夾層內(nèi)局部依然存在暫態(tài)飽和區(qū)，所以，安全系數(shù)在降雨停止一段時(shí)間內(nèi)并未得到及時(shí)升高。

4）根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果可將含軟弱夾層粘性土坡失穩(wěn)過(guò)程分為：夾層軟化、夾層擠壓、拉伸裂縫、坡頂沉降和斷裂滑移這5個(gè)階段。因此，為了降低強(qiáng)降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，在含軟弱夾層粘性土坡支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)著重考慮邊坡排水系統(tǒng)的合理布設(shè)。

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（編輯 王秀玲）