降雨情況下裂隙膨脹土邊坡滲流穩(wěn)定性的影響分析

王玉娟

(河南省中緯測繪規(guī)劃信息工程有限公司，河南 焦作 454000)

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，對工程建設(shè)的需求越來越大。由于我國膨脹土分布較廣，給該類型工程的邊坡建設(shè)、施工和長期穩(wěn)定性帶來諸多影響[1-2]，降雨引發(fā)的膨脹土邊坡失穩(wěn)事故更是屢見不鮮[3]。膨脹土具有的“濕脹干縮”性質(zhì)，使得其在大氣變化作用下極易產(chǎn)生裂隙，這對降雨時邊坡的入滲、穩(wěn)定特性產(chǎn)生重要影響[4]，也會對變形特性產(chǎn)生重大影響，對工程造成重大危害。因此，對降雨條件下裂隙膨脹土的滲流、穩(wěn)定特性進行詳細分析顯得非常有必要[5]。

鄭長安采用理論計算和室內(nèi)試驗相結(jié)合的辦法，對不同因素影響下的膨脹土邊坡穩(wěn)定性進行了詳細分析[6]。王曉磊等通過極限平衡法，將膨脹土邊坡劃分為裂隙充分發(fā)展區(qū)、坡頂張拉裂隙區(qū)、裂隙發(fā)育不充分區(qū)、坡頂張拉裂隙區(qū)、坡腳雨水積聚影響區(qū)以及無裂隙區(qū)等6個區(qū)域進行分析[7]。郭天昊等針對不同初始含水率和壓實度下的膨脹土降雨入滲特性進行了對比分析[8]。王曉磊等提出將邊坡由外向內(nèi)劃分為裂隙影響層和原始層兩個亞層，并通過現(xiàn)場、室內(nèi)試驗對降雨條件下邊坡內(nèi)部孔隙水壓力的分布特征進行了模擬分析[9]。陳善雄等在分析膨脹土邊坡穩(wěn)定性時，將裂隙分布及強度影響考慮進去[10]。

本文在前人研究經(jīng)驗及理論的基礎(chǔ)上，開展了不同裂隙深度、位置的裂隙膨脹土滲流及穩(wěn)定性分析，對降雨、含裂隙等復(fù)雜條件下的膨脹土滲流穩(wěn)定特性進行對比分析，可為膨脹土邊坡工程的設(shè)計施工提供參考。

1 裂隙模擬設(shè)定

1.1 裂隙深度的模擬設(shè)定

根據(jù)統(tǒng)計分析及研究工作經(jīng)驗，膨脹土在風化作用下的影響深度范圍在2～4 m，極大一部分裂隙的發(fā)育深度在2 m以內(nèi)。裂隙的發(fā)育程度與深度息息相關(guān)，在地表淺層受到降雨、蒸發(fā)循環(huán)作用時最為顯著，并隨之形成由淺到深的強風化層、弱風化層以及原狀土層。故而在數(shù)值模擬時，根據(jù)勘察結(jié)果，將一定深度范圍內(nèi)的土層設(shè)定為風化層，并合理考慮降雨入滲和蒸發(fā)過程中裂隙的閉合和張開情況。

1.2 裂隙滲透系數(shù)曲線模擬設(shè)定

假設(shè)吸力在小于臨界地表基質(zhì)吸力的情況下，裂隙處于閉合狀態(tài)，此時滲透系數(shù)與原狀土一致；而當吸力大于地表基質(zhì)的臨界吸力后，裂隙呈現(xiàn)開裂狀態(tài)，此時采用線性關(guān)系表達裂隙及風化層的滲透系數(shù)，即：

(1)

式中：sm為基質(zhì)吸力值大?。籯m為s=sm時的主裂隙或風化層的滲透系數(shù)大??；sc為臨界地表基質(zhì)吸力值；kc為s=sc時的滲透系數(shù)大小。

2 工程背景及計算模型

本文以濮陽至衛(wèi)輝高速公路新鄉(xiāng)段某膨脹土邊坡工程為例展開分析。該邊坡分為表面風化層(厚約1 m)、主裂隙深度也接近1 m，地下水位則位于原狀土體內(nèi)。模擬分析時，將邊坡劃分為4個區(qū)域：坡頂、上坡面、下坡面及坡腳。根據(jù)勘察結(jié)果，將裂隙影響深度定義為1～3 m(計算時選擇1.2、2.1和3.0 m作對比分析),裂隙間距定義為1 m，同時還將風化層劃分為強風化層I 區(qū)和弱風化層Ⅱ區(qū)，最下面是原狀土，具體模擬分析模型見圖1。

圖1 模擬分析計算模型示意

模型設(shè)定的初始條件和邊界條件如下：①降雨強度設(shè)定為100 mm/d，持續(xù)降雨天數(shù)為10 d，忽略坡面積水問題；②初始地下水位見圖1，孔隙水壓力根據(jù)uw=yw(z-h0)計算；③模型左右兩側(cè)及底部均設(shè)定為不透水邊界，上部設(shè)定為降雨邊界條件。滲流及強度計算參數(shù)見表1、表2。

表1 滲流計算參數(shù)設(shè)定

項目殘余含水率/% 飽和含水率/% 參數(shù)a/kPa-1參數(shù)n飽和滲透系數(shù)ksat /m·h-1原狀膨脹土 6.00 38.0 0.058 5.9955 2.0e-4

表2 強度參數(shù)設(shè)定

3 模擬結(jié)果分析

3.1 滲流結(jié)果分析

3.1.1 裂隙存在對滲流的影響分析

圖2為無裂隙和有裂隙(深2.1 m)下邊坡體積含水量的分布對比圖。從圖2中可以看到，在不考慮裂隙存在的情況下，雨水主要集中于下坡面和坡腳處，且入滲深度較淺，降雨對邊坡土體含水量不會引起太大的變化；當裂隙存在時，雨水沿著裂隙入滲和匯集，且有向土層內(nèi)部發(fā)展的整體趨勢。

圖2 無裂隙和有裂隙下邊坡體積含水量的分布對比

3.1.2 裂隙位置對滲流的影響分析

降雨10天后，裂隙深度為2.1 m時，邊坡不同位置處的體積含水量對比見圖3。從圖3中可以看到，裂隙位置的不同，含水量的變化也會有所區(qū)別，但都體現(xiàn)為裂隙處的含水量最高。對比裂隙處于坡頂、上坡面及下坡面3個位置的含水量分布可知，裂隙位于坡頂處，含水量差異較小，而位于下坡面時的差異最大。這主要是由于坡頂處水頭高，下坡面處水頭低，水總會由水頭高處往低處流，故而呈現(xiàn)上述差異。

3.1.3 裂隙深度對滲流的影響分析

降雨10天后，不同裂隙深度下含水量分布對比見圖4。從圖4中可以看出，隨著裂隙深部的不斷增長，邊坡風化層的含水量逐漸增加，但增加速率逐漸減緩。這主要是因為裂隙深度越大，雨水的入滲范圍就越大；邊坡裂隙底部的含水量增加最大，這主要是因為風化層滲透系數(shù)遠大于原狀土層，因此入滲的雨水在裂隙底部聚集。

圖4 不同裂隙深度下含水量分布對比

3.2 穩(wěn)定性結(jié)果分析

相同深度下，不同裂隙位置時的邊坡安全系數(shù)見圖5。從圖5中可以看到，隨著降雨時間的增加，邊坡的安全系數(shù)逐漸呈降低趨勢，且為冪函數(shù)型減?。煌冉涤陼r間和裂隙深度下，裂隙位于坡頂處時，安全系數(shù)最高，上下坡面的安全系數(shù)相差不大；隨著裂隙深度的增大，安全系數(shù)逐漸降低。

相同裂隙深度下，降雨10天后，不同裂隙位置時的邊坡潛在滑移面見圖6。從圖6中對比分析可以看到，無論裂隙處于何處，對整個邊坡的潛在滑移面的位置、范圍都不會有太大的影響，這主要是因為滑移面不僅與土體含水量有關(guān)，更與自身的強度相關(guān)。

圖5 相同深度下，不同裂隙位置時的邊坡安全系數(shù)對比

圖6 不同裂隙位置時的邊坡潛在滑移面

降雨10天后，裂隙位于下坡面時，不同裂隙深度下的邊坡潛在滑移面見圖7。從圖7中可以看到，隨著裂隙深度的增加，邊坡的潛在滑移面范圍越大，但均位于上下坡面之間的強風化帶內(nèi)。這主要是由于雨水集結(jié)于上下坡面周圍的土體內(nèi)，含水量高，軟化膨脹顯著，強度顯著降低，故而可以認為裂隙的發(fā)育深度是邊坡潛在滑移面的主要影響因素之一。

圖7 不同裂隙深度下的邊坡潛在滑移面

4 結(jié) 論

以某高速公路膨脹邊坡工程為背景，對降雨條件下，不同裂隙深度和裂隙位置下的邊坡滲流和穩(wěn)定性進行對比分析。結(jié)果表明，裂隙位置對含水量有重要影響，裂隙位于坡頂時的含水量差異最?。涣严栋l(fā)育深度是影響邊坡潛在滑移面的主要因素。研究結(jié)果可為類似工程設(shè)計與施工提供理論指導。