不同土-水特征參數(shù)對邊坡穩(wěn)定性影響分析

邢精連，侯 麗，張?zhí)扃?/p>

(南京市水利規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，江蘇 南京 210000)

降雨是導(dǎo)致滑坡的重要因素之一[1- 2]，針對降雨下的邊坡滲透特性及穩(wěn)定性規(guī)律，國內(nèi)外研究較多：榮冠[3]基于飽和非飽和的入滲理論，對強降雨下的元磨公路典型工程邊坡滲透穩(wěn)定性規(guī)律進行了研究；王建明[4]考慮了爆破與降雨的綜合效應(yīng)，對含裂紋邊坡進行了穩(wěn)定性數(shù)值模擬；余培杰[5]采用數(shù)值模擬的手段對露天礦邊坡在降雨條件下的滲流穩(wěn)定規(guī)律進行了探討；肖耀廷[6]基于水文模型推測了邊坡所處地區(qū)的年降雨分布，以此為基礎(chǔ)預(yù)測了邊坡的穩(wěn)定性規(guī)律；楊智勇[7]對土質(zhì)邊坡的分區(qū)域失效概率進行了綜合考慮。但是以上研究均未涉及到考慮不同土-水特征曲線下的邊坡穩(wěn)定性規(guī)律，事實上，不同的土-水特征參數(shù)對邊坡穩(wěn)定性的影響巨大[8- 15]，但是，鮮有對降雨條件下的不同土-水特征曲線敏感性分析的案例報道較少。

本文基于非飽和滲流原理，對不同土-水特征參數(shù)下的降雨邊坡滲流規(guī)律及穩(wěn)定性規(guī)律進行了數(shù)值模擬，得到了邊坡內(nèi)部不同監(jiān)測點的孔壓i變化規(guī)律及安全系數(shù)分布，研究結(jié)果為正確認識不同土-水特征參數(shù)下的邊坡滲透穩(wěn)定性規(guī)律提供了思路。

1 計算理論

1.1 非飽和降雨滲流理論

降雨入滲下，邊坡土體的滲流遵循以下方程：

(1)

1.2 邊坡安全系數(shù)公式

非飽和土的抗剪強度理論采用 Fredlund & Xing[11- 15]提出的抗剪強度公式：

s=c′+σntanφ′+(ua-uw)tanφb

(2)

式中，s—非飽和土的抗剪強度；σn—正應(yīng)力；c′—有效粘聚力；φ’—有效內(nèi)摩擦角；φb—材料屬性；ua—孔隙氣壓力；uw—孔隙水壓力。

2 計算模型

計算模型如圖1所示，設(shè)置上部與下部監(jiān)測點實時監(jiān)測邊坡內(nèi)部不同點的孔壓變化。邊坡高度hf=14m，坡腳高度ac=7m，坡比為1∶2，初始條件為圖1所示的初始水位線計算所得的初始滲流場作為整個計算模型的初始條件，邊界條件設(shè)置如下：cdef為降雨入滲邊界；cb，gf，ah為不透水邊界，ab，gh為定水頭邊界，分別為3m與8m。整個模型共劃分為1347個節(jié)點，1552個單元。

圖1 計算模型及網(wǎng)格

材料的基礎(chǔ)參數(shù)如下：飽和體積含水量θs為10%，重度γ為18.6kN/m3，黏聚力c為22kPa，內(nèi)摩擦角φ為16°，φb為20°。非飽和參數(shù)a，m，n，k基礎(chǔ)參數(shù)取為a=10kPa，m=1，n=4，k=0.01m/d，相應(yīng)的計算工況為改變土體非飽和參數(shù)k，a，m，n，計算邊坡的滲透穩(wěn)定性，降雨強度取為0.01m/d，降雨持續(xù)時間取為10d，考慮停雨10d的情況，相應(yīng)工況如表1所示。

表1 計算工況

3 計算結(jié)果

3.1 監(jiān)測點孔壓

不同土-水特征參數(shù)下的不同監(jiān)測點孔壓如圖2—3所示。

圖2 上部監(jiān)測點孔壓變化規(guī)律

由圖可知，上部監(jiān)測點孔壓隨時間呈現(xiàn)在降雨時迅速增大，而在降雨結(jié)束時刻緩慢減小的趨勢，而下部監(jiān)測點孔壓則呈現(xiàn)在降雨時刻迅速增大，而在降雨結(jié)束時刻緩慢增大的趨勢，原因是下部監(jiān)測點的孔壓受到上部邊坡的雨水排泄作用，使得下部監(jiān)測點的孔壓在降雨結(jié)束時刻難以下降。對于上部監(jiān)測點，參數(shù)a與參數(shù)m和孔壓上升的幅度呈正相關(guān)，而參數(shù)n與參數(shù)k越大，在降雨時上升越快，在降雨結(jié)束后下降也越快。對于下部監(jiān)測點來說，參數(shù)m，n與孔壓上升的幅度呈正相關(guān)，參數(shù)a越大，孔壓增幅缺越小，但是在參數(shù)a=40kPa時卻有一個突然的上升，參數(shù)k越大，前期孔壓上升幅度也越大，而在降雨結(jié)束后孔壓下降也越快。

3.2 安全系數(shù)變化

不同工況下的邊坡安全系數(shù)的變化規(guī)律如圖4所示。

由圖可知，不同工況下的安全系數(shù)呈現(xiàn)在降雨時迅速下降，而停雨后緩慢下降的趨勢。參數(shù)a越大，整體安全系數(shù)越大，但是當a=40kPa時整體安全系數(shù)有一個突然的陡降；參數(shù)m，n，k越大，安全系數(shù)整體上也越大。參數(shù)k在降雨前期安全系數(shù)幾乎一致，而在降雨后期安全系數(shù)則隨著滲透系數(shù)k 的增大而減小。

圖3 下部監(jiān)測點孔壓變化

圖4 安全系數(shù)變化規(guī)律

4 結(jié)論

(1)上部監(jiān)測點孔壓隨時間呈現(xiàn)在降雨時迅速增大，而在降雨結(jié)束時刻緩慢減小的趨勢，參數(shù)a與參數(shù)m和孔壓上升的幅度呈正相關(guān)，而參數(shù)n與參數(shù)k越大，在降雨時上升越快，在降雨結(jié)束后下降也越快。

(2)下部監(jiān)測點孔壓則呈現(xiàn)在降雨時刻迅速增大，而在降雨結(jié)束時刻緩慢增大，參數(shù)m，n與孔壓上升的幅度呈正相關(guān)，參數(shù)a越大，孔壓增幅缺越小，但是在參數(shù)a=40kPa時卻有一個突然的上升，參數(shù)k越大，前期孔壓上升幅度也越大，而在降雨結(jié)束后孔壓下降也越快。

(3)不同工況下的安全系數(shù)呈現(xiàn)在降雨時迅速下降，而停雨后緩慢下降的趨勢。參數(shù)a越大，整體安全系數(shù)越大，但是當a=40kPa時整體安全系數(shù)有一個突然的陡降；參數(shù)m，n，k越大，安全系數(shù)整體上也越大。參數(shù)k在降雨前期安全系數(shù)幾乎一致，而在降雨后期安全系數(shù)則隨著滲透系數(shù)k 的增大而減小。