降雨入滲條件下非飽和黃土邊坡穩(wěn)定性分析

侯鵬飛

（山西交通控股集團(tuán)有限公司 運城南高速公路分公司，山西 運城 044000）

引言

作為全球三大自然災(zāi)害之一，滑坡對社會造成的危害僅次于地震，它阻礙交通、摧毀建筑物以及威脅人民的生命財產(chǎn)安全。降雨對邊坡巖土體參數(shù)的影響，主要體現(xiàn)在巖土體重度增大、巖土體材料抗剪強(qiáng)度參數(shù)的降低、邊坡應(yīng)力狀態(tài)的變化、坡面及坡體的滲流產(chǎn)生動水壓力等。在我國西北地區(qū)，黃土邊坡大量存在，黃土因具有十分復(fù)雜的土水特征及工程特性，其穩(wěn)定性問題需引起關(guān)注。許多學(xué)者也已經(jīng)對降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響展開了研究[1-3]，但研究重心主要集中在南方多雨條件下的黏土質(zhì)邊坡，且現(xiàn)有邊坡設(shè)計一般是基于飽和土理論，因此對于非飽和狀態(tài)下的黃土邊坡在降雨入滲條件下的穩(wěn)定性研究還有待進(jìn)一步開展。

現(xiàn)階段對于邊坡穩(wěn)定性分析的專業(yè)分析軟件非常多[4-6]，有從1977年投入市場Gro-Studio系列軟件，發(fā)展至今已成一整套完整的巖土工程模擬計算軟件，其中包括SEEP/W（地下滲流分析模塊）在內(nèi)9個專業(yè)模塊，SEEP/W模塊、SLOPE/W模塊在邊坡工程的計算分析應(yīng)用廣泛，有基于有限元的ANASYS、ABAQUS，基于離散法的PFC、基于有限差分法的FLAC，同樣還有在計算分析中最常見的Midas/GTS有限元分析軟件，它既可以進(jìn)行考慮最終穩(wěn)定狀態(tài)或者考慮時間效果的滲流分析，也可以將滲流分析得到的孔隙水壓力與應(yīng)力耦合進(jìn)行有效應(yīng)力分析。

1 工程概況

邊坡土體調(diào)查取樣分析滲透參數(shù)為4.2×10-4cm/s，為非飽和土體，容重為21 kN/m3，飽和容重為23 kN/m3。通過直剪試驗測得土體的黏聚力及內(nèi)摩擦角，力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 黃土力學(xué)參數(shù)

分析降雨條件時不僅要考慮平均降雨量且應(yīng)考慮短期強(qiáng)降雨的影響，根據(jù)我國降雨強(qiáng)度等級的劃分標(biāo)準(zhǔn)[7]以及當(dāng)?shù)貧v年的降雨情況，分析不同的降雨強(qiáng)度時將工況分為小雨、中雨、大雨、暴雨4種工況，降雨量參數(shù)取值及征象特征見表2。

表2 降雨參數(shù)（mm/d）

2 有限元模型建立

采用摩爾庫倫模型，選擇Midas/GTS軟件中的滲流分析模塊及邊坡穩(wěn)定性分析模塊（SRM）對該邊坡進(jìn)行模擬分析。邊坡土體為非飽和黃土，土體勻質(zhì)各向同性。邊坡高為16 m，只存在一級邊坡，高10 m，坡比為11.5。初始水頭荷載：左側(cè)邊界施加初始水頭H=10 m，右側(cè)邊界施加初始水頭H=4 m，模型尺寸見圖1。模型網(wǎng)格模型見圖2，網(wǎng)格劃分采取線性梯度與等分形式相結(jié)合方式，圖2中的作用在邊坡坡面的荷載為降雨荷載。

圖1 建模尺寸

圖2 邊坡模型網(wǎng)格

3 結(jié)果分析

3.1 不同降雨強(qiáng)度下的邊坡變形特性分析

降雨對邊坡的破壞主要體現(xiàn)在雨水順裂縫或裂隙入滲對邊坡內(nèi)部受水化作用顯著部位的力學(xué)強(qiáng)度進(jìn)行削弱，從而導(dǎo)致巖體失穩(wěn)。因此對不同降雨強(qiáng)度下的邊坡變形特征展開分析，可為邊坡防治提供理論參考。采用有限元強(qiáng)度折減法，得到不同降雨強(qiáng)度下邊坡等效塑性變形及位移見圖3～圖4。

圖3 不同降雨強(qiáng)度下持續(xù)6 h邊坡等效塑性區(qū)云圖

分析圖3可以看出，隨著降雨強(qiáng)度的不斷變化，邊坡的等效塑性區(qū)分布范圍同樣發(fā)生了變化。在降雨持續(xù)時間為6 h前提下，隨著降雨強(qiáng)度不斷增大，邊坡等效塑性區(qū)面積在不斷增大，且不斷向坡腳處延伸。在小雨（5 mm/d）持續(xù)降雨6 h后，邊坡最大塑性應(yīng)變值為0.36；在中雨（15 mm/d）持續(xù)降雨6 h后，邊坡最大塑性應(yīng)變值變?yōu)?.67；大雨（35 mm/d）持續(xù)降雨6 h后，邊坡最大塑性應(yīng)變值為0.74；暴雨（75 mm/d）邊坡的最大塑性應(yīng)變值為0.86?？梢园l(fā)現(xiàn)隨著降雨強(qiáng)度的增大，邊坡最大塑性應(yīng)變值也隨之增大。

圖4 不同降雨強(qiáng)度下持續(xù)6 h邊坡水平位移云圖

分析圖4可以看出，隨著降雨強(qiáng)度的增加，邊坡發(fā)生水平位移區(qū)域面積也發(fā)生擴(kuò)大，且在小雨（5 mm/d）持續(xù)降雨6 h后，邊坡的最大水平位移值僅為7.57 mm，隨著降雨強(qiáng)度為中雨（15 mm/d）、大雨（35 mm/d）、暴雨（75 mm/d）持續(xù)降雨6 h，邊坡最大水平位移值分別增至13.68 mm、17.42 mm、20.83 mm，最大位移值均位于坡腳處。

3.2 不同降雨強(qiáng)度下邊坡水滲特性分析

因邊坡在水作用下發(fā)生失穩(wěn)，在降雨過程中或者降雨后，因為雨水在滲入破壞面過程與降雨量大小以及巖土滲透性相關(guān)，因此降雨對邊坡穩(wěn)定性影響具有時效性。不同強(qiáng)度降雨下邊坡穩(wěn)定性，持續(xù)降雨6 h后邊坡巖體孔隙水壓力見圖5。

圖5 不同降雨強(qiáng)度下持續(xù)6 h邊坡孔隙水壓力分布

分析圖5可知：在邊坡初始孔隙水壓力分布與邊坡左右兩側(cè)初始水頭高度相關(guān)，與初始水位線趨勢基本一致。且初始水位線以上孔隙水壓力值均為負(fù)值，水位線以下孔隙水壓力均為正值。降雨后隨降雨強(qiáng)度逐漸增大，邊坡滲流場也隨之發(fā)生變化?？障端畨毫Φ戎稻€分布隨降雨強(qiáng)度增加呈現(xiàn)較明顯的變化，這是因為隨著降雨入滲至坡面，受到自身重力作用，雨水沿著坡面向坡腳以及坡體內(nèi)部滲流，孔隙水壓力等值線出現(xiàn)不斷下移情況。由圖5（a）可以看出，隨著降雨強(qiáng)度增大，坡腳處積水不斷增加，孔隙水壓力變化最為明顯。初始狀態(tài)下坡腳處孔隙水壓力值為13.42 kPa，隨著降雨強(qiáng)度為小雨（5 mm/d）、中雨（15 mm/d）、大雨（35 mm/d）、暴雨（75 mm/d）持續(xù)降雨6 h后，坡腳處的孔隙水壓力值分別變?yōu)?6.70 kPa、18.21 kPa、19.61 kPa、19.62 kPa。分析發(fā)現(xiàn)該土體的滲透參數(shù)為4.2×10-4cm/s，在暴雨條件下，由于降雨強(qiáng)度大于土體的滲流系數(shù)，使得坡面形成暫態(tài)飽和，當(dāng)土體在未達(dá)到飽和狀態(tài)時，降雨強(qiáng)度越大坡腳處孔隙水壓力越大，但隨著土體達(dá)到飽和狀態(tài)，坡腳處的孔隙水壓力值和基本不變，認(rèn)為此時裂隙水對邊坡的作用基本穩(wěn)定。

分析圖5（f）不同降雨強(qiáng)度下邊坡安全系數(shù)變化曲線可以發(fā)現(xiàn)，初始狀態(tài)下該邊坡安全系數(shù)為1.37，邊坡此時處于穩(wěn)定狀態(tài)。隨著降雨強(qiáng)度的增大，邊坡表面土體體積含水率逐漸加大，邊坡土體的整體抗剪能力降低，邊坡安全系數(shù)在逐漸降低，小雨（5 mm/d）持續(xù)降雨6 h后安全系數(shù)降為1.33；在降雨強(qiáng)度從大雨（35 mm/d）增至暴雨（75 mm/d）時，邊坡安全系數(shù)從1.12減小為1.08，減小幅度較小。是因為坡面形成暫態(tài)飽和，但此時安全系數(shù)接近邊坡臨界穩(wěn)定狀態(tài)時的安全系數(shù)，降雨強(qiáng)度或者降雨持續(xù)時間的進(jìn)一步加大，邊坡都有發(fā)生失穩(wěn)的危險。因此需考慮降雨入滲條件對該邊坡的穩(wěn)定性影響，對受降雨影響最大的邊坡坡腳處設(shè)置排水管等措施能夠有效促進(jìn)積水的排出。

4 結(jié)語

（1）在降雨持續(xù)時間為6 h的前提下，隨著降雨強(qiáng)度的不斷增大，邊坡等效塑性應(yīng)變值及位移值也不斷增大，最大塑性應(yīng)變?yōu)?.86，最大位移為20.83 mm，均位于邊坡坡腳處。（2）隨著降雨強(qiáng)度的不斷增大，孔隙水壓力等值線出現(xiàn)不斷下移，坡腳處因積水明顯孔隙水壓力不斷增大，坡腳處孔隙水壓力最大值為19.62 kPa。（3）邊坡安全系數(shù)隨著降雨強(qiáng)度的不斷增大逐漸降低；邊坡安全系數(shù)最小為1.08，接近邊坡臨界穩(wěn)定狀態(tài)，因此需考慮降雨入滲條件對該邊坡的穩(wěn)定性影響，對受降雨影響最大的邊坡坡腳處設(shè)置排水管以促進(jìn)積水排出。