降雨入滲條件下高填方黃土邊坡穩(wěn)定性分析

馬寧

摘要：通過Midas?GTS?NX數(shù)值分析軟件建立了高填方黃土邊坡模型，計(jì)算了降雨入滲條件下高填方黃土邊坡的穩(wěn)定性，對(duì)比分析了降雨入滲影響作用下一級(jí)黃土高填方邊坡與相同尺寸下的兩級(jí)黃土邊坡的相關(guān)參數(shù)。結(jié)果表明：在降雨入滲條件下的一級(jí)高填方黃土邊坡受降雨入滲影響較大，加設(shè)一級(jí)邊坡后的兩級(jí)高填方黃土邊坡水平位移大幅減小;相較于一級(jí)邊坡，兩級(jí)高填方黃土邊坡塑性區(qū)減小，坡腳處的塑性值降低了72.7%;通過強(qiáng)度折減計(jì)算出的邊坡安全系數(shù)由1.25增大至1.60，兩級(jí)高填方黃土邊坡能夠較好地應(yīng)對(duì)降雨入滲條件影響下的滑坡等失穩(wěn)問題。降雨入滲條件下高填方黃土邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算對(duì)工程建設(shè)提供了參考和依據(jù)，以此可以應(yīng)對(duì)日益增長(zhǎng)的工程建設(shè)需求。

關(guān)鍵字：降雨入滲;高填方;邊坡;穩(wěn)定性;黃土

中圖分類號(hào)：TU431????????文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1引 ?言

隨著我國(guó)2035遠(yuǎn)景目標(biāo)的確立和“一帶一路”倡議的持續(xù)推進(jìn)，我國(guó)城市化和工業(yè)化進(jìn)程快速發(fā)展，大多數(shù)工程建設(shè)時(shí)常面臨著特殊地區(qū)工程地質(zhì)情況下的建設(shè)難題。特殊土地區(qū)的地基、邊坡以及基坑等重要性工程任務(wù)對(duì)整體工程建設(shè)的穩(wěn)定和持久起著重要的作用。在各種復(fù)雜和特殊地區(qū)進(jìn)行建設(shè)時(shí)需要熟知各種工程特性，并需要進(jìn)行一定的相關(guān)試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。近年來，我國(guó)學(xué)者對(duì)降雨條件下的邊坡問題研究較多，曾昌祿等設(shè)計(jì)了室內(nèi)邊坡模型箱和降雨系統(tǒng)，研究了不同降雨強(qiáng)度下邊坡入滲規(guī)律以及含水率和邊坡基質(zhì)吸力之間的關(guān)系。侯鵬飛對(duì)降雨入滲條件下的非飽和黃土邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了模型計(jì)算和穩(wěn)定性分析。張碩等對(duì)降雨時(shí)填方邊坡的土體的體積含水率、孔隙水壓力、潤(rùn)濕峰進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究，探討了邊坡變形及其滑坡裂隙演化規(guī)律等。王磊等通過現(xiàn)場(chǎng)人工模擬連續(xù)降雨對(duì)黃土邊坡破壞進(jìn)行了試驗(yàn)，對(duì)邊坡開裂時(shí)坡頂?shù)牧W(xué)機(jī)制和破壞特征進(jìn)行了研究分析，考慮了隔離邊界對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

黃土地區(qū)邊坡在公路和鐵路等交通工程建設(shè)中時(shí)常面臨復(fù)雜的環(huán)境影響，尤以地震和降雨等條件下對(duì)處置后的高填方黃土邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響。本文采用Midas?GTS?NX對(duì)降雨入滲時(shí)黃土地區(qū)的高填方邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性對(duì)比分析。在較為復(fù)雜的工程建設(shè)時(shí)，需要了解工程結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的成因、特性及適宜的處理方法，對(duì)安全、科學(xué)、經(jīng)濟(jì)地完成建設(shè)項(xiàng)目具有重要意義。

2高填方黃土邊坡模型

為適應(yīng)復(fù)雜的地質(zhì)條件和地貌特征，在工程建設(shè)中時(shí)常會(huì)出現(xiàn)高填方邊坡，特殊的外界環(huán)境會(huì)影響高填方邊坡的變形與穩(wěn)定。遂對(duì)強(qiáng)降雨情況下的一級(jí)黃土邊坡與兩級(jí)黃土邊坡進(jìn)行數(shù)值建模分析，降雨量為80 mm/d，持續(xù)時(shí)間為5 h。邊坡剖面幾何尺寸概況如圖1所示，土體材料參數(shù)見表1，采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，為對(duì)比分析黃土邊坡在強(qiáng)降雨條件下的邊坡穩(wěn)定性和降雨入滲深度變化規(guī)律，遂對(duì)一級(jí)邊坡進(jìn)行優(yōu)化加設(shè)后得到兩級(jí)邊坡，以便對(duì)比研究降雨條件下高填方黃土邊坡的穩(wěn)定性。其中，一級(jí)邊坡如圖1a，坡率為0.9，兩級(jí)邊坡如圖1b，坡率為0.91。求解中考慮了土體的非飽和特性，采用van Genuchten本構(gòu)模型模擬水分在非飽和黃土中的變化，模型中的水力參數(shù)依據(jù)文獻(xiàn)確定。

3結(jié)果與分析

3.1邊坡降雨入滲分析

通過Midas?GTS?NX軟件對(duì)不同類型邊坡建立降雨入滲邊坡穩(wěn)定計(jì)算模型，得到如圖2所示降雨入滲后邊坡頂面入滲水力梯度變化云圖。

由圖可知，兩種不同類型邊坡降雨入滲差異不大，在第一個(gè)變坡點(diǎn)所受降雨影響較大，降雨入滲后的水力梯度較大，表明此處受降雨影響后沿邊坡入滲的水頭損失較大，即此處黃土邊坡所受入滲侵蝕影響較大。這主要是由于降雨在第一個(gè)變坡點(diǎn)處于兩條坡線交點(diǎn)，在降雨條件下發(fā)生入滲后影響土體中水分含量。兩級(jí)邊坡第二個(gè)變坡點(diǎn)的水力梯度相較于第一個(gè)變坡點(diǎn)的水力梯度較小，這主要是由于加設(shè)一個(gè)級(jí)別的邊坡后第二個(gè)坡點(diǎn)處受降雨入滲影響減小，將入滲水分散至兩側(cè)破面，第二坡面使得降雨入滲后水力梯度減小。另外，降雨入滲后的邊坡兩側(cè)水力梯度較小，表明在降雨入滲影響下邊坡兩側(cè)受降雨入滲影響較小，邊坡點(diǎn)處容易受到降雨入滲濕陷的影響。

圖3所示為兩種不同類型邊坡坡腳處豎直方向的降雨入滲速度，由圖可知，一級(jí)邊坡坡腳處的降雨入滲速度相較于兩級(jí)邊坡較大，一級(jí)邊坡在降雨5?h時(shí)的最大降雨入滲速度為3.61×10?m/s，兩級(jí)邊坡兩個(gè)坡腳處在降雨5?h時(shí)的最大降雨入滲速度為2.89×10?m/s和1.41×10?m/s。其中，一級(jí)邊坡坡腳處的降雨入滲速度隨著降雨入滲先快速增長(zhǎng)而后速率降低，這主要是由于一級(jí)邊坡坡腳處初始水頭較低且向右側(cè)滲流路徑長(zhǎng)，隨著降雨的逐漸入滲初始水頭影響降雨入滲的水分，因而滲流速度逐漸降低。兩級(jí)邊坡第一個(gè)坡腳的降雨入滲速度變化趨勢(shì)為逐漸快速增長(zhǎng)，兩級(jí)邊坡第二個(gè)坡腳處的降雨入滲速率變化趨勢(shì)為逐漸緩慢增長(zhǎng)，整體水平較低，這主要是由于兩級(jí)邊坡第一個(gè)坡腳處降雨入滲受到上坡面和水平面的滲流影響，隨著降雨入滲的累計(jì)使得此處的入滲速度在后期加快。兩級(jí)邊坡第一個(gè)坡腳處的入滲速度變化與一級(jí)邊坡坡腳處的滲流速度相似，在降雨時(shí)邊坡土體的入滲速度較為緩慢，呈現(xiàn)以小斜率逐漸增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

3.2邊坡變形特性分析

在降雨后水分入滲邊坡影響土體的含水率，使得土體的飽和度發(fā)生變化，在自重和其他外力的影響下使得土體發(fā)生位移，影響邊坡的穩(wěn)定性。圖4為經(jīng)強(qiáng)度折減法邊坡穩(wěn)定性計(jì)算后兩種不同類型的邊坡經(jīng)降雨影響后的水平位移大小云圖。

通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，一級(jí)邊坡的水平位移最大值為45.6 cm，發(fā)生最大位移的位置在坡腳附近且變化范圍集中，基本表現(xiàn)出了滑移面的輪廓，但加設(shè)后的兩級(jí)邊坡最大水平位移為25.8 cm，且其位移影響范圍進(jìn)行了分散，坡腳處的最大位移范圍較小，有利于邊坡的整體穩(wěn)定。結(jié)果表明，加設(shè)一級(jí)邊坡可以減小降雨入滲對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，能夠分散外力影響下的邊坡位移。

對(duì)不同類型邊坡坡腳處不同深度的點(diǎn)進(jìn)行水平位移統(tǒng)計(jì)后得到如圖5所示位移圖，由圖可知，在距離坡腳5?m深度范圍內(nèi)的水平位移較大，在大于5?m深度處各點(diǎn)的土體水平位移均小于5?cm。相較于一級(jí)邊坡，兩級(jí)邊坡坡腳處的水平位移減小，在坡腳處的水平位移基本相差一半，說明在降雨條件下增設(shè)一級(jí)邊坡可以減小坡腳處的水平位移，且其深度方向的土體水平位移也相應(yīng)減小，因而增加了土體的穩(wěn)定，能夠減小降雨入滲對(duì)土體邊坡變形的影響。

圖6為強(qiáng)度折減計(jì)算后兩種不同類型邊坡降雨影響后的有效塑性應(yīng)變?cè)茍D。由圖可知，一級(jí)邊坡坡腳處的最大塑性應(yīng)變值為1.10，其塑性區(qū)域面積大，貫穿范圍寬。兩級(jí)邊坡坡腳處的最大塑性應(yīng)變值為0.30，塑性應(yīng)變值較小，貫穿范圍較窄。這主要是由于加設(shè)一級(jí)邊坡后斜坡面在水平方向的延伸加長(zhǎng)，且加設(shè)一級(jí)邊坡后的土方減少使得塑性區(qū)拉長(zhǎng)和塑性值降低。結(jié)果表明，兩級(jí)高填方邊坡的塑性應(yīng)變區(qū)面積較小，整體塑性應(yīng)變值低，兩級(jí)邊坡的坡腳處塑性應(yīng)變對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較小。

3.3邊坡穩(wěn)定性分析

通過對(duì)降雨入滲后的邊坡采用強(qiáng)度折減法進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，得到如圖7所示邊坡整體位移變化。由圖可知，一級(jí)邊坡可能發(fā)生失穩(wěn)的滑坡體較大，其安全系數(shù)為1.25，整體位移變化區(qū)域集中，不利于邊坡的穩(wěn)定。兩級(jí)邊坡發(fā)生失穩(wěn)的滑坡體在水平方向分布較長(zhǎng)，且水平位移較小，其安全系數(shù)為1.60，位移變化區(qū)域在整個(gè)土體中分布。因此，在同一降雨強(qiáng)度的作用下，加設(shè)一級(jí)邊坡后的邊坡穩(wěn)定性顯著提高，使得土體中的應(yīng)力向土體內(nèi)部分散，降低了滑坡發(fā)生的可能性。

4結(jié)論

（1）一級(jí)邊坡的第一個(gè)變坡點(diǎn)受降雨影響較大。加設(shè)一個(gè)級(jí)別的邊坡后兩個(gè)變坡點(diǎn)受降雨入滲影響減小，第二個(gè)坡點(diǎn)將入滲水分散至兩側(cè)破面，使得降雨入滲后水力梯度減小，邊坡點(diǎn)處容易受到降雨入滲濕陷的影響。

（2）在降雨入滲的影響下一級(jí)邊坡的水平位移區(qū)域集中且值較大，加設(shè)一級(jí)邊坡后的兩級(jí)邊坡水平位移向土體內(nèi)部分布，且水平位移值整體減小。加設(shè)一級(jí)邊坡后的塑性應(yīng)變區(qū)減小，整體塑性應(yīng)變值降低，兩級(jí)邊坡的坡腳處塑性應(yīng)變對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較小。

（3）通過強(qiáng)度折減法計(jì)算出的兩種不同類型的邊坡穩(wěn)定性，一級(jí)邊坡安全系數(shù)為1.25，加設(shè)后的兩級(jí)邊坡穩(wěn)定系數(shù)增大為1.60，邊坡穩(wěn)定性提高，降低了在降雨入滲等外界影響下發(fā)生滑坡的可能性。降雨入滲對(duì)不同類型邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算為工程建設(shè)提供了參考和依據(jù)。

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