土體濕度對(duì)建筑邊坡穩(wěn)定性的影響

田毓仁 馬晉文 劉鵬翔

（中晉環(huán)境科技有限公司，山西 太原 030002 ）

建筑邊坡的穩(wěn)定性與周邊環(huán)境的安全息息相關(guān),而在復(fù)雜的自然環(huán)境下，建筑邊坡巖土體受降雨、日照等諸多因素的影響而產(chǎn)生力學(xué)性能改變，從而導(dǎo)致穩(wěn)定性下降。其中，土體中水含量對(duì)于邊坡穩(wěn)定性的影響極為突出，因此，本文針對(duì)土體濕度對(duì)建筑邊坡穩(wěn)定性的影響展開(kāi)分析研究，旨在為降低邊坡工程發(fā)生滑坡等災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)提供理論參考。

1 基本方法

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者通過(guò)開(kāi)展試驗(yàn)與理論分析，提出了諸多建筑邊坡穩(wěn)定性的分析方法。目前應(yīng)用較多的方法基本可分為兩大類型，即有限元法和極限平衡法。

1.1 條帶（塊）法

條帶（塊）法是一種普遍應(yīng)用的極限平衡法，其中包括Bishop 法、Janbu法等等。土體受重量、壓力、荷載等作用而產(chǎn)生下滑力，同時(shí)因自身抗剪強(qiáng)度而產(chǎn)生抗滑力。條帶（塊）法將坡體假設(shè)為若干條帶（塊），通過(guò)計(jì)算各條帶（塊）沿滑動(dòng)面的彼此平衡狀態(tài)，以抗滑力Muit與下滑力Mact的比值作為穩(wěn)定性系數(shù)F，以此對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，如式1 所示。

一般情況下，應(yīng)用條帶（塊）法時(shí)主要分析土體重量、壓力、荷載、抗剪強(qiáng)度等，而不討論水和土體介質(zhì)差異性對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

1.2 強(qiáng)度折減法

在面對(duì)土體的應(yīng)力變化和變形等復(fù)雜問(wèn)題時(shí)，工程人員越來(lái)越普遍地采用有限元法進(jìn)行數(shù)值分析計(jì)算，其中以強(qiáng)度折減法最為典型。強(qiáng)度折減法是在假設(shè)邊坡土體抗剪強(qiáng)度無(wú)差異條件下，以抗剪強(qiáng)度指標(biāo)除以折減系數(shù)得到新指標(biāo)，如式2 所示。

將新指標(biāo)代入有限元中進(jìn)行計(jì)算，以臨界破壞時(shí)的折減系數(shù)作為建筑邊坡安全系數(shù)。

2 研究對(duì)象及特征

富含粘性礦物的紅層風(fēng)化泥巖抗風(fēng)化能力非常低，巖土結(jié)構(gòu)松散，自身抗剪強(qiáng)度較低，遇水后更加嚴(yán)重。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料顯示，我國(guó)西北地區(qū)大部分的滑坡災(zāi)害發(fā)生地都為紅層風(fēng)化泥巖。因此，本文選取位于我國(guó)西北地區(qū)的某磚砌單層獨(dú)棟住宅建筑作為研究對(duì)象。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)，該建筑邊坡平均坡角為20°，巖土體為典型的紅層風(fēng)化泥巖，由于排水失當(dāng)而造成邊坡失穩(wěn)。某次降雨后該住宅建筑基礎(chǔ)位移，且發(fā)現(xiàn)架空層上部存在剪切破壞問(wèn)題。

3 建筑邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 計(jì)算方法

本文根據(jù)研究對(duì)象的具體情況，在綜合考慮諸多主要影響因素后，選擇以強(qiáng)度折減法對(duì)該建筑邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析。當(dāng)巖土體的參數(shù)值持續(xù)下降時(shí)，屈服曲面空間將隨抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的改變而越來(lái)越小，因此在超出界限后會(huì)出現(xiàn)失真問(wèn)題。針對(duì)這一問(wèn)題，本文采用本構(gòu)方程積分的迭代方法改變給定點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)，通過(guò)重置應(yīng)力分布使超出界限的點(diǎn)回到屈服曲面空間內(nèi)。

綜上，本研究中計(jì)算目標(biāo)建筑邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的方程如式3：

式中 C0，φ0為研究模型的初始參數(shù)值；Cf，φf(shuō)為迭代過(guò)程中未收斂的研究模型參數(shù)值。

根據(jù)模型參數(shù)值的迭代收斂過(guò)程，得到對(duì)應(yīng)的滑動(dòng)面。通過(guò)以下方程計(jì)算求取彈-塑性模型所描述的屈服曲面內(nèi)摩擦角與粘聚力：

式中P′為平均應(yīng)力值；q 為偏應(yīng)力值；θ 為彎曲角。

由式4 可知應(yīng)力不變量決定了給定點(diǎn)位置與屈服面之間的關(guān)聯(lián)，使給定點(diǎn)位置在屈服狀態(tài)時(shí)無(wú)法移動(dòng)到屈服面之外。

同理，在非摩擦角與粘聚力決定屈服空間位置的情況下，仍以此方法使決定屈服空間位置的相應(yīng)參數(shù)減小，使屈服面與穩(wěn)定系數(shù)保持正比關(guān)系。

3.2 計(jì)算過(guò)程

根據(jù)前文所述穩(wěn)定性分析方法，選用Z-Soil 軟件進(jìn)行模型模擬試驗(yàn)。本試驗(yàn)假設(shè)變形狀態(tài)為扁平變形，以4 節(jié)點(diǎn)四邊形有限元描述建筑邊坡巖土體，構(gòu)建如圖1 所示建筑邊坡穩(wěn)定性試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

針對(duì)地下水的影響，本試驗(yàn)中采用雙組分介質(zhì)形式，以水、土兩種介質(zhì)對(duì)土體成分進(jìn)行描述。根據(jù)達(dá)西定律，達(dá)西系數(shù)取值k=0.1m/d，V 為水的流速，i 為液壓下降，則滲流表達(dá)式如下：

本試驗(yàn)中假定土體滲流為穩(wěn)定流，不考慮滲流場(chǎng)隨時(shí)間變化的影響情況。根據(jù)太沙基定律，土體有效應(yīng)力與孔隙內(nèi)水壓間的關(guān)系如下：

3.3 分析流程

本文的主要試驗(yàn)分析流程如下：

（1）分析土體以及建筑物自身重量所產(chǎn)生的應(yīng)力情況；

（2）設(shè)定荷載為均勻分布條件下，分析建筑邊坡荷載；

（3）設(shè)定水流速為0.03m/d 條件下，分析滲流的附加邊界條件；

（4）以前文所述計(jì)算方法，計(jì)算模型的穩(wěn)定性系數(shù)。

穩(wěn)定性系數(shù)大于1 即為永久平衡狀態(tài)，但通常取1.3 作為安全系數(shù)?？紤]到本試驗(yàn)的土體介質(zhì)為粘性土，其抗剪強(qiáng)度受含水量因素影響較明顯，因此分析中設(shè)定邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)低于1，即不穩(wěn)定狀態(tài)。設(shè)定坡頂?shù)叵滤宦裆顬?.0m，坡底為2.0m。本試驗(yàn)中水滲流過(guò)程的邊界條件如圖2 所示：

3.4 分析結(jié)果

根據(jù)分析流程對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，從圖2 所示的滲流分析圖中可以發(fā)現(xiàn)，建筑周邊土體介質(zhì)中水流速較大，在滲流作用下，建筑物地基以及邊坡的穩(wěn)定性受到較大的不利影響。導(dǎo)致這一問(wèn)題的主要原因是由地形因素導(dǎo)致的水力坡度，同時(shí)也考慮降雨入滲因素的影響。

試驗(yàn)得到建筑邊坡整體滑移模型圖，如圖3 所示。

根據(jù)圖3 可知，該建筑邊坡可能發(fā)生兩種滑移情況。圖3-a 為建筑邊坡結(jié)構(gòu)大體保持完整的狀態(tài)下隨土體整體滑移；圖3-b 為邊坡局部發(fā)生淺層滑移。其中，建筑邊坡局部淺層滑移將出現(xiàn)剪切破壞等情況，與本文所選取的磚砌單層獨(dú)棟住宅建筑所發(fā)生的情況基本相同。通過(guò)數(shù)值分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，建筑邊坡的土體強(qiáng)度對(duì)穩(wěn)定系數(shù)的影響非常明顯。此外，建筑邊坡土體中的水壓力也有較大的影響作用，降雨后雨水滲入建筑邊坡土體中使孔隙水壓力改變，導(dǎo)致建筑邊坡土體抗剪強(qiáng)度大幅下降。

4 結(jié)論

本文以我國(guó)西北地區(qū)某建筑邊坡作為研究對(duì)象，運(yùn)用有限元軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬試驗(yàn)，以強(qiáng)度折減法進(jìn)行計(jì)算分析。模擬試驗(yàn)的分析結(jié)果表明，土體含水量對(duì)土體強(qiáng)度產(chǎn)生極大影響，而土體強(qiáng)度的改變對(duì)建筑邊坡的穩(wěn)定性有著巨大影響。若排水措施不當(dāng)，極易受地形、降水等因素而導(dǎo)致土體含水量增加，從而導(dǎo)致建筑邊坡發(fā)生破壞情況。模擬分析結(jié)果與研究對(duì)象的實(shí)際情況基本符合，由此可確定本研究對(duì)于今后建筑邊坡工程有著較為可靠的理論參考價(jià)值。