薛凱喜,丁 辰,康國芳,陳國房,周朝慧,王安禮,李向輝
(1.東華理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院,江西 南昌 330013;2.中鐵十六局集團(tuán)路橋工程有限公司,北京 100001;3.貴州省質(zhì)安交通工程監(jiān)控檢測中心有限公司,貴州 貴陽 550081)
近年來,氣候異常多變,極端降雨誘發(fā)的滑坡等地質(zhì)災(zāi)害在我國南方地區(qū)時(shí)有發(fā)生。相關(guān)研究成果表明,90%的地質(zhì)災(zāi)害都是由降雨誘發(fā)[1]。降雨誘發(fā)的地災(zāi)以滑坡最為常見,發(fā)生頻次高,分布廣。目前,諸多學(xué)者針對降雨條件下邊坡的穩(wěn)定性做了大量相關(guān)研究,并已取得豐碩成果。萬思豪等[2]分析了裂隙性土質(zhì)邊坡在不同降雨工況下的滲流特性;何松等[3]針對不同氣候條件,對紅黏土邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行有限元分析得出,雨水蒸發(fā)和降雨沖刷均是影響邊坡穩(wěn)定性重要因素;龍安發(fā)等[4]進(jìn)行典型降雨工況下紅黏土邊坡干濕循環(huán)試驗(yàn)研究,分析了干濕循環(huán)下力學(xué)參數(shù)演變和破壞機(jī)制;Xue等[5]、鄭開歡等[6]利用數(shù)值模擬軟件研究長時(shí)間暴雨作用下邊坡穩(wěn)定性及變形的影響;Chen[7]進(jìn)行了人工降雨工況下的紅黏土邊坡試驗(yàn)研究;Chen等[8]對紅黏土的土-水特征曲線進(jìn)行了研究,提出了一種快速測定紅黏土土-水保持曲線的新方法。然而,諸多學(xué)者的研究成果中,以江西地區(qū)紅黏土邊坡為對象,研究和分析持水響應(yīng)機(jī)制和邊坡穩(wěn)定性的依舊較少。
江西省地處我國中部地區(qū),常年降雨充沛,季節(jié)性降雨特征明顯,地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻率常年高居全國前列,屬于地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)地區(qū)[9]。其中,滑坡更是各種地質(zhì)災(zāi)害中最為常見的類型,給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生命財(cái)產(chǎn)造成巨大損失[10]。江西省范圍內(nèi)分布了廣泛的紅黏土,具有較為明顯的地域特征。紅黏土是一種具有多裂縫性、強(qiáng)脹縮的高塑性黏土,在濕度環(huán)境中具有高敏度[11]?;诖?,本文利用Geostudio數(shù)值模擬軟件,建立考慮降雨入滲對邊坡穩(wěn)定性影響的數(shù)值模型[12],研究不同降雨工況下江西地區(qū)典型紅黏土邊坡季節(jié)性孔隙水壓力、體積含水量和安全系數(shù)的變化規(guī)律,進(jìn)而分析典型降雨工況下雨水入滲特征和邊坡的穩(wěn)定性,為紅黏土邊坡支護(hù)及地災(zāi)防治工作提供理論支持。
本文選取數(shù)值模擬軟件Geostudio的Seep/W與Slope/W模塊,分別進(jìn)行紅黏土邊坡的降雨數(shù)值模擬及邊坡穩(wěn)定性模擬,并對結(jié)果進(jìn)行分析。邊坡周圍的溫度、濕度及土體本身的水分蒸發(fā)量(干濕循環(huán))等因素均會(huì)影響邊坡的穩(wěn)定性,由于對最終結(jié)果影響不大可以忽略,在本模擬過程中將降雨單量作為降雨工況的唯一控制指標(biāo)。
本模型將江西省內(nèi)典型的紅黏土邊坡[10]作為研究對象,對其在不同降雨工況下降雨入滲情況及穩(wěn)定性進(jìn)行研究。實(shí)際工程中,邊坡常呈現(xiàn)為凹凸不平、不規(guī)則等特征,在本研究模擬過程中對邊坡進(jìn)行了簡化,化曲為直,邊坡模型周界均以直線表示,便于分析計(jì)算。邊坡左右兩側(cè)坡高分別設(shè)置為20.5 m和10.5 m,邊坡的頂面、底面和邊坡坡長均設(shè)置成15 m,邊坡坡高為10 m,坡率為1∶1.5。為了便于研究不同降雨工況下紅黏土邊坡的降雨入滲響應(yīng)特征和變化趨勢,并且分析結(jié)果更精確,對邊坡坡面以下0.5 m范圍內(nèi)設(shè)置5層厚度為0.1 m的表面層單元。
為了便于研究紅黏土邊坡在不同季節(jié)特征下的降雨入滲響應(yīng)情況及分析其穩(wěn)定性,本研究針對不同季節(jié)性降雨共設(shè)置了4種不同的降雨工況。其中,各工況下設(shè)定無降雨時(shí)表述為常態(tài),所有工況的降雨類型均采取平均型降雨。表 1為各工況下的相關(guān)參數(shù)。本文將強(qiáng)降雨、陰雨及常規(guī)狀態(tài)下的降雨強(qiáng)度分別設(shè)置為70、10、0 mm/d等。3種降雨量均滿足江西地區(qū)降雨強(qiáng)度,與研究區(qū)現(xiàn)實(shí)降雨工況有較高對應(yīng)性[3]。
表1 不同降雨工況 mm/d
在不同深度及不同位置設(shè)定監(jiān)測對比點(diǎn),同時(shí)保證4種不同降雨工況下的工況均基于同一初始狀態(tài)。初始狀態(tài)下孔隙水壓力分布見圖1。在圖1中,D1~D8分別表示距地表0、0.5、2.5、4.5、6.5、8.5、10.5、12.5m的8個(gè)不同深度處的監(jiān)測點(diǎn);L1~L5為布設(shè)在坡頂、坡肩、坡面、坡腳及坡底的5個(gè)不同位置的監(jiān)測點(diǎn)。設(shè)定不同深度及不同位置2個(gè)分析參量量化不同降雨條件下邊坡的滲流響應(yīng)變化。在Geostudio軟件的計(jì)算分析中2 000~3 000個(gè)監(jiān)測點(diǎn)即可達(dá)到較為精確的解,本文同時(shí)考慮到計(jì)算步時(shí)和實(shí)際工況要求,對模型表層單元格加密。處理完成后,本模型經(jīng)過網(wǎng)格劃分及加密處理后得到3 708個(gè)有限元監(jiān)測點(diǎn)和3 600個(gè)有限元單元。
圖1 初始狀態(tài)下孔隙水壓力分布(單位:kPa)
參考江西區(qū)域典型的紅黏土邊坡勘查資料[10],本模型取自重應(yīng)力場為初始應(yīng)力場,試驗(yàn)地區(qū)地下水位較淺,所以在模型建立時(shí)考慮到存在地下水及其水位的分布情況,左側(cè)縱坐標(biāo)0~6 m范圍內(nèi)及右側(cè)縱坐標(biāo)0~3 m范圍內(nèi)設(shè)置為常水頭,結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際將模型地下水位以上邊界均設(shè)定為不透水。
本研究通過變水頭試驗(yàn)測定紅黏土試樣的滲透系數(shù)為0.775 2 m/d,通過直剪試驗(yàn)獲得紅黏土強(qiáng)度參數(shù)黏聚力c=21.03 kPa、內(nèi)摩擦角φ=19.5°。先將紅黏土試樣大顆粒手工挑選出來,然后用振動(dòng)篩分機(jī)將自然風(fēng)干的土體進(jìn)行篩分,獲得如圖 2所示的顆粒級配曲線。本文參照Geostudio軟件中的樣本函數(shù)粒徑數(shù)據(jù)和樣本函數(shù)估算方法,將干-濕路徑下的土-水特征曲線SWCC作為滲流計(jì)算的基礎(chǔ)預(yù)測土-水特征曲線,見圖 3。此外,根據(jù)Fredlud&Xing模型[13]與土-水特征曲線的方法求得非飽和紅黏土滲透曲線,見圖4。
圖2 顆粒級配
圖3 土-水特征曲線
圖4 非飽和紅黏土滲透系數(shù)
本文采用Geostudio軟件的Seep/W模塊模擬不同降雨工況,對紅黏土邊坡的降雨入滲規(guī)律進(jìn)行分析,將孔隙水壓力和體積含水量作為邊坡滲流分析的重要指標(biāo)[14]。
工況①。常態(tài)21 d后強(qiáng)降雨7 d(常態(tài)時(shí)不采取降雨措施,而后連續(xù)7 d進(jìn)行70 mm/d的強(qiáng)降雨),不同深度監(jiān)測點(diǎn)孔隙水壓力隨深度及時(shí)間變化見圖5。從圖5可知,該工況下,在前21 d邊坡的孔隙水壓力不發(fā)生改變,呈現(xiàn)直線式;21 d后,紅黏土邊坡受到降雨作用,各監(jiān)測點(diǎn)處的孔隙水壓力開始呈現(xiàn)增長趨勢,監(jiān)測點(diǎn)越靠近地表,該監(jiān)測點(diǎn)處的孔隙水壓力增幅越大,地表及地表以下0.5 m處最為明顯,呈現(xiàn)跳躍式增長;反之,距離地表越遠(yuǎn),監(jiān)測點(diǎn)的孔隙水壓力值增幅越?。坏乇硖幍目紫端畨毫χ底兓茸畲?,區(qū)間為-151.77~-40.65 kPa,距離地表12.5 m處孔隙水壓力變化幅度最小,區(qū)間為-29.49~-13.10 kPa。
圖5 工況①不同深度監(jiān)測點(diǎn)孔隙水壓力變化
工況②。強(qiáng)降雨7 d后常態(tài)21 d(強(qiáng)降雨設(shè)定為70 mm/d,常態(tài)下無降雨作用),不同深度監(jiān)測點(diǎn)孔隙水壓力隨深度及時(shí)間變化見圖6。從圖6可知,突然的強(qiáng)降雨使得地表及靠近地表處的孔隙水壓力急劇上升,而距離地表越遠(yuǎn)處其孔隙水壓力上升態(tài)勢相對較緩;距離地表更近處監(jiān)測點(diǎn)的孔隙水壓力到達(dá)峰值的時(shí)間比距離地表更遠(yuǎn)處監(jiān)測點(diǎn)孔隙水壓力達(dá)到峰值的時(shí)間稍早,這是由于降雨強(qiáng)度大,雨水入滲速度比土體的飽和滲流速度更大所致,導(dǎo)致所降雨水不能及時(shí)滲入地下,具有一定的滯后性;從常態(tài)開始時(shí),所有監(jiān)測點(diǎn)的孔隙水壓力均減小,且距離地表越近的監(jiān)測點(diǎn)孔隙水壓力減小程度越大。
圖6 工況②不同深度監(jiān)測點(diǎn)孔隙水壓力變化
工況③。常態(tài)21 d后陰雨21 d(設(shè)定降雨量為10 mm/d,常態(tài)下無降雨作用),不同深度監(jiān)測點(diǎn)孔隙水壓力隨深度及時(shí)間變化見圖7。從圖7可知,在前21 d常態(tài)時(shí),紅黏土邊坡的孔隙水壓力與常態(tài)21 d后強(qiáng)降雨7 d工況下一致,均維持初始狀態(tài)。陰雨天氣開始后,地表及地表以下0.5 m處的監(jiān)測點(diǎn)首先出現(xiàn)響應(yīng),孔隙水壓力增大,而后地表以下更深
圖7 工況③不同深度監(jiān)測點(diǎn)孔隙水壓力變化
處監(jiān)測點(diǎn)的孔隙水壓力才逐漸出現(xiàn)響應(yīng),這是由于地表處土體首先接觸到降雨,導(dǎo)致孔隙水壓力最先發(fā)生變化,且此工況下降雨量較小,土體中水分距離地表越遠(yuǎn)處滲流速度越慢。地表至地表以下2.5 m處孔隙水壓力的增長速度較快且增幅也較大,但隨著降雨時(shí)間進(jìn)行其值大小相當(dāng);反之,地表以下4.5~12.5 m位置監(jiān)測點(diǎn)的孔隙水壓力則增幅較小。
工況④。陰雨21 d后常態(tài)21 d(設(shè)定降雨量為10 mm/d,常態(tài)下無降雨作用),不同深度監(jiān)測點(diǎn)孔隙水壓力隨深度及時(shí)間變化見圖8。從圖8可知,該工況下的孔隙水壓力總體趨勢表現(xiàn)為隨著降雨進(jìn)行逐漸升高,降雨結(jié)束后土中孔隙水壓力值也逐漸減小。與上述工況類似,孔隙水壓力值的變化幅度與距離地表的深度呈負(fù)相關(guān)。
圖8 工況④不同深度監(jiān)測點(diǎn)孔隙水壓力變化
為研究紅黏土邊坡在不同位置處體積含水量的響應(yīng)特征,本研究在坡頂、坡肩、坡面、坡腳、坡底分別設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)L1、L2、L3、L4、L5,且各監(jiān)測點(diǎn)與地表的高差相同。不同工況下不同監(jiān)測點(diǎn)處體積含水量變化見圖9。從圖 9可知,不同工況下各監(jiān)測點(diǎn)的體積含水量呈現(xiàn)不同的變化趨勢,但無論哪種工況,同一工況下不同監(jiān)測點(diǎn)的體積含水量變化規(guī)律卻是基本一致的。通過模擬,體積含水量的變化幅度總體呈現(xiàn)為:坡肩>坡頂>坡面>坡腳>坡底。
圖9 不同工況下不同監(jiān)測點(diǎn)處體積含水量變化
安全系數(shù)是評價(jià)邊坡的穩(wěn)定性極其重要的參數(shù),安全系數(shù)越大坡體越穩(wěn)固。坡體的安全系數(shù)受邊坡的飽和和非飽和巖土體的力學(xué)、水力和水文特性影響[14]。本文將前述的Seep/W模塊的分析數(shù)據(jù)導(dǎo)入Slope/W模塊,并且增加強(qiáng)降雨干濕循環(huán)和陰雨干濕循環(huán)2種工況,得到各階段的安全系數(shù),用于分析坡體穩(wěn)定性變化情況。不同降雨單量工況下邊坡安全系數(shù)隨時(shí)間變化見圖10。從常態(tài)后強(qiáng)降雨、常態(tài)后陰雨及2種干濕循環(huán)工況對比分析可知,常態(tài)時(shí),各降雨工況下坡體的安全系數(shù)基本不發(fā)生變化,此時(shí)邊坡中土體并未受到雨水侵蝕和沖刷,坡體維持穩(wěn)定狀態(tài)。從強(qiáng)降雨和陰雨2種工況對比可知,降雨強(qiáng)度越大,安全系數(shù)減幅也越大,此時(shí)降雨強(qiáng)度是唯一變量。當(dāng)有降雨作用時(shí),紅黏土邊坡的安全系數(shù)隨著降雨時(shí)長持續(xù)進(jìn)行而不斷減小,降雨結(jié)束后會(huì)緩慢增長,但安全系數(shù)無法完全恢復(fù)。此外,從2種干濕循環(huán)降雨的模擬結(jié)果看,土體干濕循環(huán)會(huì)顯著降低坡體安全系數(shù),對于邊坡穩(wěn)定性整體表現(xiàn)為負(fù)作用,且作用效果不可逆。
圖10 不同降雨單量工況下邊坡安全系數(shù)隨時(shí)間變化
本文采用Geostudio軟件建立紅黏土邊坡模型,設(shè)定不同降雨工況進(jìn)行對比分析,得到邊坡不同深度監(jiān)測點(diǎn)處的孔隙水壓力、不同位置監(jiān)測點(diǎn)處的體積含水量等參數(shù),利用Seep/W模塊分析邊坡入滲規(guī)律和特征,并利用Slope/W模塊研究了安全系數(shù)響應(yīng)規(guī)律,主要結(jié)論如下:
(1)前期為常態(tài)工況下,邊坡未受到任何影響,紅黏土邊坡的各指標(biāo)參數(shù)均呈現(xiàn)初始狀態(tài)。當(dāng)降雨開始后,邊坡孔隙水壓力、體積含水量均開始增大,與之對應(yīng)的安全系數(shù)會(huì)逐漸降低,降雨越強(qiáng),邊坡土體的孔隙水壓力、體積含水量及安全系數(shù)的變化幅度越大;降雨結(jié)束后,安全系數(shù)會(huì)緩慢增長,但無法完全恢復(fù)。土體干濕循環(huán)對于邊坡穩(wěn)定性整體表現(xiàn)為負(fù)作用,且作用效果不可逆。
(2)邊坡降雨入滲響應(yīng)在地表處最為強(qiáng)烈,且地表處的孔隙水壓力值變化幅度最大,區(qū)間為-151.77~-40.65 kPa,其作用效應(yīng)隨監(jiān)測點(diǎn)深度增加逐漸減弱,直至消失;反之,距離地表越遠(yuǎn)處監(jiān)測點(diǎn)的孔隙水壓力值增幅越小,距離地表12.5 m處孔隙水壓力變化幅度最小,區(qū)間孔隙水壓力為-29.49~-13.10 kPa。降雨入滲引起邊坡不同位置處的響應(yīng)強(qiáng)烈程度變現(xiàn)為:坡肩>坡頂>坡面>坡腳>坡底,模擬結(jié)果也與工程實(shí)際情況基本吻合。
(3)降雨入滲和互滲的過程十分復(fù)雜,且具有一定的滯后性,強(qiáng)降雨使地表及靠近地表處的孔隙水壓力急劇上升,且孔隙水壓力較早達(dá)到峰值;而距離地表越遠(yuǎn)處其孔隙水壓力上升態(tài)勢相對較慢。降雨結(jié)束后,土中孔隙水壓力值逐漸減小。
(4)強(qiáng)降雨下的安全系數(shù)下降幅度比陰雨工況下更大;降雨時(shí)長對紅黏土的邊坡穩(wěn)定性有重要影響,降雨持續(xù)時(shí)間越長,邊坡安全系數(shù)越小,邊坡整體穩(wěn)定性越差。