降雨循環(huán)條件下高切坡穩(wěn)定性演化過(guò)程及預(yù)測(cè)方法

靳紅華 王林峰 任青陽(yáng) 張星星

摘 要：為進(jìn)一步揭示降雨循環(huán)條件下基巖型臺(tái)階狀高切坡的降雨入滲及穩(wěn)定性演化過(guò)程，以樂(lè)西高速馬邊至昭覺(jué)段某粉質(zhì)黏土覆蓋層基巖型臺(tái)階狀高切坡為研究對(duì)象，通過(guò)室內(nèi)干濕循環(huán)試驗(yàn)建立土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)劣化數(shù)學(xué)模型;利用Geo-studio數(shù)值模擬軟件研究多工況降雨循環(huán)下高切坡降雨入滲過(guò)程，揭示不同降雨循環(huán)工況下及雨后高切坡內(nèi)部滲流場(chǎng)及穩(wěn)定性變化規(guī)律，建立降雨型高切坡穩(wěn)定系數(shù)逐年劣化方程;結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)及數(shù)值模擬結(jié)果，建立該類(lèi)高切坡穩(wěn)定系數(shù)預(yù)測(cè)方法。研究結(jié)果表明：降雨入滲過(guò)程中高切坡潛在滑移面形狀及位置并不發(fā)生明顯變化，且表現(xiàn)為高切坡深處圓弧面及基巖積水面的組合型滑面;相同降雨時(shí)間內(nèi)，高切坡降雨入滲深度及穩(wěn)定性劣化幅度與降雨強(qiáng)度成正相關(guān);單次降雨循環(huán)周期內(nèi)，高切坡穩(wěn)定性劣化幅度與降雨循環(huán)次數(shù)成負(fù)相關(guān);高切坡降雨入滲深度或入滲總量越大，雨后高切坡穩(wěn)定系數(shù)回升越小;高切坡穩(wěn)定系數(shù)劣化系數(shù)采用土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)劣化系數(shù)平均值較為安全合理，所建降雨型高切坡穩(wěn)定系數(shù)預(yù)測(cè)方法具有較高的精度。

關(guān)鍵詞：降雨型高切坡;干濕循環(huán)試驗(yàn);數(shù)值模擬;穩(wěn)定性;演化過(guò)程;預(yù)測(cè)方法

中圖分類(lèi)號(hào)：TU457? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ??文章編號(hào)：2096-6717（2020）04-0012-12

收稿日期：2020-07-06

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（51678097、41472262）;國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFC0802206-3）;交通運(yùn)輸行業(yè)高層次技術(shù)人才培養(yǎng)項(xiàng)目（2018-26）;重慶市自然科學(xué)基金（cstc2020jcyj-msxmX0218）;重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（KJQN201800706）

作者簡(jiǎn)介：靳紅華（1995- ），男，博士生，主要從事道路工程重大地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)研究，E-mail：1589864695@qq.com。

王林峰（通信作者），男，教授，博士，E-mail：wanglinfeng@cqjtu.edu.cn。

Received：2020-07-06

Foundation items：National Natural Science Foundation of China （No. 51678097， 41472262）; National Key R & D Program of China （No. 2016YFC0802206-3）; High Level Technical Personnel Training Project in Transportation Industry （No. 2018-26）; Chongqing Natural Science Foundation （cstc2020jcyj-msxmX0218）; Scientific and Technological Research Program of Chongqing Municipal Education Commission （No. KJQN201800706）

Author brief：JIN Honghua （1995- ）， PhD candidate， main research interest： prevention and treatment technology of major geological disasters in road engineering， E-mail： 1589864695@qq.com.

WANG Linfeng （corresponding author）， professor， PhD， E-mail： wanglinfeng@cqjtu.edu.cn.

Analysis of the stability evolution process and prediction method of high cutting slope under rainfall cycle condition

JIN Honghua1a， WANG Linfeng1b， REN Qingyang1a， ZHANG Xingxing2

（1a. State Key Laboratory of Mountain Bridge and Tunnel Engineering; 1b. Mountain Road Water Transport Chongqing Municipal Key Laboratory of Geological Disaster Reduction， Chongqing Jiaotong University， Chongqing 400074， P. R. China; 2. School of Civil Engineering， Chongqing University of Arts and Science， Chongqing 402160， P. R. China）

Abstract： In order to further reveal the process of rainfall infiltration and stability evolution of bedrock-type stepped high cutting slopes under rainfall cycling conditions， taking the bedrock-type stepped high cutting slope of a silty clay cover layer from Mabian to Zhaojue section of Lexi Expressway as the research object， a mathematical model for the deterioration of soil shear strength parameters was established through indoor dry-wet cycle tests; Geo-studio numerical simulation software was used to study the rainfall infiltration process of the high cutting slope under multi-case rainfall cycles， which reveals the internal seepage field and stability change rules of high cutting slopes under different rainfall cycle conditions and after rain. And the annual degradation equation of the stability coefficient of the rainfall-type high cutting slope has been established; Combining the results of indoor experiment and numerical simulation， a method for predicting the stability coefficient of this type of high cutting slope has been established. The research results show that the shape and position of the potential sliding surface of the high cutting slope does not change significantly during the process of rainfall infiltration， and it appears as a combined sliding surface of the circular surface and the bedrock water surface at the depth of the high cutting slope; In the same rainfall period， the depth of rainfall infiltration and the extent of stability degradation of high cutting slopes are positively correlated with rainfall intensity; The degree of stability degradation of high cutting slopes in a single rainfall cycle is negatively correlated with the number of rainfall cycles. The greater the depth of rainfall infiltration or the total rainfall infiltration of high cutting slopes， the smaller the recovery of the stability coefficient of high cutting slopes after rain; It is relatively safe and reasonable to use the average value of the degradation coefficient of the shear strength parameter of the soil for the degradation coefficient of the high cutting slope stability coefficient. And the prediction method for the stability coefficient of rainfall-type high cutting slope has high accuracy.

Keywords：rainfall-type high cutting slope; dry-wet cycle test; numerical simulation; stability; evolution process; prediction method

近年來(lái)，中國(guó)山區(qū)大型交通工程基礎(chǔ)設(shè)施大規(guī)模建設(shè)，隨之而來(lái)的巖土邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題也與日俱增。以云貴川渝為例，當(dāng)?shù)厝荷江h(huán)伺、山高谷深、地勢(shì)陡峻、地質(zhì)構(gòu)造及地形地貌條件復(fù)雜特殊，公路工程勢(shì)必依山而建，常在山腰或山腳處形成長(zhǎng)達(dá)幾公里的工程高切坡，受當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展、交通量需求、道路等級(jí)要求、財(cái)政投資等因素限制，絕大多數(shù)工程切坡缺乏有效的支護(hù)措施，大量無(wú)支護(hù)裸露的工程切坡為降雨型滑坡的產(chǎn)生提供了一定的物質(zhì)來(lái)源[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)每年平均發(fā)生新老滑坡次數(shù)約3×105起，其中，降雨型滑坡次數(shù)占滑坡總次數(shù)的90%以上，當(dāng)降雨條件（降雨類(lèi)型、降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)）達(dá)到一定閾值時(shí)，該類(lèi)邊坡極易發(fā)生失穩(wěn)破壞，進(jìn)而造成巨大財(cái)產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)損失。

目前針對(duì)降雨型邊坡穩(wěn)定性的計(jì)算主要以降雨入滲模型為基礎(chǔ)，建立穩(wěn)定性計(jì)算與評(píng)價(jià)方法，如常金源等[2]、覃小華等[3]、汪丁建等[4]、蘇永華等[5]基于Chen-Young改進(jìn)模型建立了適用于降雨入滲條件下無(wú)限長(zhǎng)邊坡的穩(wěn)定性理論計(jì)算與分析方法;Bordoni等[6]、Tsuchida等[7]從誘發(fā)滑坡的水文因素出發(fā)，利用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)調(diào)查數(shù)據(jù)建立了簡(jiǎn)化的降雨型滑坡穩(wěn)定性分析方法。但以上研究?jī)H建立了降雨型邊坡瞬時(shí)穩(wěn)定性計(jì)算方法，無(wú)法獲得降雨型邊坡降雨入滲過(guò)程及穩(wěn)定性演化過(guò)程，因此，近來(lái)年，降雨型邊坡穩(wěn)定性演化過(guò)程分析逐漸成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)及技術(shù)難題之一，其旨在揭示邊坡降雨入滲過(guò)程及其失穩(wěn)破壞過(guò)程，常見(jiàn)手段如采用ABSQUS、SEEP/W、FLAC3D等數(shù)值模擬軟件進(jìn)行降雨入滲模擬，如任德斌等[8]、李濤[9]、韓同春等[10]、劉杰等[11]通過(guò)有限元數(shù)值模擬軟件建立邊坡數(shù)值模型，模擬了不同工況下的邊坡降雨入滲過(guò)程，獲得了諸如孔隙水壓力、位移、穩(wěn)定系數(shù)的分布及變化規(guī)律，揭示了降雨作用下邊坡失穩(wěn)機(jī)理;部分學(xué)者從降雨入滲過(guò)程中坡體抗剪強(qiáng)度參數(shù)劣化這一角度，針對(duì)邊坡穩(wěn)定性演化過(guò)程展開(kāi)分析，如董金玉等[12]、李文等[13]、涂義亮等[14]、龍安發(fā)等[15]、朱澤勇等[16]以粉質(zhì)黏土為研究對(duì)象，通過(guò)開(kāi)展室內(nèi)人工降雨模擬干濕循環(huán)試驗(yàn)，分析了干濕循環(huán)下粉質(zhì)黏土試樣力學(xué)參數(shù)演變規(guī)律及邊坡破壞機(jī)理;Griffiths等[17]、Conte等[18]、Godt等[19]通過(guò)建立理想的邊坡滑動(dòng)模型，結(jié)合實(shí)地調(diào)查建立了無(wú)限邊坡在降雨入滲過(guò)程中的入滲深度及穩(wěn)定系數(shù)評(píng)價(jià)方法。

以上研究多立足無(wú)限長(zhǎng)傾斜式均土質(zhì)邊坡，降雨過(guò)程中，邊坡穩(wěn)定性理論計(jì)算多采用瞬時(shí)計(jì)算且基于滑面平行于坡表假定，但忽略了有限長(zhǎng)人為工程切坡具有臺(tái)階，即其坡面為非直線這一事實(shí)，導(dǎo)致針對(duì)上覆土體下伏基巖的基巖型臺(tái)階狀土質(zhì)高切坡降雨入滲過(guò)程及穩(wěn)定性分析認(rèn)識(shí)不足;部分學(xué)者雖通過(guò)開(kāi)展室內(nèi)土樣的干濕循環(huán)試驗(yàn)獲得了土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)劣化規(guī)律，并以此揭示降雨型邊坡穩(wěn)定系數(shù)演化規(guī)律，但其在邊坡穩(wěn)定性演化模擬分析中多采用單次降雨入滲工況，且受限于現(xiàn)有數(shù)值模擬手段無(wú)法輸入時(shí)變坡體抗剪強(qiáng)度參數(shù)，導(dǎo)致其針對(duì)降雨循環(huán)條件下邊坡入滲過(guò)程穩(wěn)定性演化過(guò)程適用性較窄，進(jìn)而缺乏降雨型邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)預(yù)測(cè)方法相關(guān)研究。基于此，筆者以樂(lè)西高速馬邊至昭覺(jué)段A1標(biāo)段某降雨型粉質(zhì)黏土覆蓋層基巖型臺(tái)階狀高切坡為研究對(duì)象，通過(guò)開(kāi)展室內(nèi)干濕循環(huán)試驗(yàn)，建立了土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)劣化數(shù)學(xué)模型;利用Geo-studio數(shù)值模擬軟件，建立了高切坡二維滲流數(shù)值模型，通過(guò)輸入2017年實(shí)時(shí)降雨數(shù)據(jù)及自擬多工況降雨循環(huán)函數(shù)，開(kāi)展了高切坡降雨入滲過(guò)程研究，揭示不同降雨循環(huán)工況下及雨后高切坡內(nèi)部滲流場(chǎng)及穩(wěn)定性變化規(guī)律，建立降雨型高切坡穩(wěn)定系數(shù)逐年劣化方程;基于室內(nèi)試驗(yàn)及數(shù)值模擬結(jié)果，建立該類(lèi)降雨型高切坡穩(wěn)定性預(yù)測(cè)方法，對(duì)降雨循環(huán)條件下此類(lèi)高切坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)具有重要的科學(xué)指導(dǎo)意義及實(shí)用價(jià)值。

1 研究工點(diǎn)選取

公路工程高切坡坡體長(zhǎng)期暴露于自然環(huán)境中，在氣候周期性交替變化作用下，會(huì)經(jīng)歷“降雨”“蒸發(fā)”“降雨”的循環(huán)過(guò)程，長(zhǎng)期處在干燥和加濕的干濕循環(huán)條件下，坡體會(huì)經(jīng)歷“濕”“干”“濕”的循環(huán)過(guò)程，“干”狀態(tài)指坡體受自身排水過(guò)程及日照蒸發(fā)，土體含水量逐漸減少，直至天然含水量的過(guò)程;“濕”狀態(tài)指坡體受降雨作用，土體含水量增加，直至趨向飽和狀態(tài)的過(guò)程。周期性降雨潤(rùn)濕及排水蒸發(fā)即干濕交替過(guò)程對(duì)坡體產(chǎn)生了干濕循環(huán)作用，導(dǎo)致土體力學(xué)性質(zhì)的劣化，周期性降雨作用后，該劣化效應(yīng)累積性發(fā)展，高切坡穩(wěn)定性隨之劣化，直至失穩(wěn)。作為常見(jiàn)邊坡工程病害之一，公路工程高切坡淺層失穩(wěn)溜坍土體呈厚度薄、規(guī)模小及頻率高的特點(diǎn)，其中，中國(guó)南部粉質(zhì)黏土公路邊坡及中西部粉土公路邊坡中分布較為廣泛，

筆者以樂(lè)西高速馬邊至昭覺(jué)段A1標(biāo)段K41+538～K41+615右側(cè)粉質(zhì)黏土覆蓋層基巖型臺(tái)階狀高切坡為研究對(duì)象，見(jiàn)圖1，研究工點(diǎn)位于樂(lè)山市馬邊縣羅山溪附近，地處四川盆地中部，總體地貌類(lèi)型屬構(gòu)造侵蝕剝蝕型丘陵地貌。邊坡坡體主要為第四系全新統(tǒng)殘坡積（Q4dl+el）粉質(zhì)黏土，土層厚度6.0～13.0 m，呈軟塑～可塑狀;下部不透水基巖為侏羅系上統(tǒng)遂寧組（J2S）泥巖，多成強(qiáng)～中風(fēng)化，初勘顯示，地下水水位線遠(yuǎn)低于基巖底部。工點(diǎn)擬采用二級(jí)平臺(tái)開(kāi)挖方式，高切坡單級(jí)坡高8 m，坡率1∶1，二級(jí)邊坡交接處平臺(tái)寬2 m，坡角為45°，且不透水基巖面傾角30°。工程區(qū)屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，年內(nèi)四季分明，雨量充沛，秋季多綿雨，多年平均降雨量1 025.8 mm，降雨多集中在5月-9月，約占全年降雨量的70%，多年平均蒸發(fā)量1 168.3 mm，蒸發(fā)量與降雨量基本持平，可認(rèn)定坡體處于飽和非飽和狀態(tài)。土體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

2 土體強(qiáng)度參數(shù)劣化數(shù)學(xué)模型建立

2.1 模型建立

為描述土體抗剪強(qiáng)度τ在周期性降雨循環(huán)過(guò)程中的變化規(guī)律，定義土體黏聚力cn與內(nèi)摩擦角φn表示土體在周期性降雨循環(huán)過(guò)程中的實(shí)時(shí)抗剪強(qiáng)度參數(shù)，假定干濕循環(huán)作用過(guò)程對(duì)土體強(qiáng)度參數(shù)劣化效應(yīng)過(guò)程連續(xù)且不可逆，引入時(shí)間概念，則土體實(shí)時(shí)抗剪強(qiáng)度為

τn=cn+σn·tan φn（1）

式中：τn為n次干濕循環(huán)后的土體抗剪強(qiáng)度，kPa;σn為作用于土體單元的法向正應(yīng)力，kPa。

定義土體黏聚力劣化系數(shù)為ζ，則土體實(shí)時(shí)黏聚力cn與干濕循環(huán)次數(shù)n的變化關(guān)系式為

cn=c0·ζ? 或ζ=cn/c0（2）

式中：c0為土體初始黏聚力，kPa。

定義土體內(nèi)摩擦角劣化系數(shù)為η，則土體實(shí)時(shí)內(nèi)摩擦角φn與干濕循環(huán)次數(shù)n的變化關(guān)系式為[12， 14]

φn=φ0·η或η=φn/φ0（3）

式中：φ0為土體初始內(nèi)摩擦角，（°）。

鄧華鋒等[20]定義干濕循環(huán)過(guò)程中的土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)降低程度為劣化度，因此，定義n次干濕循環(huán)后土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)劣化程度為劣化度Sn，則土體黏聚力劣化度Scn

Scn=c0-cnc0×100%或Scn=1-ζ（4）

內(nèi)摩擦角劣化度Sφ n

Sφ n=φ0-φnφ0×100%或Sφ n=1-η（5）

2.2 室內(nèi)干濕循環(huán)試驗(yàn)

為進(jìn)一步探尋粉質(zhì)黏土坡體周期性降雨過(guò)程與室內(nèi)干濕循環(huán)過(guò)程之間的聯(lián)系，給出高切坡穩(wěn)定性預(yù)測(cè)方法，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)制取粉質(zhì)黏土試樣展開(kāi)室內(nèi)干濕循環(huán)試驗(yàn)及直剪試驗(yàn)，以獲得土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)干濕循環(huán)劣化規(guī)律。干濕循環(huán)試驗(yàn)共制取土體試樣數(shù)量48個(gè)，擬定直剪試驗(yàn)荷載共分為0、50、100、200 kPa共4種，每種荷載下12個(gè)試樣共4組，每組平均3個(gè)試樣，進(jìn)行相應(yīng)荷載條件下的1、2、3、4次干濕循環(huán)試驗(yàn)，其中，直剪試驗(yàn)土樣固結(jié)穩(wěn)定時(shí)的垂直變形值標(biāo)準(zhǔn)為每1 h不大于0.005 mm，

土樣實(shí)際固結(jié)穩(wěn)定時(shí)間實(shí)測(cè)約24 h，剪切速率為0.8 mm/min，并在3～5 min內(nèi)剪損。干濕循環(huán)試驗(yàn)首先將天然土樣放入飽和缸中進(jìn)行抽氣，接著向缸內(nèi)注滿水，浸泡24 h增濕至土樣飽和，然后將飽和試件放入烘箱烘干，減濕至土樣天然含水率，至此，完成一次干濕循環(huán)。重復(fù)以上過(guò)程，進(jìn)行第2～4次循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程見(jiàn)圖2～圖4。由圖3可見(jiàn)，干濕循環(huán)1次時(shí)，粉質(zhì)黏土試樣周邊開(kāi)始出現(xiàn)微裂隙，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，微裂隙不斷由試樣四周向中間擴(kuò)展，發(fā)展成為貫通裂隙，干濕循環(huán)4次時(shí)，試樣貫通裂隙增寬加深，土體結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，并且表現(xiàn)有一定的體積收縮，究其原因在于，干濕循環(huán)過(guò)程中，試樣中黏土礦物吸水膨脹和失水收縮，進(jìn)而土體出現(xiàn)干縮濕脹循環(huán)，導(dǎo)致土體中原生裂隙的開(kāi)展和次生裂隙的發(fā)育，而產(chǎn)生的裂隙降低了黏土顆粒間的膠結(jié)作用，造成了不可逆的損傷累計(jì)，最終破壞了原狀土體的結(jié)構(gòu)，土體抗剪強(qiáng)度逐漸降低。所獲粉質(zhì)黏土試樣干濕循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

粉質(zhì)黏土試樣黏聚力及內(nèi)摩擦角劣化曲線見(jiàn)圖5。由圖5可知，干濕循環(huán)周期內(nèi)粉質(zhì)黏土試樣黏聚力及內(nèi)摩擦角與干濕循環(huán)次數(shù)呈負(fù)相關(guān)，試樣抗剪強(qiáng)度不斷降低，但試樣黏聚力劣化幅度較內(nèi)摩擦角劇烈，整體上看，單次干濕循環(huán)周期內(nèi)試樣黏聚力及內(nèi)摩擦角劣化幅度隨干濕循環(huán)次數(shù)增加逐漸減小，表明后續(xù)的干濕循環(huán)試驗(yàn)對(duì)粉質(zhì)黏土試樣黏聚力及內(nèi)摩擦角的劣化效應(yīng)逐漸減小。

3 Geo-studio降雨入滲數(shù)值模擬

3.1 模型建立

以樂(lè)西高速馬邊至昭覺(jué)段A1標(biāo)段K41+538～K41+615右側(cè)粉質(zhì)黏土覆蓋層基巖型臺(tái)階狀高切坡為研究對(duì)象，利用Geo-studio數(shù)值模擬軟件建立該處高切坡二維滲流數(shù)值模型（圖6）。模型邊坡坡頂長(zhǎng)度設(shè)置為24 m（1.5 H′，H′為2個(gè)單級(jí)坡高總和），左邊界至坡腳的距離設(shè)置為24 m（1.5 H′），坡頂部到底部邊界的距離設(shè)置為32 m（2 H′的方式進(jìn)行擴(kuò)大），且不透水基巖面傾角為30°，最終有限元模型尺寸設(shè)計(jì)如圖6所示。模型底部邊界設(shè)定為豎直約束和水平約束邊界;左右邊界為水平約束邊界;高切坡坡表及坡腳左側(cè)路面設(shè)置為降雨入滲及潛在的排水邊界，為考慮雨后高切坡穩(wěn)定性回升，同時(shí)還將坡表設(shè)置為蒸發(fā)輻射邊界;考慮計(jì)算精度與計(jì)算時(shí)步，將模型劃分為6 492個(gè)節(jié)點(diǎn)和6 321個(gè)單元。

模型邊坡坡體為均質(zhì)非飽和粉質(zhì)黏土，根據(jù)GENUCHTEN研究發(fā)現(xiàn)，其滲透系數(shù)為基質(zhì)力的函數(shù)，而非常數(shù)，即基質(zhì)力隨含水量的變化而變化。土體非飽和特性參數(shù)如表1所示，利用Geo-studio數(shù)值模擬軟件內(nèi)置的非飽和粉質(zhì)黏土樣本函數(shù)及實(shí)驗(yàn)測(cè)定的飽和含水率（θs=0.46）和殘余含水率（θr=0.08）數(shù)據(jù)，生成覆蓋層粉質(zhì)黏土的土水特征曲線及滲透系數(shù)函數(shù)，見(jiàn)圖7。

3.2 模擬工況選定

3.2.1 實(shí)時(shí)降雨工況

1）降雨工況

收集了中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)于樂(lè)山市馬邊縣2017年的降雨資料，將高切坡降雨入滲模擬過(guò)程周期定為1個(gè)單位年，由于研究工點(diǎn)全年降雨量主要集中在6月—8月，僅給出研究工點(diǎn)處6月—8月的降雨數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖8，其余月份降雨量反映在圖9中。

其中，研究工點(diǎn)處近10年來(lái)全年水汽蒸發(fā)及輻射強(qiáng)度約為3 340～4 190 MJ/m2·a，考慮蒸發(fā)量與降雨量基本持平，6月—8月模型輻射強(qiáng)度占全年輻射強(qiáng)度的70%，其余月份占30%，故將6月—8月模型邊界條件每日輻射強(qiáng)度設(shè)為28 339 kJ/m2·d，其余月份設(shè)為4 183 kJ/m2·d;空氣濕度對(duì)邊坡穩(wěn)定性分析影響不大，6月—8月設(shè)為30%，其余月份設(shè)為20%;考慮6月—8月溫度較高，分別設(shè)為26、29、28 ℃;各類(lèi)型降雨均取國(guó)家氣象局規(guī)定的降雨量標(biāo)準(zhǔn)表中相應(yīng)降雨類(lèi)型的平均值[21]，即小雨、中雨、大雨、暴雨分別取5、17.5、37.5、75 mm/d。

2）穩(wěn)定性分析

利用Geo-studio數(shù)值模擬軟件瞬時(shí)分析計(jì)算邊坡在2017年降雨周期內(nèi)各時(shí)刻邊坡的降雨入滲過(guò)程，并獲得該高切坡穩(wěn)定系數(shù)時(shí)程曲線，見(jiàn)圖10。

由圖10可見(jiàn)，該高切坡2017年全年穩(wěn)定狀態(tài)整體處于波動(dòng)狀態(tài)，全年穩(wěn)定系數(shù)劣化0.053，高切坡最有利狀態(tài)位于6月中旬，原因在于該階段內(nèi)研究工點(diǎn)處降雨較少，高切坡經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間太陽(yáng)輻射及排水，坡體內(nèi)部孔隙水壓力逐漸消散，邊坡穩(wěn)定性較好;邊坡最不利狀態(tài)位于8月上旬，原因在于該階段內(nèi)研究工點(diǎn)降雨較多，高切坡經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間降雨入滲，坡體軟化，坡體自重加大，孔隙水壓力逐漸增大，邊坡穩(wěn)定性較差，兩者相差0.256，可見(jiàn)，雨季高切坡穩(wěn)定狀態(tài)劣化較大，應(yīng)及時(shí)加強(qiáng)邊坡監(jiān)測(cè)，做好疏排水措施。

考慮研究工點(diǎn)處若干年內(nèi)降雨條件無(wú)較大差別，則該高切坡穩(wěn)定系數(shù)逐年劣化方程為

FS=2.451-0.053a（6）

式中：a為考察年限，按年計(jì)。該式可推廣為

FS=F0-ΔF·a（7）

式中：F0為考察年限內(nèi)高切坡穩(wěn)定系數(shù)初始值;ΔF為單年內(nèi)高切坡穩(wěn)定系數(shù)劣化值。

參照《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330—2013）[22]對(duì)永久邊坡安全系數(shù)的規(guī)定，當(dāng)該邊坡工程安全等級(jí)分別為一級(jí)、二級(jí)及三級(jí)時(shí)，其穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)大于1.35、1.30及1.25，在不加任何支護(hù)措施的前提下，由式（6）可知，研究對(duì)象在常年周期性降雨下其穩(wěn)定系數(shù)將分別在第20.77年、21.72年、22.66年劣化至安全系數(shù)臨界值，在第27.38年時(shí)劣化至失穩(wěn)破壞臨界值。

3.2.2 典型降雨工況

1）降雨工況擬定

為進(jìn)一步揭示粉質(zhì)黏土覆蓋層基巖型臺(tái)階狀高切坡在不同降雨循環(huán)作用下其穩(wěn)定性變化規(guī)律，考慮粉質(zhì)黏土坡體低滲透性，初擬3種典型雨型進(jìn)行坡體降雨入滲特征分析及穩(wěn)定性分析，其中降雨循環(huán)結(jié)束后觀察期設(shè)為4 d，期間模型邊界每日輻射強(qiáng)度設(shè)為28 339 kJ/m2·d。滲流計(jì)算過(guò)程中，根據(jù)所擬降雨工況設(shè)置90個(gè)時(shí)間步，每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)時(shí)長(zhǎng)為8 h，計(jì)算過(guò)程共計(jì)30 d，每個(gè)時(shí)間步最大迭代次數(shù)為50步，迭代誤差小于1%視為收斂，以揭示降雨循環(huán)入滲過(guò)程及降雨循環(huán)后高切坡內(nèi)部滲流場(chǎng)及穩(wěn)定性變化規(guī)律，見(jiàn)圖11。

2）穩(wěn)定性計(jì)算與分析

各工況降雨周期內(nèi)高切坡內(nèi)部濕潤(rùn)峰動(dòng)態(tài)變化過(guò)程如圖12～圖14所示，可見(jiàn)，整個(gè)降雨周期內(nèi)，Geo-studio軟件自動(dòng)搜索高切坡潛在滑移面位置及形狀并未發(fā)生明顯變化，邊坡潛在滑移面形態(tài)無(wú)明顯的尺寸效應(yīng)，均表現(xiàn)為邊坡深處圓弧面和基巖積水面的組合型滑面;相同降雨時(shí)間內(nèi)高切坡降雨入滲深度zf與降雨強(qiáng)度成正相關(guān);降雨結(jié)束后，觀察期內(nèi)高切坡入滲深度逐漸減少，究其原因在于該階段內(nèi)模型邊界施加了蒸發(fā)與輻射條件，導(dǎo)致坡體孔隙水壓消散加速，土體有效應(yīng)力提高，高切坡穩(wěn)定性逐漸提高。

各降雨工況高切坡穩(wěn)定性演化過(guò)程見(jiàn)圖15。由圖15可見(jiàn)，降雨強(qiáng)度一定時(shí)，隨著降雨時(shí)間的增大，邊坡穩(wěn)定性逐漸下降;工況1、工況2及工況3降雨周期內(nèi)導(dǎo)致高切坡穩(wěn)定系數(shù)累計(jì)分別下降0.502、0.602及0.710，表明相同降雨時(shí)間內(nèi)，高切坡穩(wěn)定性劣化幅度與降雨強(qiáng)度成正相關(guān)。究其原因，相同時(shí)間內(nèi)降雨強(qiáng)度越大，降雨總量越大，覆蓋層坡體飽和度、孔隙水壓力、飽和區(qū)域越大，降雨入滲越嚴(yán)重，高切坡穩(wěn)定性下降越劇烈;降雨循環(huán)次數(shù)越多，相同降雨時(shí)間內(nèi)高切坡穩(wěn)定系數(shù)下降幅度越小，見(jiàn)圖16，該現(xiàn)象與上述室內(nèi)粉質(zhì)黏土抗剪強(qiáng)度參數(shù)劣化規(guī)律基本吻合，表明單次降雨循環(huán)周期內(nèi)高切坡穩(wěn)定性劣化幅度與降雨循環(huán)次數(shù)成負(fù)相關(guān)，高切坡最終會(huì)趨于穩(wěn)定。各降雨工況結(jié)束后，相同觀察期內(nèi)，高切坡穩(wěn)定系數(shù)均有回升，工況1、工況2及工況3穩(wěn)定系數(shù)分別回升0.027、0.024及0.019，回升幅度分別為1.5%、1.3%及1%，表明工況1回升幅度

最大，工況2次之，工況3最小，究其原因在于工況1降雨入滲總量最小，雨后孔壓水壓消散最快，邊坡排水過(guò)程較快，非飽和區(qū)域增大較快，高切坡穩(wěn)定性恢復(fù)最快，相同觀察期內(nèi)高切坡穩(wěn)定系數(shù)回升幅度最大。

4 高切坡穩(wěn)定系數(shù)預(yù)測(cè)方法

4.1 室內(nèi)試驗(yàn)法

結(jié)合室內(nèi)干濕循環(huán)試驗(yàn)，將單次干濕循環(huán)后的粉質(zhì)黏土試樣抗剪強(qiáng)度參數(shù)視為單次降雨循環(huán)后高切坡坡體抗剪強(qiáng)度參數(shù)初始值，并計(jì)算高切坡穩(wěn)定系數(shù)，見(jiàn)圖17。

由圖17可見(jiàn)，由室內(nèi)干濕循環(huán)試驗(yàn)所獲抗剪強(qiáng)度參數(shù)計(jì)算得到的高切坡穩(wěn)定系數(shù)與Geo-studio軟件模擬工況2循環(huán)降雨下的高切坡穩(wěn)定系數(shù)基本吻合，當(dāng)循環(huán)次數(shù)小于2次時(shí)，工況1所示降雨循環(huán)試驗(yàn)高切坡降雨強(qiáng)度較小，坡體內(nèi)濕潤(rùn)鋒下滲較淺，無(wú)法較真實(shí)地模擬室內(nèi)干濕循環(huán)試驗(yàn)“濕”狀態(tài)，導(dǎo)致高切坡穩(wěn)定系數(shù)顯著大于室內(nèi)干濕循環(huán)試驗(yàn);當(dāng)循環(huán)次數(shù)小于2次時(shí)，工況3降雨循環(huán)周期內(nèi)由于高切坡初始降雨強(qiáng)度較大，其較好地模擬了坡體飽和天然狀態(tài)，故兩者吻合較好，當(dāng)循環(huán)次數(shù)大于2次時(shí)，

由于坡體排水較慢，孔隙水未完全消散，坡體未達(dá)到“干”狀態(tài)，而室內(nèi)干濕循環(huán)試驗(yàn)可保證試樣處于天然狀態(tài)，由室內(nèi)干濕循環(huán)試驗(yàn)所得高切坡穩(wěn)定系數(shù)高于降雨循環(huán)試驗(yàn)，故工況2較好地代表了室內(nèi)干濕循環(huán)試驗(yàn)，其中，當(dāng)循環(huán)次數(shù)分別為1、2、3及4時(shí)，兩者分別相差0.009、0.011、0.022及0.031，表明隨著循環(huán)次數(shù)的增加，兩者差值逐漸增大，究其原因，當(dāng)坡體趨于完全飽和時(shí)，在為時(shí)4 d的非降雨時(shí)段內(nèi)，輻射強(qiáng)度28 339 kJ/m2·d坡體排水未完全，孔隙水未完全消散，見(jiàn)圖14（d）、（e）、（f），但該誤差在工程范圍內(nèi)可以接受。

定義高切坡穩(wěn)定系數(shù)劣化系數(shù)ω表示在周期性降雨循環(huán)過(guò)程中其穩(wěn)定性劣化規(guī)律，進(jìn)而引入時(shí)間概念表征隨降雨循環(huán)次數(shù)變化的高切坡穩(wěn)定系數(shù)為FSn

FSn=F0·ω（8）

由圖18可發(fā)現(xiàn)，所研究高切坡穩(wěn)定系數(shù)劣化規(guī)律與粉質(zhì)黏土土樣cn及φn平均值劣化規(guī)律一致，且劣化程度雖有誤差但誤差范圍內(nèi)高切坡穩(wěn)定系數(shù)整體基本吻合，高切坡穩(wěn)定系數(shù)劣化規(guī)律描述采用坡體cn及φn劣化系數(shù)平均值量化大于數(shù)值模擬劣化結(jié)果，用該值偏于安全，在工程范圍內(nèi)可以接受。

因此，針對(duì)所研究粉質(zhì)黏土覆蓋層高切坡，式（8）可轉(zhuǎn)換為

FSn=F0·ζ+η2（9）

4.2 數(shù)值模擬擬合法

對(duì)于某一特定高切坡，降雨入滲過(guò)程中，決定高切坡穩(wěn)定性的主要因素為降雨時(shí)間T及降雨強(qiáng)度q，基于此，可獲得高切坡在不同降雨時(shí)間及降雨強(qiáng)度作用后的穩(wěn)定性情況，利用MATLAB 2016a數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，其中，為更準(zhǔn)確地描述降雨強(qiáng)度q隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，仍采用典型雨型函數(shù)并用降雨總量Q刻畫(huà)降雨時(shí)間T內(nèi)的降雨強(qiáng)度，可以發(fā)現(xiàn)，針對(duì)所研究粉質(zhì)黏土覆蓋層高切坡，高切坡降雨實(shí)時(shí)穩(wěn)定系數(shù)FS與降雨總量Q、降雨時(shí)間T滿足如下二元函數(shù)關(guān)系，如圖19所示。

FS=2.389-0.015T-0.001Q（10）

為進(jìn)一步探究降雨總量及降雨時(shí)間對(duì)高切坡穩(wěn)定性的影響，利用多元回歸理論對(duì)兩變量進(jìn)行SPSS擬合，得到回歸模型參數(shù)，見(jiàn)表5。結(jié)果顯示，回歸模型系數(shù)同MATLAB 2016a所得模型系數(shù)一致，降雨總量Q、降雨歷時(shí)T變量均通過(guò)了t檢驗(yàn)，且兩變量方差膨脹系數(shù)VIF均小于5，表明兩變量不具有共線性，故兩變量均能引入線性回歸模型，且模型相關(guān)系數(shù)R2=0.976 2，證明模型擬合度較高。

圖20為模型標(biāo)準(zhǔn)化殘差P-P圖，由圖20可見(jiàn)，各點(diǎn)近似一條直線且均分布于直線附近;圖21為模型回歸殘差分布直方圖，由圖21可見(jiàn)，直方圖形態(tài)與標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布近似，即表明模型的殘差符合正態(tài)分布假設(shè)。

綜上，對(duì)于所建粉質(zhì)黏土覆蓋層基巖型臺(tái)階狀高切坡，認(rèn)定其降雨實(shí)時(shí)穩(wěn)定系數(shù)FS與降雨總量Q、降雨時(shí)間T滿足式（10）的函數(shù)關(guān)系是合理的。

5 結(jié)論

以降雨型粉質(zhì)黏土覆蓋層基巖型臺(tái)階狀高切坡為研究對(duì)象，通過(guò)室內(nèi)干濕循環(huán)試驗(yàn)建立了土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)劣化數(shù)學(xué)模型;利用Geo-studio軟件揭示了其在不同降雨工況下的降雨入滲過(guò)程及穩(wěn)定性演化過(guò)程，并給出了該類(lèi)降雨型高切坡的穩(wěn)定性預(yù)測(cè)方法，主要結(jié)論如下：

1）通過(guò)室內(nèi)干濕循環(huán)試驗(yàn)及直剪試驗(yàn)獲得了土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)干濕循環(huán)劣化規(guī)律，建立了土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)劣化數(shù)學(xué)模型。

2）以高切坡2017年實(shí)時(shí)降雨數(shù)據(jù)為例，利用Geo-studio數(shù)值模擬軟件獲得了高切坡在該年內(nèi)的穩(wěn)定性演化過(guò)程，建立了高切坡穩(wěn)定系數(shù)逐年劣化方程;通過(guò)自擬3種典型雨型函數(shù)，利用Geo-studio數(shù)值模擬軟件開(kāi)展了高切坡在不同降雨強(qiáng)度、不同降雨歷時(shí)下的降雨入滲特征及穩(wěn)定性分析，結(jié)果表明：整個(gè)降雨周期內(nèi)，高切坡潛在滑移面為高切坡深處圓弧面和基巖積水面的組合型滑面;相同降雨時(shí)間內(nèi)，高切坡降雨入滲深度及穩(wěn)定性劣化幅度與降雨強(qiáng)度成正相關(guān);單次降雨循環(huán)周期內(nèi)，高切坡穩(wěn)定性劣化幅度與降雨循環(huán)次數(shù)成負(fù)相關(guān);高切坡降雨入滲深度或入滲總量越大，雨后高切坡穩(wěn)定系數(shù)回升越小。

3）針對(duì)所研究粉質(zhì)黏土覆蓋層高切坡，所擬工況2下高切坡穩(wěn)定系數(shù)與以室內(nèi)干濕循環(huán)試驗(yàn)所獲抗剪強(qiáng)度參數(shù)計(jì)算得到的高切坡穩(wěn)定系數(shù)劣化規(guī)律基本吻合，降雨循環(huán)作用下，高切坡穩(wěn)定系數(shù)劣化系數(shù)采用土樣cn及φn平均值是偏安全合理的;基于Geo-studio數(shù)值模擬結(jié)果給出了該類(lèi)高切坡在不同降雨量及降雨時(shí)間下的穩(wěn)定性預(yù)測(cè)方法，所獲結(jié)果精度較高。參考文獻(xiàn)：

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（編輯 王秀玲）