降雨誘發(fā)含碎石夾層土坡破壞演化規(guī)律研究

肖景紅,王 敏,王 川,冷先倫

(1.中交二航局第四工程有限公司，安徽 蕪湖 241000；2.中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430071；3.中國科學院大學，北京 100049)

1 概述

在各種地質作用下，自然界中出現(xiàn)了較多含夾層的邊坡；根據(jù)夾層與周圍巖土體的強度和剛度的關系，這些邊坡可分為含軟弱夾層的邊坡和含硬夾層的邊坡[1-2]。這些邊坡因受夾層控制，在降雨、地震、地下水、開挖擾動、加載、庫水侵蝕等作用下，容易誘發(fā)沿夾層滑動并最終形成滑坡[3-4]。當前，含夾層的邊坡破壞已經成為邊坡工程研究的熱點之一，國內外學者就其中含軟弱夾層的一類邊坡開展了大量研究，認為：軟弱夾層作為一種層狀的結構層存在于邊坡內，其強度、剛度及幾何尺寸相對周圍巖土體較小，特別是在降雨入滲、地震、開挖卸荷的過程中，軟弱夾層的強度和剛度均急劇降低，成為邊坡變形與穩(wěn)定性控制的短板，并針對這一短板提出了相對應的支護體系[5-6]。然而，當前研究以含軟弱夾層的巖質邊坡為主，對于含碎石夾層等堅硬、強透水夾層的土質邊坡研究較少。

在山谷、河谷等地區(qū)，在過去某一時期水力搬運的作用下，形成了碎石夾層等堆積層(洪積層)，繼而在后期地質作用或滑坡等地質災害的影響下，地表傾斜形成含碎石夾層的邊坡[7-8]。盡管含碎石夾層的土坡在幾何上與含軟弱層的巖坡相似，研究方法在一定程度上可以相互借鑒，然而，由于碎石夾層在土坡中并非以軟弱夾層的形式存在，相反地，碎石夾層本質上是一種土石混合體，已有研究[9-10]證明，土石混合體的強度大于純土體的強度，因此碎石夾層在土坡中屬于硬夾層。碎石夾層在土坡中的力學特性及其與周圍土體的相互作用機理必定與巖坡中的軟弱夾層具有較大的差異，因此含碎石夾層的土坡需要單獨研究。

鑒于當前對含碎石夾層土坡的穩(wěn)定性研究較少，在降雨作用下碎石夾層所形成的優(yōu)勢滲透面對邊坡穩(wěn)定性的影響認識不充分，相關數(shù)值計算方法較為缺乏，本文開展了降雨誘發(fā)含碎石夾層土坡破壞演化規(guī)律的研究。首先概化了含碎石夾層土坡的幾何模型并構造了極限平衡法受力分析模型，分析了雨水沿碎石夾層入滲形成的優(yōu)勢滲透面對邊坡穩(wěn)定性的影響機制；其次基于Janbu法推導了考慮優(yōu)勢滲透面效應的極限平衡法公式，實現(xiàn)了含碎石夾層土坡降雨入滲的極限平衡法數(shù)值計算；最后基于廣西某公路邊坡的破壞案例分析了降雨誘發(fā)含碎石夾層土坡破壞演化規(guī)律。研究成果可為降雨作用下含碎石夾層土坡的變形與滑坡控制提供參考。

2 降雨誘發(fā)含碎石夾層土坡破壞的力學模型

2.1 簡化模型與假設

土坡中碎石夾層的厚度和層面形態(tài)通常具有一定的空間變異性，即在不同的空間位置上，碎石夾層具有不同的厚度和不同的表面形態(tài)。為了簡化分析，在此不考慮碎石夾層的這種空間變異性，即將碎石夾層看作在空間上等厚度的夾層且夾層的表面形態(tài)為平面，見圖1。根據(jù)坡角α與碎石夾層傾角β的關系，將含碎石夾層的土坡分為以下3種類型，即：α>β[類型I，見圖1(a)]、α<β[類型II，見圖1(b)]和90°<β<180°[類型III，見圖1(c)]。碎石夾層作為土坡內部的大型結構面，對于邊坡穩(wěn)定性影響較大，其中以類型I和類型II(均為順傾向)方式賦存的夾層為甚，因此本文對含類型I和類型II碎石夾層土坡的穩(wěn)定性規(guī)律進行深入研究。

(a)類型I

碎石夾層本質上是一種土石混合體，一般而言，與組成土石混合體的黏土相比，土石混合體的滲透性顯著高于黏土的滲透性[11-12]。因此，在含碎石夾層的土坡中，假定：碎石夾層滲透性顯著高于周圍土體，降雨過程中雨水易匯入碎石夾層并沿碎石夾層形成優(yōu)勢滲透面，雨水沿優(yōu)勢滲透面快速下滲，在邊坡內部看作雨水僅沿碎石夾層滲流，而不會造成碎石夾層周圍土體飽和度變化。基于此，建立沿碎石夾層優(yōu)勢滲透面的土坡穩(wěn)定性計算模型，見圖2。

(a)邊坡簡化模型

降雨入滲過程中，坡頂碎石夾層出露位置最先飽和，隨著雨水沿著碎石夾層持續(xù)入滲，邊坡上部的碎石夾層逐漸飽和，形成飽和段(長度為hs)，邊坡下部的碎石夾層由于雨水入滲的延遲和損失，處于非飽和狀態(tài)[長度為(1-h)s]，見圖2(a)。其中，s為碎石夾層長度，h為某時刻碎石夾層飽和段占全段長度的比值，定義為碎石夾層的飽和比。從圖2(a)中取出一個單元體進行受力分析，見圖2(b)：Δs為單元體底部滑動面的長度，β為碎石夾層與水平面的夾角，H為坡面到碎石夾層底部的深度，mH為碎石夾層的厚度(0

2.2 剛體極限平衡穩(wěn)定性分析

Janbu法是一種成熟的、多國規(guī)范采用的考慮結構面效應時邊坡穩(wěn)定性分析的一種方法，該方法最大限度地滿足了各個單元體受力的平衡(未考慮單元體整體的力矩平衡)，是一種適用于由結構面控制的非圓弧滑動面的邊坡穩(wěn)定性分析的極限平衡法[13]。本文在Janbu法推導安全系數(shù)方法的基礎上，考慮了雨水沿碎石夾層入滲形成的優(yōu)勢滲流面效應及碎石夾層非飽和抗剪強度效應，擴展了Janbu法的應用場景。單元體受力和力矢量多邊形如圖3所示。

圖3 基于Janbu法的單元體受力分析示意圖

2.2.1下滑力

下滑力由單元體沿碎石夾層方向的重力分量FL和單元體內雨水沿碎石夾層向下滲流的滲透力FP兩部分組成，根據(jù)圖2(b)和圖3中所示的幾何關系，F(xiàn)L和FP分別為：

FL=G·sinβ

(1)

FP=γwmΔs·sinβ·cosβ

(2)

式中:γw為水的重度。單元體的重力G由碎石夾層和上部土體組成，即:

G=ΘγHΔs·cosβ

(3)

其中，

Θ=m(n-1)+g(1-n)+nS(1-m)

(4)

式中:n為土體孔隙率；g為土粒比重；S為降雨過程中碎石夾層某時刻的飽和度，表達式為：

(5)

式中:θr、θs和θ分別為碎石夾層殘余含水率、飽和含水率和某時刻的含水率。

2.2.2抗滑力

碎石夾層作為優(yōu)勢滲透面，降雨入滲下其含水量、孔隙水壓力等水力特征變化較大，抗剪強度也隨之發(fā)生較大變化。碎石夾層的抗滑力由飽和段抗剪強度τ1和非飽和段抗剪強度τ2共同確定，其中飽和段滿足Mohr-Coulomb準則，即:

τ1=c′+(σn-uw)tanφ

(6)

非飽和段滿足Fredlund雙變量非飽和抗剪強度準則[14]，即:

τ2=c′+(σn-ua)tanφ+cφ

(7)

式中:(σn-ua)為法向凈應力；σn為法向總應力；uw和ua分別為孔隙水壓力和孔隙氣壓力;c′為飽和碎石夾層有效粘聚力;cφ為非飽和碎石夾層基質吸力貢獻的粘聚力;φ為碎石夾層有效內摩擦角。

一般情況下，基質吸力范圍變化很大，直接確定基質吸力與抗剪強度間關系很困難，本文參照SCHILIRO[15等對殘積成因的砂土和黏土(與本文分析的含碎石夾層的土坡成因相似)進行的試驗研究結果，確定飽和度S與cφ之間的關系為：

cφ=(1-S)λ

(8)

式中:λ為擬合參數(shù)，對于軟土、硬黏土、中砂和粗砂等土體，λ=0.4。

此時可將碎石夾層非飽和段和飽和段的黏聚力進行均一化處理，即轉化為具有等效表觀黏結力∑C的均一碎石夾層，即:

∑C=[c′+(1-h)(1-S)λ]s

(9)

均一化后的碎石夾層抗滑力∑T仍然滿足Mohr-Coulomb準則，即:

∑T=∑(Gcosβ·tanφ)+∑C

(10)

將式(3)和式(4)代入式(10)，可得:

∑T=∑(ΘHγtanφ·cos2α)+∑C

(11)

2.2.3邊坡安全系數(shù)

聯(lián)立式(1)、式(2)和式(11)可求得含碎石夾層的不同單元體的穩(wěn)定系數(shù)η為：

(12)

由此可得碎石夾層段邊坡安全系數(shù)為：

(13)

3 邊坡實例研究

3.1 依托工程介紹

在建的天峨至北海公路(天峨經鳳山至巴馬段)途徑多處殘積土邊坡，坡體以粉質黏土為主，部分邊坡中含有不同程度的碎石夾層，其中廣西河池市天峨縣岜暮鄉(xiāng)納基村南面山體邊坡(見圖4)碎石夾層的分布特征最為突出。該邊坡開挖后幾何及地質特征如圖4(a)所示。2021年3月初該邊坡開挖完成，隨后經歷了近半月的梅雨期，每日降雨量約為10～20 cm。至3月中旬，該邊坡突發(fā)滑坡，滑體位置見圖4(b)，滑坡后緣出現(xiàn)多條寬度約為20 cm的拉裂縫[見圖4(c)]，滑體側翼出現(xiàn)顯著的剪切裂縫并出現(xiàn)大量的碎石[見圖4(d)]。通過對開挖面附近調查發(fā)現(xiàn)，該滑坡處含有碎石夾層，夾層的形態(tài)如圖4(e)所示。地質勘察揭示坡體巖土力學參數(shù)如表1所示。

(a)邊坡二維剖面圖

通過現(xiàn)場調查，專家認為該滑坡形成的主要原因為：①碎石夾層在滑坡面出露，形成不利地質結構；②邊坡開挖后連續(xù)降雨，雨水匯入碎石夾層形成優(yōu)勢滲流面，進而雨水沿此優(yōu)勢滲流面滲入邊坡內部；③雨水滲入邊坡內部后，邊坡發(fā)生漸進失穩(wěn)，后緣首先出現(xiàn)貫通拉裂縫，滑體從第一條拉裂縫處沿碎石夾層變形、滑動。為了進一步明確該邊坡失穩(wěn)破壞機理，本文基于Geostudio軟件平臺中非飽和滲流和極限平衡分析模塊，將第二部分提出的含碎石夾層土坡穩(wěn)定性分析方法通過自定義函數(shù)的形式嵌入數(shù)值分析中，研究降雨入滲下該邊坡的滲流場及潛在滑動面安全系數(shù)的變化規(guī)律，明確降雨入滲下含碎石夾層邊坡的穩(wěn)定性計算方法。

表1 坡體巖土力學參數(shù)表Table1 Geotechnicalmechanicsparametersoftheslope地層密度/(g·cm-3)粘聚力/kPa內摩擦角/(°)體積含水量/(m-3·m-3)天然飽和天然飽和天然飽和天然殘余飽和粉質黏土1.41.6453337260.150.090.46碎石夾層1.71.9362544350.120.070.60

3.2 數(shù)值分析條件

3.2.1滲流分析條件

非飽和滲流分析需要的土體參數(shù)包括土水特征曲線(Soil Water Characteristic Curve，SWCC)和滲透系數(shù)曲線(Hydraulic Conductivity Curve，HCC)，由于獲取這兩條曲線需要的時間成本和資金成本較高，通常情況下根據(jù)土體特征采用經驗擬合的形式進行確定。本文基于Geostudio軟件平臺中的經驗數(shù)據(jù)，采用Fredlund和Xing等推導的土水特征函數(shù)[11][見式(14)]和滲透特征函數(shù)[12][見式(15)]，分別擬合粉質黏土和碎石夾層的土水特征曲線[見圖5(a)]和滲透系數(shù)曲線[見圖5(b)]。

(a)土水特征曲線

(14)

(15)

式中:a、n和m是控制體積水含量函數(shù)形狀的曲線擬合參數(shù);C(φ)是相關函數(shù);θsat是飽和體積水含量;θres是殘余體積水含量;Ksat是飽和滲透率;x是表示含水量的虛擬積分變量。

滲流分析初始邊界條件為：根據(jù)地質勘察揭露的地下水位，在圖4(a)所示的邊坡模型底部施加0 m的壓力水頭作為初始水位線，模型的左側邊界和右側邊界均設置為不透水邊界。在降雨入滲分析階段，由于降雨量為10～20 cm/d，因此在邊坡模型頂部粉質黏土上施加10 cm/d的入滲邊界，考慮到碎石夾層處雨水易匯集，在模型頂部碎石夾層處施加30 cm/d的入滲邊界。降雨入滲分析時長為5 d。

3.2.2邊坡穩(wěn)定性分析條件

由于滑動面非圓弧狀，而是由兩部分組成的復合滑動面，即沿碎石夾層的直線段和切割粉質黏土的圓弧段組成，滑動面難以實現(xiàn)自動檢索，因此采用指定潛在滑動面的方式進行計算，根據(jù)開挖平臺的分布情況，指定了4個潛在滑動面，見圖6。極限平衡法分析在滲流分析的基礎上開展：對于飽和段，采用表1中的飽和抗剪強度參數(shù)，強度準則參見式(6)；對于非飽和段，采用表1中天然狀態(tài)下的強度參數(shù)，并采用式(7)中的強度準則來考慮到含水率變化的影響；碎石夾層滑動段的整體強度準則通過式(9)確定。滑動面的抗剪強度通過式(11)確定，滑動面的安全系數(shù)通過式(13)確定。

圖6 邊坡潛在滑動面設置

3.3 考慮碎石夾層優(yōu)勢滲透面的土坡穩(wěn)定性分析

3.3.1碎石夾層優(yōu)勢滲透面分析

碎石夾層的優(yōu)勢滲透面效應體現(xiàn)為：在降雨入滲下，碎石夾層的含水量、孔隙水壓力、滲流速率、等滲流評價指標顯著高于周圍土體。由于這些指標相互關聯(lián)，因此僅以其中最直觀的指標“體積含水量”為代表開展碎石夾層優(yōu)勢滲透面分析，見圖7。由圖7可知：①降雨入滲前，坡體含水量由下至上逐漸降低，在坡頂處坡體處于殘余含水量狀態(tài)，在坡角處坡體處于自然含水量狀態(tài)，見圖7(a)；對比前人的研究可知，坡體初始含水量分布情況符合邊坡自然狀態(tài)下的含水量分布規(guī)律[16]；②降雨入滲1 d后，坡面0.6 m深度范圍內的土體基本飽和，在坡頂碎石夾層處由于雨水的匯集，碎石夾層的飽和深度(約為2.0 m)高于坡面土體的飽和深度，碎石夾層的優(yōu)勢滲流面初步形成[見圖7(b)]；③降雨入滲3 d后，坡面土體的飽和狀態(tài)基本維持降雨入滲1 d后的狀態(tài)[見圖7(b)]，坡頂碎石夾層處飽和深度(約為4.5 m)持續(xù)增大，同時由于碎石夾層滲透速度較快，部分雨水沿碎石夾層快速下滲，從而使得整個碎石夾層的含水量均有一定增加，此時碎石夾層的優(yōu)勢滲透面完全形成[見圖7(c)]；④降雨入滲5 d后，邊面土體的飽和狀態(tài)相對于降雨入滲1 d后基本無變化[見圖7(b)]，而碎石夾層的優(yōu)勢滲透面相對于降雨入滲3 d后得到了進一步強化[見圖7(d)]。

圖7 不同降雨工況下邊坡碎石夾層含水量分布圖

3.3.2考慮優(yōu)勢滲透面的極限平衡分析

在碎石夾層每一步降雨入滲分析的基礎上，采用第2節(jié)提出的分析方法，研究邊坡降雨入滲的不同階段各潛在滑動面的安全系數(shù)及其演化規(guī)律，見圖8。由圖8可知：①降雨入滲前，邊坡不同潛在滑動面中，底部的滑動面安全系數(shù)最低，屬于該狀態(tài)下最危險滑動面，見圖8(a)；對比前人的研究可知，邊坡的這種滑動面安全系數(shù)分布情況符合一般均質多級邊坡安全系數(shù)的分布規(guī)律[17]；②降雨入滲1 d后，隨著坡頂碎石夾層優(yōu)勢滲透面的初步形成，坡頂碎石夾層處的抗剪強度受到較大影響，致使經過坡頂碎石夾層的所有潛在滑動面的安全系數(shù)均受到一定影響，特別地，邊坡上部的潛在滑動面所受影響較大，此時邊坡的最危險滑動面為邊坡中部二級臺階處的滑動面(滑動面2)，見圖8(b)；③降雨入滲3 d后，隨著碎石夾層優(yōu)勢滲透面的完全形成及碎石夾層飽和段的向下延伸，邊坡各潛在滑動面的安全系數(shù)均進一步降低，且最危險滑動面不斷向下發(fā)展，此時邊坡最危險滑動面為邊坡中下部三級臺階處的滑動面(滑動面3)，見圖8(c)；④降雨入滲5 d后，邊坡中下部潛在滑動面的安全系數(shù)進一步降低，邊坡中上部的安全系數(shù)已降至最低，邊坡最危險滑動面已向下發(fā)展至坡角處(滑動面4)，見圖8(d)。

(a)無降雨

3.3.3優(yōu)勢滲透面的發(fā)展與邊坡穩(wěn)定性演化規(guī)律

為了將邊坡碎石夾層優(yōu)勢滲透面的發(fā)展過程與邊坡的穩(wěn)定性演化規(guī)律聯(lián)系起來，繪制了邊坡降雨入滲下碎石夾層的受影響深度與邊坡各潛在滑動面安全系數(shù)變化規(guī)律的關聯(lián)圖，見圖9。隨著降雨持時的增加，雨水沿碎石夾層的下滲深度逐漸增加：①各潛在滑動面的安全系數(shù)整體上呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢；降雨持時達到一定時間后，邊坡上部的潛在滑動面安全系數(shù)降至最低，隨后安全系數(shù)不再變化，例如滑動面1在降雨持時達到2 d后安全系數(shù)不再變化，滑動面2降雨持時達到3 d后安全系數(shù)不再變化；②無降雨情況下，邊坡最危險滑動面為經過坡角的滑動面(滑動面4)，降雨入滲改變了邊坡最危險滑動面的空間位置：降雨沿碎石夾層入滲的初始階段，邊坡上部滑動面受降雨入滲影響較大，邊坡最危險滑動面為邊坡上部的滑動面(滑動面1或滑動面2)；隨著降雨入滲的持續(xù)，邊坡最危險滑動面不斷向下發(fā)展，降雨持續(xù)3 d后，邊坡最危險滑動面發(fā)展至邊坡中下部(滑動面3)；降雨持續(xù)5 d后，邊坡最危險滑動面發(fā)展至坡角(滑動面4)；③上述分析的隨著降雨持續(xù)入滲引發(fā)的邊坡破壞形態(tài)(即隨著降雨持續(xù)入滲，安全系數(shù)小于1的滑動面首次出現(xiàn)在滑動面3處)與依托工程邊坡實際破壞形態(tài)[即滑動面出現(xiàn)在三級臺階(滑動面3)處]基本一致，從而在一定程度上驗證了本文分析的合理性。

圖9 雨水下滲深度與邊坡潛在滑動面安全系數(shù)的變化規(guī)律

4 結論

針對含碎石夾層的土坡降雨入滲下邊坡穩(wěn)定性演化規(guī)律的研究不足，本文通過分析降雨沿碎石夾層入滲形成的優(yōu)勢滲透面對邊坡穩(wěn)定性的影響機制，基于Janbu法推導了考慮優(yōu)勢滲透面效應的極限平衡數(shù)值計算公式，并實現(xiàn)了含碎石夾層土坡降雨入滲下坡體穩(wěn)定性的工程實例分析。研究表明：

a.對于碎石夾層出露的土質邊坡，碎石夾層在降雨入滲下因其強滲透特性和受雨水匯集的影響，容易形成優(yōu)勢滲透面，且優(yōu)勢滲透面效應隨著降雨持時的增加而愈加顯著。

b.優(yōu)勢滲透面為雨水的下滲提供了快速通道，使得雨水容易滲入邊坡內部，造成碎石夾層的抗剪強度急劇降低，邊坡安全系數(shù)亦隨之降低；在邊坡安全系數(shù)不斷下降的同時，邊坡最危險滑動面的空間位置由邊坡上部不斷向下演化，直至最危險滑動面演化至邊坡某一位置且安全系數(shù)減小至臨界值而引發(fā)滑坡。

c.通過對工程實例的分析與工程現(xiàn)場的對比研究表明，本文提出的考慮碎石夾層優(yōu)勢滲透面的土坡穩(wěn)定性分析方法具備一定的合理性，在后續(xù)的研究中可將支護結構對含碎石夾層土坡穩(wěn)定性的作用機理考慮進本文分析方法中。