土體非飽和滲流特性對邊坡穩(wěn)定性影響

曾 強(qiáng)

(遼寧省沈陽市蘇家屯區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村服務(wù)中心，遼寧 沈陽 110101)

隨著人類社會的迅速發(fā)展，自然環(huán)境受到人類的干擾不斷加大，加之極端惡劣天氣，致使滑坡問題在邊坡工程中日益顯著。目前，已有大量學(xué)者針對非飽和土邊坡的穩(wěn)定性展開了研究。許方領(lǐng)[1]通過建立二維邊坡有限元模型，針對降雨條件下邊坡滲流場、應(yīng)力場和位移場的變化規(guī)律進(jìn)行研究，為非飽和土邊坡的工程設(shè)計提供參考。柴軍瑞[2]通過有限元數(shù)值理論，建立非飽和土邊坡的滲流-應(yīng)力數(shù)學(xué)模型，針對壩體內(nèi)的滲流場與應(yīng)力場變化關(guān)系進(jìn)行研究。Sammori T等[3]通過簡化畢肖普法建立滲流方程，利用有限元方法對邊坡滲流問題進(jìn)行模擬，并對邊坡失穩(wěn)的誘因進(jìn)行敏感性分析。陳曉平等[4]以某地工程為研究對象，建立有限元數(shù)值模型，對比分析土壩穩(wěn)定性在滲流場與應(yīng)力場在耦合作用下的變化規(guī)律。李筱艷等[5]通過實地監(jiān)測，根據(jù)實際工程情況，建立理論分析模型，研究分析基坑變形的實測結(jié)果與理論推導(dǎo)得到的預(yù)測結(jié)果是否吻合。陳善雄等[6]采用考慮了土體含水率變化的簡布法，將土體抗剪強(qiáng)度視為邊坡土體飽和度的函數(shù)，研究分析在降雨條件下邊坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律。Paolo Paronuzzi[7]通過有限元軟件，建立滲流-應(yīng)力邊坡模型，并考慮滲流場和應(yīng)力場的耦合作用，對引發(fā)邊坡失穩(wěn)的因素進(jìn)行研究分析。湯卓等[8]依據(jù)實際工況，利用有限元模擬方法建立模型，分析在流固耦合作用下尾礦庫滲流場與應(yīng)力場的相互關(guān)系。包承綱[9]通過極限平衡方法，以膨脹土為研究對象，研究分析邊坡土體內(nèi)部的基質(zhì)吸力在不同浸潤條件下的變化規(guī)律。

綜合上述研究成果，本研究以某地邊坡為研究對象，利用有限元模擬軟件建立邊坡模型，研究不同降雨強(qiáng)度下的邊坡土體孔隙水壓力、體積含水率以及位移的變化規(guī)律，分析非飽和土體滲流特性對邊坡穩(wěn)定性的影響。

1 工程概況

本研究以某地區(qū)滑坡工程為依托，該地降雨條件充沛，導(dǎo)致多處邊坡發(fā)生淺層滑坡，通過顆分試驗、直剪試驗等室內(nèi)土工試驗，獲得以下邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

表1 邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)

2 模型建立

本研究利用Geo-studio有限元軟件，建立非飽和邊坡數(shù)值模型，其坡度為60°，坡高為10 m，如圖1所示。土體采用理想彈塑性材料，并服從摩爾-庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則，模型的左右邊界水頭設(shè)為5 m、6 m，水頭以上部分和邊坡底部均為零流量邊界，邊坡表面則采用單位流量邊界，通過改變單位流量來實現(xiàn)雨強(qiáng)大小。模型采用三角形、四邊形單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共包含了2210個節(jié)點和1980個單元。

圖1 邊坡模型示意圖(單位：m)

模擬工況的降雨時長為3 d，降雨強(qiáng)度分別為25 mm/d、50 mm/d、75 mm/d和100 mm/d，以此對比研究不同雨強(qiáng)下邊坡的體積含水率、孔隙水壓力、剪應(yīng)力和位移的變化規(guī)律。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 邊坡孔隙水壓力的變化規(guī)律

由圖2可知，不同雨強(qiáng)下邊坡孔隙水壓力的變化規(guī)律大體相同，在降雨初期邊坡淺層土體率先反應(yīng)，其孔隙水壓力隨著雨水的入滲不斷增大，通過孔隙水壓力云圖也可以發(fā)現(xiàn)邊坡內(nèi)部飽和區(qū)域也呈逐漸擴(kuò)大趨勢，而非飽和區(qū)域反之縮小。在同一降雨時長下，隨著降雨強(qiáng)度的增大，明顯發(fā)現(xiàn)邊坡土體的孔隙水壓力變化范圍也逐漸增大，基本呈現(xiàn)出100 mm/d>75 mm/d>50 mm/d>25 mm/d 的規(guī)律。同時，由于各個工況下降雨時長均為3 d，因此當(dāng)降雨強(qiáng)度較大時其對應(yīng)的降雨量也較大，通過觀察雨強(qiáng)為100 mm/d的云圖可以發(fā)現(xiàn)，邊坡坡腳處孔隙水壓力和地下水位線存在一定程度的抬升現(xiàn)象。

圖2 不同降雨強(qiáng)度下邊坡孔隙水壓力分布圖(單位：kPa)

圖3為不同降雨強(qiáng)度下邊坡孔隙水壓力變化曲線圖，通過以截面A-A′為研究對象，可以發(fā)現(xiàn)整體上與坡面的距離越近其對應(yīng)的孔隙水壓力變化越大，即邊坡深處孔隙水壓力要比淺層更加穩(wěn)定。當(dāng)降雨強(qiáng)度為25 mm/d時，邊坡內(nèi)部受雨水入滲影響的土體孔隙水壓力變化高度約為2.5 m，而當(dāng)降雨強(qiáng)度為100 mm/d時，受雨水入滲影響的土體孔隙水壓力變化高度可達(dá)到5 m，并且對比其他兩個雨強(qiáng)工況下的受影響高度，可以明顯發(fā)現(xiàn)其影響高度隨著雨強(qiáng)的增大而增大。此外，隨著降雨強(qiáng)度的增大，對應(yīng)的孔隙水壓力變化幅度也逐漸增大，其中當(dāng)降雨強(qiáng)度為25 mm/d時，邊坡土體孔隙水壓力處于-50～-130 kPa范圍內(nèi)浮動，而當(dāng)降雨強(qiáng)度為100 mm/d時，邊坡土體孔隙水壓力處于-10～-140 kPa范圍內(nèi)浮動，對比分析可知其變化范圍顯著增大。

圖3 不同降雨強(qiáng)度下邊坡孔隙水壓力變化曲線圖

3.2 邊坡體積含水率的變化規(guī)律

通過圖4可知，整體上，邊坡土體的體積含水率與孔隙水壓力變化規(guī)律相似，在降雨過程中邊坡淺層土體反應(yīng)較大，邊坡土體的體積含水率隨著降雨強(qiáng)度的增大而增大，可以按照如下排序：100 mm/d>75 mm/d>50 mm/d>25 mm/d。其中，當(dāng)降雨強(qiáng)度為100 mm/d時，經(jīng)歷降雨歷時3 d 后，邊坡內(nèi)部非飽和區(qū)域(即淺色區(qū)域)的上方形成了近乎飽和的滯水帶，并且在邊坡坡腳處土體的0.22體積含水率等值線呈逐步抬升趨勢，相比較其他降雨條件下更為明顯。

圖4 不同降雨強(qiáng)度下邊坡體積含水率分布圖

3.3 邊坡剪應(yīng)力的變化規(guī)律

由不同降雨強(qiáng)度下邊坡土體剪應(yīng)力變化云圖可知(見圖5)，在降雨過程中，受到雨水的不斷入滲，邊坡坡腳處的應(yīng)力集中現(xiàn)象顯著，隨著降雨強(qiáng)度的增大，坡腳處的剪應(yīng)力分布范圍逐步擴(kuò)散，且剪應(yīng)力最大值也增大。當(dāng)降雨為25 mm/d時，邊坡剪應(yīng)力最大值達(dá)到75 kPa；當(dāng)降雨為50 mm/d時，邊坡剪應(yīng)力最大值達(dá)到80 kPa；當(dāng)降雨為75 mm/d 時，邊坡剪應(yīng)力最大值達(dá)到85 kPa；當(dāng)降雨為100 mm/d時，邊坡剪應(yīng)力最大值達(dá)到90 kPa。由于剪應(yīng)力的增大會破壞邊坡的穩(wěn)定性，由此可見坡腳處的破壞極易引發(fā)邊坡失穩(wěn)，并且強(qiáng)降雨條件是誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的主要因素之一，需要重點研究關(guān)注。

圖5 不同降雨強(qiáng)度下邊坡土體剪應(yīng)力變化圖(單位：kPa)

3.4 邊坡土體剪應(yīng)變和位移的變化規(guī)律

通過不同降雨強(qiáng)度下邊坡土體剪應(yīng)變云圖(見圖6)，結(jié)合邊坡位移變化曲線圖(見圖7)，可以發(fā)現(xiàn)在降雨歷時為3 d的工況下，隨著降雨強(qiáng)度的增大，邊坡淺層土體的剪應(yīng)變和位移變化也增大，其中當(dāng)降雨強(qiáng)度為25 mm/d時，邊坡剪應(yīng)變覆蓋范圍較廣，但數(shù)值相對較??；當(dāng)降雨強(qiáng)度逐漸增加至100 mm/d 時，可以明顯發(fā)現(xiàn)邊坡土體剪應(yīng)變逐步向坡內(nèi)延拓，尤其在應(yīng)力集中明顯的坡腳處，剪應(yīng)變的增長會造成邊坡失穩(wěn)的加劇。

圖6 不同降雨強(qiáng)度下邊坡土體剪應(yīng)變變化圖

圖7 不同降雨強(qiáng)度下邊坡土體位移變化圖

3.5 邊坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律

針對相同降雨時長而不同降雨強(qiáng)度工況下的邊坡穩(wěn)定性研究，綜合上述各個云圖，由于降雨強(qiáng)度的增大，相同時間內(nèi)降雨入滲量對應(yīng)增大，由于雨水入滲邊坡內(nèi)部，導(dǎo)致邊坡非飽和土體的體積含水率逐漸增加，導(dǎo)致其基質(zhì)吸力降低，基于非飽和土強(qiáng)度理論可知，基質(zhì)吸力的衰減會在一定程度上減弱土體的抗剪強(qiáng)度，因此其邊坡穩(wěn)定系數(shù)會隨著降雨強(qiáng)度的增加而降低，并且對應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)曲線變化幅度也會擴(kuò)大(見圖8)。

圖8 不同降雨強(qiáng)度下邊坡穩(wěn)定性變化圖

4 結(jié) 論

本研究通過Geo-studio有限元數(shù)值模擬軟件建立模型，研究分析非飽和土體滲流特性對邊坡穩(wěn)定性的影響，主要得出以下幾條結(jié)論：

(1)在同一降雨時長下，隨著降雨強(qiáng)度的增大，明顯發(fā)現(xiàn)邊坡土體的孔隙水壓力變化范圍和幅度也逐漸增大，基本呈現(xiàn)出100 mm/d>75 mm/d>50 mm/d>25 mm/d的規(guī)律。

(2)邊坡土體的體積含水率與孔隙水壓力變化規(guī)律相似，在降雨過程中邊坡淺層土體反應(yīng)較大，邊坡土體的體積含水率隨著降雨強(qiáng)度的增大而增大，當(dāng)降雨強(qiáng)度為100 mm/d時，邊坡內(nèi)部非飽和區(qū)域上方形成近乎飽和的滯水帶，并且在坡腳處土體的體積含水率呈逐步抬升趨勢。

(3)在降雨過程中，受到雨水的不斷入滲，坡腳處的應(yīng)力集中現(xiàn)象顯著，隨著降雨強(qiáng)度的增大，坡腳處的剪應(yīng)力分布范圍逐步擴(kuò)散，且剪應(yīng)力最大值也在增大。

(4)隨著降雨強(qiáng)度的增大，邊坡淺層土體的剪應(yīng)變和位移變化也越大，邊坡土體剪應(yīng)變逐步向坡內(nèi)延拓，尤其在應(yīng)力集中明顯的坡腳處，剪應(yīng)變的增長會造成邊坡失穩(wěn)的加劇。