降雨入滲對路塹邊坡穩(wěn)定性的影響分析

朱志廣 肖成明 唐林強(qiáng)

（廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023）

0 引言

邊坡失穩(wěn)形成滑坡災(zāi)害已成為我國常見的地質(zhì)災(zāi)害。據(jù)統(tǒng)計，在2005～2020年間，廣西境內(nèi)由降雨誘發(fā)的滑坡地質(zhì)災(zāi)害占總滑坡災(zāi)害數(shù)量的84.42%，由此可見，降雨成為誘發(fā)邊坡失穩(wěn)導(dǎo)致滑坡的重要影響因素，對降雨入滲對邊坡穩(wěn)定性影響的研究具有重要意義。

1 雨水入滲穩(wěn)定滲流基本理論

降雨入滲對邊坡穩(wěn)定性影響是非常廣泛的，也是非常復(fù)雜的，應(yīng)把降雨入滲的邊坡當(dāng)作一個平面問題去分析[2]，降雨入滲形成穩(wěn)定滲流的分析如下：

降雨單位時間流入土體單元的水量為：

則降雨單位時間流出土體單元的水量為：

根據(jù)水的連續(xù)性原理，單位土體的水滲入量等于流出量，即dq=dq0可以化簡為：

式中：Vx——x軸方向的流速；

Vz——z軸方向的流速；

KX——x軸方向的滲透系數(shù)；

KZ——z軸方向的滲透系數(shù)；

由此可以測定土體的水平滲透系數(shù)KX和豎向滲透系數(shù)KZ以及滲流的邊界條件，就可以計算出雨水在土體中的滲流問題。

2 工程案例分析

以某高速路邊坡為例，該路塹邊坡左側(cè)開挖高度最高約37m，右側(cè)開挖高度最高約17m，分級開挖，每級高度10m。坡面采用1.00∶1.00～1.00∶1.25的坡率放坡；采用拱形骨架護(hù)坡。該邊坡在施工過程中，受強(qiáng)降雨和新形成的臨空面的影響，出現(xiàn)滑坡，滑動范圍最遠(yuǎn)處距離路基中線約100m，滑坡前緣位于路塹邊坡坡面，高程約345m，后緣位于半山腰，高程379m，前后緣高差約34m，主力軸長約90m，面積約1.1×104m2，滑坡體厚度3～15m，體積約8×104m3，屬順層中型牽引式中層滑坡。據(jù)現(xiàn)場施工單位反映，7月初部分邊坡混凝土骨架已經(jīng)施工，該路塹邊坡發(fā)現(xiàn)一些細(xì)小裂縫，經(jīng)大雨后裂縫有所發(fā)展，經(jīng)過連續(xù)幾天的暴雨后，邊坡裂縫貫通呈圈椅狀滑坡，見圖1所示。

圖1 滑坡的概貌

2.1 巖土物理力學(xué)參數(shù)分析

本文選用該邊坡詳勘階段的土工試驗作為未降雨前土體的物理力學(xué)參數(shù)，該邊坡滑動后，重新進(jìn)行勘察，以滑坡后土工試驗作為降雨后土體的物理力學(xué)參數(shù)，依據(jù)現(xiàn)場試驗及土工試驗結(jié)果，該滑坡前后土體的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)對比見表1。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)表

2.2 降雨入滲流量Q推測計算

假設(shè)土體為各向同性，即滲透系數(shù)KX=KZ，根據(jù)達(dá)西定律以及降雨入滲穩(wěn)定滲流基本理論，降雨入滲流量Q的計算公式如下：

式中：A——匯水面積；

KX——x軸方向的滲透系數(shù)；

KZ——z軸方向的滲透系數(shù)；

i——水力坡降；

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，該滑坡匯水面積約1.1×104m2，滑坡體厚度3～15m，滲透系數(shù)KZ=0.05m∕d，受強(qiáng)降雨影響，滑坡體內(nèi)水力坡降為i=0.364，由此可以估算降雨入滲流量：

2.3 降雨前后邊坡的巖土體物理力學(xué)參數(shù)變化

降雨對邊坡穩(wěn)定影響主要在于降雨入滲，土體的含水率增大，對于正常固結(jié)黏性土，土體在剪切破壞時，含水率（或者密度）和強(qiáng)度間存在唯一性關(guān)系，與試驗的類型、排水條件和應(yīng)力路徑無關(guān)，這一規(guī)律就是亨開爾（Henkel D J）學(xué)者提出的密度（含水率）-有效應(yīng)力-抗剪強(qiáng)度的唯一性關(guān)系[1]。根據(jù)這個規(guī)律，某正常固結(jié)土體進(jìn)行含水率試驗和直剪試驗可以得出含水率與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系如下：

φw=φ0-βw

c0——干燥狀態(tài)下、土的粘聚力，kPa；

φ0——干燥狀態(tài)下、土的內(nèi)摩擦角，o；

wp——土的塑限；

α、β——含水率線性擬合系數(shù)，與土的性質(zhì)有關(guān)。

根據(jù)以上關(guān)系可以看出，當(dāng)土體含水量變化時，強(qiáng)度也隨之變化[3]，隨著含水率的增大，內(nèi)摩擦角逐漸減?。火ぞ哿ο仍龃螅ㄋ芟藓史秶┖鬁p小的關(guān)系。

2.4 降雨前后邊坡的穩(wěn)定系數(shù)

降雨前，邊坡未發(fā)生滑動，邊坡整體按巖土組合邊坡考慮，邊坡開挖后，邊坡上部土最可能出現(xiàn)的破壞模式為圓弧滑動破壞，采用Bishop法對邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性計算分析，計算結(jié)果如圖1所示。根據(jù)計算結(jié)果，邊坡在降雨前穩(wěn)定系數(shù)為1.23，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖1 降雨前邊坡的穩(wěn)定性分析

降雨對邊坡的穩(wěn)定性的影響主要有∶（1）雨水入滲導(dǎo)致的滲流作用使邊坡的下滑力增加；（2）隨著雨水入滲使得巖土體的抗剪強(qiáng)度降低或軟化[4]。本工程邊坡受降雨影響，上部殘積土由于雨水入滲坡體，含水率增大，且下伏基巖為相對隔水層，大部分雨水在基巖面附近匯集，基巖面附近的土體達(dá)到飽和狀態(tài)，基本處于軟塑狀態(tài)，抗剪強(qiáng)度急劇降低、軟化，形成滑帶，最終形成滑坡。根據(jù)滑動面的形態(tài)特征，采用基于極限平衡理論的折線型滑動面推力傳遞系數(shù)法對滑坡進(jìn)行穩(wěn)定性計算分析，穩(wěn)定系數(shù)為0.992，計算過程見表2。

表2 滑坡穩(wěn)定系數(shù)計算表

通過邊坡降雨前后穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行分析，降雨前，土體的含水率適中，抗剪強(qiáng)度較好，邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.23，由于強(qiáng)降雨的作用，雨水入滲坡體，遇到基巖相對隔水層在基巖面附近匯集，土體的含水率突然增大，呈軟塑狀態(tài)，抗剪強(qiáng)度急劇降低，最終導(dǎo)致該滑坡的形成。

3 結(jié)束語

本文以某高速公路邊坡為工程實際案例進(jìn)行分析，通過對比降雨前后滑坡土體的物理力學(xué)性質(zhì)變化，根據(jù)降雨入滲穩(wěn)定滲流基本理論推測該邊坡降雨入滲量，分析含水率與抗剪強(qiáng)度參數(shù)的關(guān)系，并對該邊坡降雨前后穩(wěn)定性進(jìn)行計算分析，總結(jié)降雨入滲對邊坡穩(wěn)定性影響，對降雨入滲坡體研究以及工程建設(shè)具有重要指導(dǎo)意義。