降雨對(duì)基覆邊坡穩(wěn)定性的影響研究

王 緒

（遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,遼寧 沈陽(yáng) 110000）

1 引言

降雨時(shí)常會(huì)導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)[1]。在我國(guó)每到梅雨季節(jié)時(shí)常會(huì)發(fā)生邊坡滑坡,造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[2]。一些學(xué)者研究表明,邊坡失穩(wěn)存在多種破壞模式,但大多取決于坡趾部位土體的飽和程度[3]。有學(xué)者提出失穩(wěn)邊坡的土體內(nèi)部孔隙水壓力極高,可能是造成邊坡失穩(wěn)的主要原因[4]。

在實(shí)際工程中,基覆型邊坡的基覆界面形狀各不相同,因此本文采用兩段直線組合的方式來(lái)模擬典型工況[5],以代表基覆型邊坡的一般形態(tài)。通過(guò)這種方式,研究不同階段邊坡的承載力變化規(guī)律,以及雨后邊坡失穩(wěn)的機(jī)制和特征。

2 建模方案

依托遼寧省某工程項(xiàng)目,利用數(shù)值模擬技術(shù)模擬邊坡在降雨作用下的穩(wěn)定性和承載力變化規(guī)律。裝置由不銹鋼和有機(jī)玻璃板組成,有機(jī)玻璃板為側(cè)面,銹鋼板為底部,地板上鋪設(shè)粗糙度不同的泡沫板材,用于模擬界面粗糙度。邊坡模型長(zhǎng)1.8 m,寬0.3 m,高1.2 m,見(jiàn)圖1。

圖1 邊坡模型圖

本文采用數(shù)值技術(shù)模擬降雨,控制出水閥門(mén)與水泵控制降雨強(qiáng)度,降雨強(qiáng)度采用雨量計(jì)記錄。根據(jù)描述,降雨強(qiáng)度為Ir=21.96 mm/h,屬于暴雨級(jí)別。通過(guò)模擬不同時(shí)間內(nèi)的靜荷載作用,研究降雨對(duì)邊坡承載能力的影響以及對(duì)應(yīng)出現(xiàn)的破壞模式。

表1 列出了模擬時(shí)不同質(zhì)量含水率下的砂土抗剪強(qiáng)度指標(biāo),其中包括干燥狀態(tài)下的強(qiáng)度,以及不同含水率下的強(qiáng)度指標(biāo)。

表1 基本參數(shù)

圖2 和圖3 分別展示了干燥狀態(tài)下和不同含水率下砂土的剪切強(qiáng)度與有效正應(yīng)力的關(guān)系曲線。從圖中可以看出,在不同質(zhì)量含水率下,砂土的剪切強(qiáng)度隨著有效正應(yīng)力的增加而不斷增加,但在相同的有效正應(yīng)力下,隨著含水率的增加,砂土的剪切強(qiáng)度逐漸降低,說(shuō)明非飽和狀態(tài)下的砂土的抗剪強(qiáng)度受到了含水率的顯著影響。

圖2 砂土黏聚力與內(nèi)摩擦角與飽和度的關(guān)系

圖3 粒徑級(jí)配

觀察圖2、圖3 可知隨著飽和度的增加,所用的砂土的表觀黏聚力,呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。這是因?yàn)樵诘惋柡投葧r(shí),毛細(xì)水壓力作用較弱,表觀黏聚力較小；隨著飽和度的增加,毛細(xì)水壓力作用增強(qiáng),表觀黏聚力也隨之增大,但當(dāng)砂土達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí),毛細(xì)水壓力作用達(dá)到最大值,此后隨著飽和度的增加,毛細(xì)水壓力作用反而減小,表觀黏聚力也相應(yīng)減小。砂土內(nèi)摩擦角與土體飽和度的變化呈負(fù)相關(guān),水在土顆粒間起到潤(rùn)滑作用,含水率上升包裹土顆粒的水膜變厚,顆粒間的摩擦阻力減小。

根據(jù)提供的信息,可以計(jì)算得到砂土的孔隙比和飽和度,分別為孔隙比0.429,飽和度0.29。其中,顆粒密度取砂的密度,一般認(rèn)為2.65 g/cm3。持水量指砂土最大干密度與最小干密度差值的體積含水量,根據(jù)砂土飽和滲透系數(shù)為0.00031 m/s,可以判斷該砂土的滲透能力較差。根據(jù)粒徑級(jí)配曲線,可知該砂土為粗砂,顆粒分布相對(duì)均勻,1.002 的曲率系數(shù)說(shuō)明該土的級(jí)配連續(xù)。

本文采用記錄含水率和孔隙水壓力的方式進(jìn)行參數(shù)分析。在模型的側(cè)面設(shè)置白砂,標(biāo)記初始標(biāo)識(shí)線,邊坡出現(xiàn)變形后,白砂條帶出現(xiàn)了顯著的偏離,可以檢測(cè)到邊坡變形情況。測(cè)點(diǎn)包括孔隙水壓力測(cè)點(diǎn)P1～P6和含水率測(cè)點(diǎn)W1～W6,對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)為1～5。測(cè)點(diǎn)的布置見(jiàn)圖4。

圖4 儀器布置圖

本文采用的砂土含水率為5%,進(jìn)行分層填筑的邊坡模型建造,填筑厚度均每層小于5 cm,并逐層夯實(shí)。本文采用環(huán)刀測(cè)試夯實(shí)土體的密度和夯后含水率,然后計(jì)算土體的干密度,通過(guò)反算得到人工邊坡的體積。夯土邊坡的相對(duì)密度為0.16,土體相對(duì)疏松。完成夯土邊坡后靜置24 小時(shí),之后進(jìn)行模擬降雨,在降雨完成后進(jìn)行坡頂加載,記錄監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

本文的目的是研究降雨時(shí)基覆型邊坡的失穩(wěn)特征和極限承載力,分析邊坡內(nèi)部孔隙水壓和含水率對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。共設(shè)置了6 種工況（詳見(jiàn)表2）?；矊酉虏?jī)A角14°,上部?jī)A角52°。

表2 工況設(shè)計(jì)

根據(jù)表1 中不同的質(zhì)量含水率,可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)的邊坡模型的安全系數(shù)理論值,并在表3 中進(jìn)行展示。從表格中可以看出,隨著坡內(nèi)土顆粒質(zhì)量含水率的增加,邊坡的安全系數(shù)經(jīng)歷了先增加后減小的變化趨勢(shì)。

表3 理論安全系數(shù)

3 結(jié)果與分析

3.1 降雨前后土體孔隙水壓力與含水率變化

邊坡失穩(wěn)與坡內(nèi)含水率和孔隙水壓力的改變密切相關(guān)。圖5 和圖6 展示了坡內(nèi)土顆粒在降雨過(guò)程中隨時(shí)間變化孔隙水壓力和體積含水率變化情況。根據(jù)圖5,坡內(nèi)土體的含水率逐漸增加,坡體安全系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),下部坡體的含水率先開(kāi)始增長(zhǎng)。

圖5 孔隙水壓力與體積含水率隨時(shí)間變化曲線

根據(jù)含水率變化圖像可以看出,測(cè)點(diǎn)3、4、5 的含水率均小于飽和含水率,坡內(nèi)土體未能飽和。而測(cè)點(diǎn)1、2、6 處,土壤處于飽和狀態(tài)。由此可以看出,在降雨過(guò)程中時(shí),水位線在坡體內(nèi)部的中下部,表明雨水在坡腳率先聚集。隨著降雨的持續(xù),中部邊坡和上部邊坡的土壤含水率逐漸增加（見(jiàn)圖6）,雨水會(huì)從各個(gè)角度通過(guò)土顆粒間的通道匯聚至坡腳,然后坡內(nèi)的水位線會(huì)從下至上緩緩上升到坡中位置（見(jiàn)圖6）。坡腳土體最先飽和,因此最先破壞發(fā)生破壞。

根據(jù)圖6（a）,可以看出降雨停止后,邊坡內(nèi)部的土體含水率開(kāi)始下降。其中,邊坡上部（W5、W4）的土壤含水率最先下降,最終穩(wěn)定在約17%。邊坡下部土體表面（W6）開(kāi)始快速下降,最終穩(wěn)定在約33%。與邊坡表層土體和上部土體不同,坡角與基礎(chǔ)覆蓋層的接觸位置土體的含水率下降速度緩慢。因此,在降雨停止后較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi),內(nèi)部土體的水位線仍會(huì)逐漸下降。盡管在坡腳和界面接觸處仍有殘余水分存在,但測(cè)點(diǎn)1、2、3 的含水率保持在飽和狀態(tài)上下,含水率的時(shí)程發(fā)展規(guī)律也趨于穩(wěn)定。

根據(jù)圖7 和圖5,可以看出在降雨初期各測(cè)點(diǎn)的孔隙水壓力值基本沒(méi)有變化。隨著降雨時(shí)間的延長(zhǎng),坡體內(nèi)部各個(gè)測(cè)點(diǎn)孔隙水壓按由外向里的趨勢(shì)依次增加,中下部邊坡的孔隙水壓最先達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),并出現(xiàn)正峰,這說(shuō)明降雨過(guò)程中坡內(nèi)土顆粒的水位線由下而上逐漸上升至邊中,在前面已經(jīng)得到驗(yàn)證。但邊中部位的孔隙水壓的峰值均為負(fù),說(shuō)明在降雨時(shí)坡中部分土體尚未飽和。根據(jù)圖7（b）發(fā)現(xiàn),各測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力值均發(fā)生變化。坡體上部測(cè)點(diǎn)4、5 的孔隙水壓下降十分迅速；坡體中下部土體的孔隙水壓呈逐漸減小趨勢(shì),但下降速率較上部更緩慢。坡腳處的孔隙水壓下降最慢。

圖7 邊坡內(nèi)孔隙水壓力不同時(shí)刻的空間分布

綜上分析,坡內(nèi)土顆粒在降雨過(guò)程中的含水率與坡內(nèi)孔隙水壓力變化呈正相關(guān)。含水率與孔隙水壓力的增大同步；穩(wěn)定的孔隙水壓伴隨含水率的穩(wěn)定。

3.2 邊坡失穩(wěn)機(jī)制

此外,從孔隙水壓力的變化可以看出,降雨過(guò)程中坡內(nèi)土顆粒含水率與孔隙水壓力呈正相關(guān)發(fā)展,幾乎保持同增同減的變化趨勢(shì)。因此,在邊坡的安全評(píng)估和防護(hù)設(shè)計(jì)中,需要考慮土體含水率和孔隙水壓力的影響,采取有效措施控制水分的滲透和排泄,降低孔隙水壓力的影響,保證邊坡的穩(wěn)定性和安全性。

3.3 停雨后邊坡極限承載力及破壞模式

根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果,降雨停止后邊坡的極限承載力會(huì)發(fā)生變化,與邊坡內(nèi)部水分的流失、孔隙水壓下降、基質(zhì)吸力增大密切相關(guān)。隨著降雨時(shí)間的推移,邊坡內(nèi)部水分的流失后,坡體含水率下降,孔隙水壓減小,基質(zhì)吸力驟增,進(jìn)而提高坡體的抗剪強(qiáng)度,從而邊坡的承載力會(huì)相應(yīng)地增加。

如圖8,在坡部施加靜荷載發(fā)生的邊坡失穩(wěn)可以總結(jié)為兩類,一是整體滑移,二是局部滑移,其中邊坡滑移面出現(xiàn)在基覆界面附近或中上部位置。然而,隨著時(shí)間的推移和水分的流失,邊坡內(nèi)部的土體會(huì)發(fā)生變化,最終導(dǎo)致邊坡出現(xiàn)局部滑移,坡體的中上部出現(xiàn)破壞面,并沿基覆接觸面滑動(dòng),然后在坡體中下部位向內(nèi)部發(fā)展,最后在坡腳上部位置發(fā)生剪切破壞。

圖8 破壞圖

因此,對(duì)于實(shí)際工程,需要在設(shè)計(jì)邊坡時(shí)考慮到邊坡的水文地質(zhì)特征,并在降雨停止后及時(shí)進(jìn)行評(píng)估和監(jiān)測(cè),以確保邊坡的穩(wěn)定性和安全性。同時(shí),在邊坡的監(jiān)測(cè)和評(píng)估中,需要關(guān)注邊坡內(nèi)部水體的變化,及時(shí)采取措施降低水體對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響,保證邊坡的承載力和安全性。

4 結(jié)論

本文模擬降雨環(huán)境對(duì)基覆型邊坡的雨后承載能力變化以及失穩(wěn)模式進(jìn)行了探究,研究發(fā)現(xiàn)：

（1）坡內(nèi)土體的含水率逐漸增加,坡體安全系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。

（2）降雨過(guò)程中,邊坡表面的含水率先上升,降雨持續(xù)進(jìn)行,含水率逐漸保持穩(wěn)定,坡體內(nèi)部的土體含水率開(kāi)始以由外向內(nèi)的趨勢(shì)增長(zhǎng)。

（3）在邊坡的安全評(píng)估和防護(hù)設(shè)計(jì)中,需要考慮土體含水率和孔隙水壓力的影響,采取有效措施控制水分的滲透和排泄,降低孔隙水壓力的影響。

（4）對(duì)于實(shí)際工程,需要在設(shè)計(jì)邊坡時(shí)考慮到邊坡的水文地質(zhì)特征,并在降雨停止后及時(shí)進(jìn)行評(píng)估和監(jiān)測(cè),以確保邊坡的穩(wěn)定性和安全性。