基于考慮含水率對土體抗剪強度參數(shù)影響的邊坡穩(wěn)定性分析

王存利 唐棟 李毅峰 蔣中明 王亞雄

摘? 要：降雨是誘發(fā)滑坡的關(guān)鍵因素，一般認為其致災(zāi)機理主要在于導(dǎo)致土體重度增加、孔隙水壓力提高及土的抗剪強度降低。然而在水的作用下，土體抗剪強度參數(shù)還存在一定的弱化現(xiàn)象，這對邊坡的穩(wěn)定性有一定的影響。該文以東嶺信滑坡為研究對象，基于對滑帶重塑土的直剪試驗，研究含水率對土體抗剪強度參數(shù)的影響，并基于GeoStudio軟件二次開發(fā)實現(xiàn)考慮含水率對土體抗剪強度參數(shù)影響的邊坡穩(wěn)定性分析。結(jié)果表明，抗剪強度參數(shù)隨含水率的增加而逐漸減小，滑帶土的黏聚力和內(nèi)摩擦角整體上均可與含水率擬合成線性關(guān)系。忽略水對巖土體抗剪強度參數(shù)的弱化作用會高估邊坡的穩(wěn)定性。研究結(jié)果對于進一步認識降雨誘發(fā)滑坡機理具有一定理論意義。

關(guān)鍵詞：非飽和土；邊坡穩(wěn)定；抗剪強度；含水率；數(shù)值模擬

中圖分類號：TU94+3.2? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）06-0061-04

Abstract： Rainfall is the key factor to induce landslides， and it is generally believed that the disaster mechanism mainly lies in the increase of soil weight， the increase of pore water pressure and the decrease of shear strength of soil. However， under the action of water， the shear strength parameters of soil still have a certain weakening phenomenon， which has a certain impact on the stability of the slope. Taking Donglingxin landslide as the research object， based on the direct shear test of remolded soil in sliding zone， the effect of water content on soil shear strength parameters is studied， and the slope stability analysis considering the effect of water content on soil shear strength parameters is realized based on the secondary development of GeoStudio software. The results show that the shear strength parameters decrease gradually with the increase of water content， and the cohesion and internal friction angle of sliding zone soil can be linearly related to water content as a whole. Ignoring the weakening effect of water on shear strength parameters of rock and soil will overestimate the stability of slope. The research results have certain theoretical significance for further understanding the mechanism of rainfall-induced landslides.

Keywords： unsaturated soil; slope stability; shear strength; water content; numerical simulation

受特殊的地質(zhì)地貌和氣候條件影響，我國是世界上受泥石流、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害危害最嚴重的國家之一[1]。大量的研究與工程實踐已證實，水對邊坡穩(wěn)定性的影響是非常顯著的[2]，其致災(zāi)機理主要在于邊坡內(nèi)巖土體含水率發(fā)生變化導(dǎo)致土體重度增加、孔隙水壓力提高及土的抗剪強度降低等[3]。

為準確計算邊坡穩(wěn)定性，眾多學(xué)者針對邊坡內(nèi)部含水率受降雨入滲影響的分布變化規(guī)律，通過不同的途徑開展了大量研究。潘永亮等[4]基于改進Green-Ampt模型，推導(dǎo)了可適用不同降雨的入滲函數(shù)，理想地描述了邊坡降雨入滲情況。靳紅華等[5]基于Chen-Yong改進模型，對具有兩級臺階的高切邊坡進行研究，揭示了高切邊坡在不同降雨工況下的內(nèi)部滲流場的演化規(guī)律。Tang等[6]基于三峽庫區(qū)實測降雨資料，研究了不同初始條件對不同土體邊坡穩(wěn)定性影響，建議了能夠反映邊坡含水狀態(tài)的初始條件選取方法。史振寧等[7]通過室內(nèi)一維降雨入滲模型試驗，研究了在考慮邊坡內(nèi)部初始含水率分布時，坡體內(nèi)部含水率在降雨入滲條件下的變化規(guī)律，為準確把握降雨入滲條件下坡體內(nèi)部滲流情況及邊坡穩(wěn)定性提供了理論依據(jù)。陳善雄等[8]基于極限平衡法，提出了一套考慮降雨入滲的非飽和土邊坡穩(wěn)定性分析方法。李寧等[9]基于有限元強度折減法，在ABAQUS有限元軟件中將土體抗剪強度參數(shù)設(shè)置為場變量的函數(shù)，對邊坡穩(wěn)定性進行分析。Tang等[10]基于簡化Bishop法和Janbu法，提出了考慮暫態(tài)飽和區(qū)的邊坡穩(wěn)定性分析方法。這些研究為邊坡穩(wěn)定性分析提供了重要參考，但忽略了水對巖土體抗剪強度參數(shù)的弱化作用，可能影響到邊坡穩(wěn)定性評估的準確性。

滑帶土是指在滑坡的發(fā)生和發(fā)展過程中遭受擠壓、剪切、搓揉和研磨，而在滑帶內(nèi)特定的物理化學(xué)條件下所形成的強度較低，呈可塑狀、軟塑狀甚至流塑狀的巖土體。其包含了多種黏土礦物成分，并沿滑坡面沉淀和聚集。滑帶土的含水率對其抗剪強度有著重要的影響[11]。

本文以東嶺信滑坡堆積體為研究對象，基于對滑帶重塑土的直剪試驗，研究含水率對土體抗剪強度參數(shù)的影響，并基于GeoStudio軟件二次開發(fā)實現(xiàn)了考慮含水率對土體抗剪強度參數(shù)影響的邊坡穩(wěn)定性分析。

1? 研究區(qū)概況

東嶺信滑坡堆積體位于三板溪水電站庫區(qū)上游的右側(cè)，為清水江河流“Z”字形轉(zhuǎn)彎段，堆積體部位在河段右岸呈弧形凸出。此處原河床江面狹窄，寬50～60 m，原河床水面高程約427 m，河床高程423 m左右。堆積體的北東、東側(cè)為三板溪水庫臨庫岸坡，北西側(cè)和南側(cè)為山脊，約高程700 m?？辈熨Y料顯示，東嶺信滑坡堆積體的地下水埋深較深。根據(jù)2019年4月至2022年4月連續(xù)3年DSW1、DSW2、DSW3和DSW4四個地下水位的監(jiān)測數(shù)據(jù)，即使在雨水充沛的季節(jié)，受降雨影響庫區(qū)水位出現(xiàn)上升，該地區(qū)的地下水位仍表現(xiàn)穩(wěn)定，受降雨影響很小（圖1）。

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，滑坡體滑帶處于邊坡體較深處，且整條滑帶沿地下水位分布，如圖2所示，滑帶的位置一般是邊坡土體抗剪強度較弱，抗滑力難以維持邊坡自身的穩(wěn)定。從圖2中可以清楚看到，整條滑帶完全處于地下水位之下，而滑帶下方是基巖，所以可以理解為滑帶是浸在水中的土體，以至于其抗剪強度參數(shù)很容易被水弱化。

2? 試驗研究

為研究含水率對滑帶土體抗剪強度參數(shù)的影響規(guī)律，在實驗室內(nèi)對滑帶土進行重塑制樣，通過直剪試驗測定不同含水率土體的抗剪強度參數(shù)，并用數(shù)學(xué)方法描述含水率與滑帶重塑土體抗剪強度參數(shù)的關(guān)系。

根據(jù)滑帶土的勘察分析報告，根據(jù)實測重塑滑帶土試樣的液限和塑限的結(jié)果，預(yù)設(shè)了5種含水率，分別為11%、13%、15%、17%和20%。按照GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》對不同含水率的各組滑帶重塑土樣進行直剪試驗，直剪儀的剪切速率設(shè)定為0.02 mm/min，最大剪切位移設(shè)定為4 mm。

試驗得到的不同含水率土體對應(yīng)的抗剪強度參數(shù)如圖3所示?？梢?，隨著含水率的增加，土樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角均呈現(xiàn)減小趨勢，并且具有良好的線性關(guān)系。其中黏聚力c的擬合公式為c=-1.006 ω+39.033，內(nèi)摩擦角?的擬合公式為?=-1.689 2ω+43.5，二者的擬合優(yōu)度均在0.9以上，擬合效果較好。

3? 數(shù)值模擬分析

本節(jié)將設(shè)置一個降雨案例，利用GeoStudio軟件的SEEP/W和SLOPE/W 2個模塊，實現(xiàn)分析降雨條件下考慮含水率對土體抗剪強度參數(shù)影響的邊坡穩(wěn)定性分析。

3.1? 數(shù)值模型

以東嶺信滑坡堆積體2-2剖面為基準建立數(shù)值分析模型，如圖4所示。模型包含穩(wěn)態(tài)滲流、瞬態(tài)滲流和邊坡穩(wěn)定分析3個部分，以穩(wěn)態(tài)滲流分析結(jié)果作為瞬態(tài)滲流分析的初始條件，邊坡穩(wěn)定性分析則基于瞬態(tài)滲流結(jié)果進行。

降雨工況選定為均勻型降雨，降雨強度為30 mm/d，屬于大雨等級，降雨歷時24 h，然后以模擬此工況的降雨為瞬態(tài)滲流分析的邊界條件，施加在模型地表面，得到此降雨工況作用下邊坡體內(nèi)部巖土體積含水量分布情況如圖5所示。經(jīng)分析，基巖以上的土體體積含水量等值線呈近似指數(shù)函數(shù)或直線函數(shù)形式分布，各等值線兩兩基本平行，并且隨著土體深度的增加相鄰2條曲線間的距離逐漸減小。

在本案例的降雨條件下，邊坡體基巖上部土體積含水量分布可以近似用數(shù)學(xué)的方式描述，具體數(shù)學(xué)關(guān)系式如式（1）所示

θ=0.000 45x+0.001 5y+0.835 5 ， （1）

式中：θ為體積含水量；x為橫坐標，y為縱坐標。

聯(lián)立含水率與滑帶重塑土體抗剪強度參數(shù)的數(shù)學(xué)模型和含水率與模型位置坐標的數(shù)學(xué)模型，建立滑帶土體抗剪強度參數(shù)與位置坐標的數(shù)學(xué)模型，如式（2）和式（3）所示，以確定該降雨工況下邊坡中某點土體抗剪強度參數(shù)。

c=-0.000 26x+0.000 88y+38.544 3 ， （2）

?=-0.000 44x+0.001 47y+42.679 4 ，（3）

式中：c為黏聚力，kPa；?為內(nèi)摩擦角°。

然后利用C#語言將上述建立的數(shù)學(xué)關(guān)系式寫成動態(tài)鏈接庫，放入軟件接口里，供SLOPE/W執(zhí)行程序在運行時調(diào)用。

3.2? 邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)以上考慮含水率對土體抗剪強度參數(shù)影響的方法，對邊坡穩(wěn)定性進行計算得到的安全系數(shù)為1.019；而不考慮含水率對邊坡土軟化的影響，邊坡的安全系數(shù)為1.240。不考慮含水率對土抗剪強度參數(shù)的影響，將高估邊坡的穩(wěn)定性。此外，對比圖6和圖7可以發(fā)現(xiàn)，考慮水對邊坡土的軟化作用時，邊坡的最危險滑移面是發(fā)生在滑帶位置處的；而未考慮水對邊坡土的軟化作用時，邊坡的最危險滑移面是發(fā)生在滑帶位置以上的土層的?？梢姡紤]水對土體的軟化作用時，邊坡的最危險滑移面發(fā)生位置較深，這也與東嶺信滑坡堆積體的勘察資料更一致。所以，考慮含水率對土體抗剪強度參數(shù)的影響，可以有效提高利用數(shù)值模擬分析非飽和土坡穩(wěn)定性的準確性。

4? 結(jié)論

1）滑帶土室內(nèi)慢剪試驗成果表明，隨著含水率的增加，土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角均呈現(xiàn)減小趨勢，并且具有良好的線性關(guān)系。

2）基于GeoStudio軟件二次開發(fā)實現(xiàn)了考慮含水率對土體抗剪強度參數(shù)影響的邊坡穩(wěn)定性分析。結(jié)果表明，忽略水對巖土體抗剪強度參數(shù)的弱化作用會高估邊坡的穩(wěn)定性?？紤]水對土體的軟化作用時，邊坡的最危險滑移面發(fā)生位置更深，數(shù)值模擬的結(jié)果與勘察資料更接近。進行非飽和土邊坡穩(wěn)定性分析時，考慮含水率對土體抗剪強度參數(shù)的影響是非常有必要的。

參考文獻：

[1] 唐棟，李典慶，周創(chuàng)兵，等.考慮前期降雨過程的邊坡穩(wěn)定性分析[J].巖土力學(xué)，2013，34（11）：3239-3248.

[2] 蘇永華，李誠誠.強降雨下基于Green-Ampt模型的邊坡穩(wěn)定性分析[J].巖土力學(xué)，2020，41（2）：389-398.

[3] 楊世豪，蘇立君，張崇磊，等.強降雨作用下昔格達邊坡滲流特性及穩(wěn)定性分析[J].土木與環(huán)境工程學(xué)報（中英文），2020，42（4）：19-27.

[4] 潘永亮，簡文星，李林均，等.基于改進Green-Ampt模型的花崗巖殘積土邊坡降雨入滲規(guī)律研究[J].巖土力學(xué)，2020，41（8）：2685-2692.

[5] 靳紅華，王林峰，任青陽，等.基于Chen-Young模型及不平衡推力法的降雨型高切坡穩(wěn)定性演化過程分析[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2022，41（5）：107-117.

[6] TANG D，LI D， CAO Z. Slope stability analysis in the Three Gorges Reservoir Area considering effect of antecedent rainfall[J].Georisk： Assessment and Management of Risk for Engineered Systems and Geohazards，2017，11（2）：161-172.

[7] 史振寧，戚雙星，劉登生.考慮初始含水率分布的覆蓋層邊坡非飽和入滲過程與穩(wěn)定性計算方法[J].工程地質(zhì)學(xué)報，2022，30（4）：999-1009.

[8] 陳善雄，陳守義.考慮降雨的非飽和土邊坡穩(wěn)定性分析方法[J].巖土力學(xué)，2001（4）：447-450.

[9] 李寧，許建聰.基于場變量的邊坡穩(wěn)定分析有限元強度折減法[J].巖土力學(xué)，2012，33（1）：314-318.

[10] TANG D， JIANG Z， YUAN T， et al. Stability Analysis of Soil Slope Subjected to Perched Water Condition[J].Ksce Journal of Civil Engineering，2020，24（9）：2581-2590.

[11] 苗發(fā)盛，趙帆程，吳益平，等.基于滲透-環(huán)剪試驗的三峽庫區(qū)童家坪滑坡滑帶土強度特性研究[J].巖土工程學(xué)報，2023，45（7）：1480-1489.