降雨條件下某土質(zhì)公路邊坡的穩(wěn)定性分析

摘要 降雨是影響邊坡穩(wěn)定性的重要原因。該文以山西在建公路的土壤邊坡為研究對(duì)象，分析降雨作用下邊坡內(nèi)孔隙水壓力、應(yīng)力及位移的變化，計(jì)算其穩(wěn)定性系數(shù)。根據(jù)降雨強(qiáng)度和降雨時(shí)間與土壤滲透率之間的關(guān)系，確定降雨邊界條件。通過SEEP/W模塊和SIGMA/W模塊分析了降雨條件下邊坡應(yīng)力與位移的變化，并利用SLOPE/W求解了邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。結(jié)果表明：降雨時(shí)間與邊坡穩(wěn)定性密切相關(guān)，不同降雨時(shí)間邊坡水位線變化和孔隙水壓變化不同，下坡滑動(dòng)面從裂縫連接到巖土交界處。隨著降雨時(shí)間的增加，土體內(nèi)部的應(yīng)力和邊坡的位移變化越來越大。距離坡腳約1/2處的坡面范圍是位移最明顯部位，需重點(diǎn)關(guān)注。降雨下邊坡的處理措施主要包括：裂縫處理和坡排水措施、設(shè)置支撐工程、優(yōu)化邊坡率、保護(hù)邊坡腳和坡頂、監(jiān)測(cè)邊坡。該文的研究成果旨在為類似的工程項(xiàng)目提供參考。

關(guān)鍵詞 降雨條件；土質(zhì)邊坡；穩(wěn)定性；滑動(dòng)面

中圖分類號(hào) U416 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）21-0145-03

0 引言

我國山西地區(qū)年降雨量集中在夏季，降雨量大，降雨時(shí)間長。在公路建設(shè)過程中，開挖會(huì)導(dǎo)致邊坡不穩(wěn)定[1-2]或穩(wěn)定性降低[3]。在降雨的作用下，邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)一步降低，嚴(yán)重影響工程進(jìn)度和周邊人員的人身財(cái)產(chǎn)安全[4-5]，降雨滲透作為邊坡失穩(wěn)的重要誘因引起了人們的關(guān)注。因此，研究降雨條件下邊坡水位線和孔隙水壓力的變化，對(duì)邊坡的防護(hù)和處理具有理論和實(shí)際意義。

該文以山西省大同市粉末黏土邊坡為研究對(duì)象，以邊坡破壞的降雨特性和地下水位為邊界條件，分析了降雨下邊坡水位線和穩(wěn)定性系數(shù)的變化?；贕EO-STUDIO的SEEP/W模塊模擬降雨下坡度水位線和孔隙水壓的變化，并根據(jù)模擬結(jié)果提出相應(yīng)的坡度處理措施，為類似工程提供參考。

1 研究區(qū)概況

該文研究區(qū)域位于大同盆地，該區(qū)域?qū)俅箨懶园敫珊禋夂騾^(qū)。氣候干燥，雨水少，風(fēng)沙多，晝夜溫差大，日照充足。年平均氣溫為6.5～7.5℃，歷年最高氣溫為38.3℃，最低氣溫為?37.3℃，無霜期為120 d，最大凍土深度為1.0～1.8 m，平均風(fēng)速3.0 m/s，最大風(fēng)速可達(dá)14～16 m/s。

該區(qū)域多年平均降水量為363～414 mm，周邊山區(qū)多于盆地中心。渾源縣和朔州市多年平均降水量大于400 mm，其余地區(qū)均小于400 mm。降水量年內(nèi)分布不均勻，夏季（6—9月）降水量最大，占年降水量的74%～79%；冬季（12—2月）降水量最小，僅占年降水量的1.5%～3%；春季（3—5月）降水量約占年降水量的15%；秋季（10—11月）降水量占年降水量的6%～8%。

2 邊坡模型

根據(jù)地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)和現(xiàn)場滑坡情況，研究區(qū)滑坡的主要原因是降雨和地下水。因此，該文將考慮降雨和地下水對(duì)邊界條件的影響，并根據(jù)極限平衡理論評(píng)價(jià)研究區(qū)的邊坡穩(wěn)定性。

邊坡在降雨作用下失穩(wěn)主要是由于土壤含水量的增加，導(dǎo)致土壤顆粒之間的基質(zhì)吸力減少，導(dǎo)致土體破壞。該文計(jì)算了達(dá)西定理在降雨作用下的土壤內(nèi)部滲流[5]，而基質(zhì)吸力在滲流作用下的變化是基于Van Genuchgen函數(shù)擬合確定[6]。瑞典條分法[7]是邊坡穩(wěn)定性計(jì)算模型，如下所示：

K=∑（（（hi?h' i）γ+h' iγsat）cos a tanφ'）+cL ∑（（hi?h' i）γ+h' iγsat）sin a （1）

式中：γ為土體重度（kN/m3）；γsat為土體的飽和重度（kN/m3）；h' i為某土條降雨入滲深度（m）；hi為土條的高度（m）；φ為土體的有效內(nèi)摩擦角（kPa）；L為滑動(dòng)面的長度（m）；c為土體的黏聚力（kPa）。

2.1 模型參數(shù)

邊坡的邊界條件分別為降雨條件和地下水位條件，固定邊坡左右邊界，固定邊坡底部邊界。邊坡土材料的物理參數(shù)如表1所示：

2.2 模型計(jì)算

（1）含水率變化

該文利用GEOSTUDIO計(jì)算基坑邊坡的滲透性和穩(wěn)定性，其中利用SEEP/W模塊模擬降雨的滲透性，計(jì)算降雨條件下土壤的孔隙水壓；降雨滲透后的邊坡穩(wěn)定性采用SLOPE/W模塊計(jì)算。

該文根據(jù)大同近5年的降雨資料設(shè)計(jì)降雨雨型，降雨歷時(shí)60 min，雨強(qiáng)為60 mm/h。

下雨條件下邊坡的孔隙水壓力如圖1所示。

從圖1可以看出，隨著降雨時(shí)間的增加，邊坡的水位線逐漸向坡體內(nèi)部移動(dòng)，由于降雨，邊坡、坡頂和坡腳的含水量逐漸飽和。坡腳的含水量變化最為明顯，其含水量明顯大于其他邊坡部位，其孔隙水壓力也遠(yuǎn)大于其他部位。從坡腳到坡頂，土壤的孔隙水壓力越來越大?？紫端畨毫υ酱?，邊坡土體越容易損壞。從圖1可以看出，坡腳最有可能隨著降雨時(shí)間的增加而受損。此外，坡頂和坡面也是必須保護(hù)的部位，在施工過程中要重點(diǎn)加強(qiáng)坡腳處理和坡頂保護(hù)。按SLOPE/W計(jì)算，發(fā)現(xiàn)30 min和60 min時(shí)邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.25和0.74。穩(wěn)定性系數(shù)的降低也說明降雨時(shí)間持續(xù)增加，邊坡越容易失穩(wěn)。該文通過坡腳、坡面、坡頂?shù)钠茐囊?guī)律和水位線的變化，探討邊坡的施工技術(shù)。

（2）應(yīng)力變化

該文利用GEOSTUDIO的SIGMA/W模塊模擬降雨后的邊坡應(yīng)力及位移變化情況，計(jì)算降雨條件下邊坡內(nèi)部的應(yīng)力及其位移變化情況。

雨型條件不變，主要對(duì)邊坡的邊界進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置左右邊界水平位移固定，底部邊界水平和垂直的位移全部固定，如圖2所示。

降雨30 min和降雨60 min的邊坡位移及內(nèi)部應(yīng)力變化，如圖3所示。

圖3中，土體內(nèi)部的云圖為應(yīng)力曲線，網(wǎng)格為位移變化情況。從圖3可以看出，隨著降雨時(shí)間的增加，土體內(nèi)部的應(yīng)力和邊坡的位移變化越來越大。降雨30 min時(shí)土體應(yīng)力主要是由于自重引起的，土體應(yīng)力分布范圍較廣。邊坡的位移主要發(fā)生在坡頂，坡面和坡腳的位移變化較小。降雨60 min時(shí)土體應(yīng)力變化較大，從底部到頂部應(yīng)力分布范圍變小，土體內(nèi)部的應(yīng)力整體變大。邊坡的位移主要發(fā)生在坡頂、坡面和坡腳。坡頂位移方向向下，坡面上半部分的位移變化不大，下半部分向外凸起（向圖中左側(cè)偏移），坡腳處有微微隆起，說明隨著降雨時(shí)間的增加坡面下半部分受到的應(yīng)力變化較大，發(fā)生的位移變化也較大，是邊坡發(fā)生滑移的重要部位，在后續(xù)治理過程中要重要關(guān)注。

綜上所述，從土體含水率變化可以發(fā)現(xiàn)，降雨條件下土體含水率的變化會(huì)引起土體孔隙水壓力的變化，導(dǎo)致孔隙水壓力變化較大部位發(fā)生土體破壞，并引發(fā)邊坡的失穩(wěn)。邊坡的坡腳處是孔隙水壓力變化較大部位，另外，坡頂和坡面的孔隙水壓力變化也不可忽視。從邊坡土體的應(yīng)力及位移變化可以看出，隨著降雨時(shí)間的增加，土體應(yīng)力發(fā)生變化，導(dǎo)致土體在應(yīng)力作用下發(fā)生位移，而坡面距離坡腳約1/2處的位移是位移變化最明顯部位，因而在治理過程中要重點(diǎn)關(guān)注。

3 防治措施

（1）坡面排水措施

通過邊坡水位線的變化和孔隙水壓的變化，可以發(fā)現(xiàn)邊坡和坡頂?shù)臐B透也是邊坡含水量增加的重要原因。因此，在邊坡施工過程中，應(yīng)做好邊坡排水系統(tǒng)。

（2）降低邊坡坡率

通過（1）可以發(fā)現(xiàn)，邊坡的坡度越大，邊坡的穩(wěn)定性越差，在相同的外部條件下，邊坡越容易失穩(wěn)。因此，在工程條件允許的情況下，可以適當(dāng)降低邊坡率。

（3）錨桿加固

當(dāng)降雨對(duì)邊坡的穩(wěn)定性較大，其他技術(shù)不能滿足邊坡穩(wěn)定性的要求時(shí)，可以通過錨桿支撐來提高邊坡的穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

（1）隨著降雨時(shí)間的增加，邊坡的水位線逐漸向坡體內(nèi)部，由于降雨，邊坡、坡頂和坡腳的含水量逐漸飽和。坡腳的含水量變化最為明顯，其含水量明顯大于其他邊坡部位，其孔e7a2d1404686f8b7016692351b9954b7隙水壓力也遠(yuǎn)大于其他部位。

（2）坡腳最有可能隨著降雨時(shí)間的增加而受損。此外，坡頂和坡面也是必須保護(hù)的部位，在施工過程中要重點(diǎn)加強(qiáng)坡腳處理和坡頂保護(hù)。

（3）隨著降雨時(shí)間的增加，土體內(nèi)部的應(yīng)力和邊坡的位移變化越來越大。距離坡腳約1/2處的坡面范圍是位移最明顯部位，要重點(diǎn)關(guān)注。

（4）該文提出了邊坡防滑的綜合處理技術(shù)，主要包括：坡面排水措施、降低邊坡坡率和錨桿加固。

參考文獻(xiàn)

[1]李奎，黃英，金克盛，等.有限元二次開發(fā)紅土邊坡降雨入滲分析[J].中國水運(yùn)，2024（2）：156-158.

[2]葉志程，楊溢.地震及地震降雨耦合作用下邊坡的穩(wěn)定性分析[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2024（2）：142-151.

[3]周效民，許寶田，曹越，等.某路塹邊坡楔型滑動(dòng)機(jī)制分析[J].土工基礎(chǔ)，2024（1）：1-5+13.

[4]谷利宙，李選.粵北山區(qū)某高速公路邊坡滑塌處治措施研究[J].工程技術(shù)研究，2024（3）：222-224.

[5]何文華.不同工況對(duì)土壤邊坡發(fā)生滑坡破壞的影響[J].水土保持應(yīng)用技術(shù)，2024（1）：12-13.

[6]孫艷杰，王石磊，林麗芳.改進(jìn)條分法對(duì)降雨和荷載作用下淺層滑坡分析[J].山西建筑，2022（10）：56-59＋92.

[7]李運(yùn)軍，孫艷杰，趙治海.改進(jìn)Felenius法對(duì)坡頂荷載下的邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2018（5）：767-775.