降雨入滲下殘積土坡的失穩機理與加固治理

柯云斌

(臺州學院建筑工程學院，浙江臺州318000)

在我國東南部，花崗巖分布相當廣泛，尤其在廣東、福建以及桂東南與湘南、贛南一帶，更為集中。花崗巖出露面積，在閩、粵2省都占其總面積的30%～40%，桂、湘、贛3省分別占其總而積的10%～20%[1]。由降雨引起的花崗巖殘積土邊坡垮塌屢見不鮮，因此，近幾十年來降雨型滑坡一直是工程界的研究熱點，隨著非飽和土力學理論的不斷發展，國內外許多學者采用飽和—非飽和滲流方法對降雨入滲下邊坡穩定性的影響進行了深入研究，并取得了許多重要的成果[2-10]，這些成果對認識降雨誘發邊坡失穩的力學機理具有重要意義。但以上多是圍繞膨脹土等特殊非飽和土進行研究，對降雨條件下強風化花崗巖殘積土的研究則相對較少。因此，以殘積土邊坡為研究對象，進行降雨入滲的邊坡失穩的研究對于進一步認識花崗巖殘積土邊坡的失穩機理具有重要的理論意義。鑒于此，本文針對福建省典型非飽和花崗巖殘積土邊坡為例，采用飽和—非飽和滲流理論模擬降雨入滲的過程，分析降雨條件對邊坡滲流場和穩定性的影響，并提出相應的加固方案。

1 非飽和土強度準則

本文采用的非飽和土抗剪強度按Fredlund等1978年提出的公式計算[2]:

式中 :τf——非飽和土抗剪強度;c＇，φ＇——有效黏聚力和有效內摩擦角;φb——吸力內摩擦角;σn——總應力;ua-uw——土體的基質吸力。

2 數值分析算例

2.1 計算模型及參數

本文以福州大學銅盤校區1#邊坡為例進行降雨條件下滲流分析，該段邊坡高42.3 m，長147 m，為2級邊坡，由上而下一級邊坡高12.4 m，坡率為 1∶1.6，一級臺階寬6.0 m，二級邊坡高19.1 m，坡率為1∶1.45。為了表現強降雨對非飽和土質邊坡滲流場的影響，根據福州市降雨強度特點，選擇了不同日降雨強度進行模擬。因現場勘探深度范圍內沒有發現穩定性的地下水位，在模擬時設定初始地下水位在x坐標軸上，其計算模型如圖1所示。

圖1 福州大學銅盤校區1#邊坡數值計算模型

對于非飽和滲流問題，非飽和區的孔隙水壓力、體積含水量、滲透系數及容水度都是時間的函數。在有限元分析計算中，土質的物理力學參數見表1所示，土—水特征曲線采用濾紙法得到，滲透曲線的飽和滲透系數取試驗數據，根據土水特征曲線采用V—G模型得到(見圖2)。數值模擬時降雨強度分別采用暴雨強度 50 mm/d，大暴雨強度 100，150，200 mm/d這4種工況。

表1 計算模型的土質參數

圖2 各土層的土水特征曲線與滲透曲線

2.2 降雨邊界的處理

降雨入滲條件下，雨水的入滲率與土體的滲透性有關。當降雨強度小于土體表面的入滲能力時，計算入滲速率取為降雨強度，邊界條件為Neumann邊界:

當降雨強度大于土體表面的入滲能力時，入滲的強度等于土體的入滲能力，邊界條件轉為Dirichlet邊界:

3 降雨條件下殘積土邊坡的滲流場分布特征

3.1 降雨歷時的影響

圖3為邊坡在50 mm/d降雨強度條件下不同時刻邊坡橫向20 m處孔隙水壓力變化情況。無降雨時，孔隙水壓力等值線依據其原始條件分布。降雨過程中，水分通過邊坡表面進入坡體內，形成豎向滲流，坡體上部的含水量加大，孔隙水壓力增大;距離地表的非飽和區的孔隙水壓力變化較為明顯，即從坡頂往下，邊坡孔隙水壓力經歷大—小—大的過程。隨著降雨歷時的增長，坡體上部的含水量增加的區域越來越大，坡體的飽和度也在不斷地加大，孔隙水壓力不斷地增大，如在1 d時，近坡表面的孔隙壓力梯度比較小，坡體中間含水量較低的區域比較大，當降雨歷續6 d時，坡表處孔隙水壓力梯度減小，這在降雨歷續10 d時尤為顯著。體現了降雨歷時對滲流場的影響變化規律，同時毛細現象使得坡底附近含水量也略有增加。

圖4為50 mm/d降雨強度不同降雨歷時時體積含水率隨深度的變化曲線。由圖可以看出，降雨作用使得近坡表處體積含水率快速增大，但并未達到飽和狀態，較深處僅有微小的增大。

圖3 不同降雨歷時的孔隙水壓力曲線

圖4 不同降雨歷時的體積含水量曲線

3.2 降雨強度的影響

圖5，6分別為不同降雨強度持續3 d時邊坡橫斷面20 m處孔隙水壓力和體積含水率隨深度的變化曲線。比較圖3和圖5，可以看出，在相同降雨歷時條件下，強降雨使雨水入滲的速度更快。在降雨持續3 d時，近坡表處-20 kPa的孔隙水壓力等值線的深度200 mm/d降雨強度時最深，150 mm/d次之。從50～100 mm/d時其增長速率較快，而后趨勢變緩。孔隙水壓力的影響深度隨降雨強度的增大而增大。可見，降雨強度越大對孔隙水壓力分布影響顯著。

圖6表明，降雨強度小于土體的入滲能力時，在相同降雨持時時，其入滲量隨降雨強度的增大而增大，因而，上部土層的體積含水率隨也呈現出隨降雨強度的增大而增大的趨勢。

圖5 不同降雨強度下孔隙水壓力變化曲線

圖6 不同降雨強度下體積含水量變化曲線

4 降雨入滲對花崗巖殘積土邊坡穩定性的影響

4.1 降雨歷時對邊坡穩定性的影響

圖7為該邊坡在50 mm/d降雨強度下安全系數—降雨歷時曲線。由圖可見，降雨入滲使得邊坡的穩定性降低。在降雨期間，邊坡的安全系數隨降雨歷時的延長而減小。在50 mm/d降雨強度作用下，邊坡穩定性在降雨初期下降的比較快，降雨歷時1 d時邊坡的安全系數從1.246降到1.220。隨時間的延長，下降趨勢變緩，當降雨持續 10 d時，安全系數下降到1.202。由此可見，在降雨初期，隨著降雨時間的增大，邊坡內土體孔隙水壓力增大，基質吸力逐漸減少，抗剪強度下降，從而導致邊坡穩定性在降雨初期下降比較顯著;隨著降雨時間的進一步延長，坡內滲流場變化逐漸變小，土體吸力逐漸變化較小，從而導致邊坡穩定性下降趨勢變緩并逐漸趨于一穩定值，因而在工程設計中應考慮基質吸力對邊坡穩定性的影響。

圖7 安全系數—降雨歷時關系曲線

4.2 降雨強度對邊坡穩定性的影響

圖8為邊坡安全系數—降雨強度關系曲線。邊坡在50 mm/d降雨強度作用3 d時，安全系數為1.211，而在200 mm/d降雨強度作用3 d時，安全系數下降到1.192。邊坡在不考慮降雨的條件下其穩定性并不滿足建筑邊坡安全要求，在降雨強度較小時，邊坡穩定性降幅較大，當降雨強度逐漸增大時，邊坡穩定性降幅趨于平緩。說明雨水的入滲導致坡體內負孔隙水壓力(基質吸力)大幅下降，小降雨強度對于邊坡穩定性的影響不容忽視。同時說明當降雨歷時較短時，降雨強度僅僅改變了近坡表附近的孔隙水壓力分布及含水量，對深層狀態的影響相對較小，因而降雨強度對于邊坡淺層溜方影響較大。

圖8 安全系數—降雨強度關系曲線

5 加固方案設計

由前面分析可知，該段邊坡無論在未降雨條件下還是降雨條件下穩定性均不能滿足安全要求，因此，擬采用C25鋼筋混凝土預應力錨索進行加固，錨索分4排，單束設計軸向拉力為500 kN，注漿材料采用水泥漿或1∶1水泥砂漿，注漿壓力大于0.5 MPa，采用標號不低于32.5 MPa的普通硅酸鹽水泥，漿體強度不小于20 MPa。采用預應力錨索加固后邊坡的穩定性的安全系數達到1.498，大于一級建筑邊坡容許安全系數1.3，滿足要求。

6 結論

(1)在降雨入滲過程中，坡體表面含水量增大，水分通過坡體表面進入坡體內，形成豎向滲流，整個坡體上部的飽和程度加大，孔隙水壓力增大，從坡頂往下呈現大—小—大的變化趨勢。

(2)近坡表處的最大孔隙水壓力和體積含水率隨降雨歷時的延長和降雨強度的增大而增大，且影響深度均隨之增大，體現了降雨對滲流場的影響變化規律。

(3)在降雨初期，隨著降雨時間的增大，邊坡土體孔隙水壓力增大，基質吸力逐漸減少，抗剪強度下降，從而導致邊坡穩定性在降雨初期下降比較顯著;隨著降雨時間的進一步延長，坡內滲流場變化逐漸變小，土體吸力逐漸變化較小，從而導致邊坡穩定性下降趨勢變緩并逐漸趨于一穩定值，因而在工程設計中應考慮基質吸力對邊坡穩定性的影響。

(4)雨水的入滲導致坡體內負孔隙水壓力(基質吸力)大幅下降，小降雨強度對于邊坡穩定性的影響不容忽視。當降雨持時較短時，降雨強度僅僅改變了近坡表附近的孔隙水壓力分布及含水量，對深層狀態的影響相對較小，因而降雨強度對于邊坡淺層溜方影響較大。

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