降雨條件下路塹高邊坡失穩判據分析

2014-10-21 02:01:32文輝輝

水力發電 2014年7期

繆丹，李燕文輝輝

（1.中交四航工程研究院有限公司，廣東廣州 510230；2.中交交通基礎工程環保與安全重點實驗室，廣東廣州 510230）

0 引言

目前，邊坡工程中常用的穩定性判別依據主要包括安全系數，可靠度或破壞概率，邊坡巖土體位移、應力、位移速度等，定性經驗結論，干擾能量和聲發射率等6種，但這些判據依據均具有一定的適用性，并不具有充分性和普適性[1]。巖土體變形作為邊坡穩定性最明顯、最直觀的反映，其監測作為巖土工程信息化施工的重要組成部分，在整個施工過程中具有極其重要的作用，是保證工程質量和施工安全的重要措施，也是判定圍巖穩定性和數值模擬等的重要依據[2]。降雨入滲是影響邊坡穩定導致邊坡破壞的重要因素。本文以廣明高速公路路塹高邊坡工程巖土體地表位移監測資料為依托，針對降雨對其變形與穩定性的影響做出了分析說明，采用安全系數及邊坡巖土體的變形速率作為路塹邊坡的穩定性判別指標，將邊坡失穩臨界狀態時（規范規定的最小安全系數）的最大位移速率值作為邊坡失穩的判斷依據。

1 降雨對邊坡穩定性影響

為分析本工程邊坡體非飽和土在雨水入滲及降雨作用下坡體的位移變形情況，為自動化監控系統失穩判據提供參考依據，選取廣明高速公路某典型路塹高邊坡斷面進行研究（見圖1）。該處邊坡下部以中風化花崗巖為主，上部覆蓋層則以粘土層為主。

1.1 有限單元模型

1.1.1 模型邊界條件

（1）由于左、右兩側邊界距離坡體較遠，相對來說對滲流場影響較小。因此，假設右側地下水位以下為常水頭邊界，地下水位以上邊界按零流量邊界處理；左側為零流量邊界。

圖1 典型路埑高邊坡剖面

（2）孔隙水壓力小于零時，邊坡表面為Newman類型邊界條件，即流量邊界；孔隙水壓力大于零時為Dirichiet邊界條件，即水頭邊界。

（3）模型底面假設為不透水邊界。

1.1.2 初始條件

該邊坡初始地下水位位于地表以下4 m，即計算模型21 m高度處。模型中非飽和區的初始基質吸力在浸潤線上為0，地下水位浸潤線到坡體表面基質吸力呈線性分布。

1.2 降雨強度模型

分析中擬采用降雨強度為2.7×10-6m/s，其情況與通常的中雨相當，降雨模型見圖2。

圖2 降雨模型

1.3 降雨入滲分析

當降雨持續24 h時，雨水入滲深度較淺，大量滲透進入土體的降雨來不及消散，非飽和土層的基質吸力降低越多，使得邊坡表層土體的孔隙水壓力迅速上升；當降雨持續48 h時，雨水繼續向坡體深層滲透，坡腳與邊溝下的孔隙水壓力明顯升高。不同降雨持續時間下沿監測孔不同高度的孔隙水壓力分布情況見圖3。

圖4為降雨24 h和48 h時邊坡內孔隙水壓力分布情況。由圖4可知，降雨24 h內，土體淺層的基質吸力快速的減小或消失。隨著降雨時間的持續雨水在土壤中入滲越深，坡體內部孔隙水壓力隨著雨水的入滲而升高，地下水位也有明顯抬升，特別是坡腳處的水位抬升最為明顯。

圖3 不同降雨時間下的邊坡沿測斜孔孔隙水壓力

圖4 不同降雨時間下的邊坡孔隙水壓力分布移等值線（單位:kPa）

2 穩定性分析

本文利用流固耦合理論，通過有限元分析降雨開始后不同時刻的孔隙水壓力，計算出對應的基質吸力，然后根據Fredlund[3]提出的抗剪強度公式算出抗剪強度，利用極限平衡方法（簡化的Bishop方法或Janbu方法）得出邊坡的安全系數。穩定性計算分析中所用的參數:粘土層天然容重19 kN/m3，摩擦角22°，粘聚力20 kPa；中風化花崗巖天然容重20 kN/m3，摩擦角35°，粘聚力30 kPa。

采用極限平衡法對此邊坡進行穩定性分析，得到穩定系數隨降雨歷時關系（見圖5）。由圖5可以看出:

（1）在非飽和邊坡中，降雨入滲引起非飽和土體孔隙水壓力上升，基質吸力喪失或減小，導致非飽和土的抗剪強度降低，從而影響邊坡的穩定性。

圖5 穩定性系數隨降雨歷時變化

（2）降雨入滲使土體的含水量增大，邊坡上部土體的容重增加，土體所受的剪力增大，致使邊坡的安全系數減小。

（3）在降雨過程中，隨著降雨時間的延長，降雨入滲量逐漸增多，孔隙水壓力也逐漸上升，邊坡的安全系數應是逐漸減小。

設平均降雨強度為2.7×10-6m/s，整個降雨過程為均勻降雨，分析在此降雨條件下的邊坡的水平及垂直方向位移隨時間變化的規律。隨著降雨時間不斷的增加，邊坡測斜監測點不同高度范圍內位移都在不斷增加。圖6分別為降雨24 h、48 h坡體水平方向位移等值線。圖7分別為降雨24 h、48 h沿測斜孔不同高度水平方向和垂直方向位移曲線。

圖6 不同降雨時間下的邊坡水平位移等值線（單位:m）

圖7 不同降雨時間下邊坡沿測斜孔垂直和水平方向位移

降雨24 h邊坡土體位移主要集中在坡體表層處，水平位移值在0～0.023 m范圍內。降雨48 h坡體內部土層開始出現較小位移，同時邊坡表層位移進一步增大，水平位移值在0～0.035 m范圍內。降雨24 h，從測斜孔底到孔口水平位移不斷增大，相應高度的垂直位移要大于水平位移。降雨48 h，坡體位移分布規律與之前相同，但位移量有所增加。降雨24 h，邊坡穩定性系數達到設計安全臨界值1.2，此時測斜孔最大水平位移出現在孔口處，其值為0.023 m。在降雨結束時（歷時48 h），邊坡穩定性系數為1.02，此時沿整個測斜孔孔口位移依然最大，其值為0.035 m。