降雨條件下路塹高邊坡失穩(wěn)判據(jù)分析

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(chǔ)工程環(huán)保與安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510230）

0 引言

目前，邊坡工程中常用的穩(wěn)定性判別依據(jù)主要包括安全系數(shù)，可靠度或破壞概率，邊坡巖土體位移、應(yīng)力、位移速度等，定性經(jīng)驗(yàn)結(jié)論，干擾能量和聲發(fā)射率等6種，但這些判據(jù)依據(jù)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(wěn)定性最明顯、最直觀的反映，其監(jiān)測(cè)作為巖土工程信息化施工的重要組成部分，在整個(gè)施工過程中具有極其重要的作用，是保證工程質(zhì)量和施工安全的重要措施，也是判定圍巖穩(wěn)定性和數(shù)值模擬等的重要依據(jù)[2]。降雨入滲是影響邊坡穩(wěn)定導(dǎo)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(jiān)測(cè)資料為依托，針對(duì)降雨對(duì)其變形與穩(wěn)定性的影響做出了分析說明，采用安全系數(shù)及邊坡巖土體的變形速率作為路塹邊坡的穩(wěn)定性判別指標(biāo)，將邊坡失穩(wěn)臨界狀態(tài)時(shí) （規(guī)范規(guī)定的最小安全系數(shù)）的最大位移速率值作為邊坡失穩(wěn)的判斷依據(jù)。

1 降雨對(duì)邊坡穩(wěn)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(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)失穩(wěn)判據(jù)提供參考依據(jù)，選取廣明高速公路某典型路塹高邊坡斷面進(jìn)行研究 （見圖1）。該處邊坡下部以中風(fēng)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(cè)邊界距離坡體較遠(yuǎn)，相對(duì)來說對(duì)滲流場(chǎng)影響較小。因此，假設(shè)右側(cè)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(cè)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(shí)，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(shí)為Dirichiet邊界條件，即水頭邊界。

（3）模型底面假設(shè)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(jì)算模型21 m高度處。模型中非飽和區(qū)的初始基質(zhì)吸力在浸潤(rùn)線上為0，地下水位浸潤(rùn)線到坡體表面基質(zhì)吸力呈線性分布。

1.2 降雨強(qiáng)度模型

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

圖2 降雨模型

1.3 降雨入滲分析

當(dāng)降雨持續(xù)24 h時(shí)，雨水入滲深度較淺，大量滲透進(jìn)入土體的降雨來不及消散，非飽和土層的基質(zhì)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(dāng)降雨持續(xù)48 h時(shí)，雨水繼續(xù)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(xù)時(shí)間下沿監(jiān)測(cè)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(shí)邊坡內(nèi)孔隙水壓力分布情況。由圖4可知，降雨24 h內(nèi)，土體淺層的基質(zhì)吸力快速的減小或消失。隨著降雨時(shí)間的持續(xù)雨水在土壤中入滲越深，坡體內(nèi)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(shí)間下的邊坡沿測(cè)斜孔孔隙水壓力

圖4 不同降雨時(shí)間下的邊坡孔隙水壓力分布移等值線（單位:kPa）

2 穩(wěn)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(shí)刻的孔隙水壓力，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的基質(zhì)吸力，然后根據(jù)Fredlund[3]提出的抗剪強(qiáng)度公式算出抗剪強(qiáng)度，利用極限平衡方法 （簡(jiǎn)化的Bishop方法或Janbu方法）得出邊坡的安全系數(shù)。穩(wěn)定性計(jì)算分析中所用的參數(shù):粘土層天然容重19 kN/m3，摩擦角22°，粘聚力20 kPa；中風(fēng)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(duì)此邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，得到穩(wěn)定系數(shù)隨降雨歷時(shí)關(guān)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(zhì)吸力喪失或減小，導(dǎo)致非飽和土的抗剪強(qiáng)度降低，從而影響邊坡的穩(wěn)定性。

圖5 穩(wěn)定性系數(shù)隨降雨歷時(shí)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(shù)減小。

（3）在降雨過程中，隨著降雨時(shí)間的延長(zhǎng)，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(shù)應(yīng)是逐漸減小。

設(shè)平均降雨強(qiáng)度為2.7×10-6m/s，整個(gè)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(shí)間變化的規(guī)律。隨著降雨時(shí)間不斷的增加，邊坡測(cè)斜監(jiān)測(cè)點(diǎn)不同高度范圍內(nèi)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(cè)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(shí)間下的邊坡水平位移等值線 （單位:m）

圖7 不同降雨時(shí)間下邊坡沿測(cè)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(nèi)。降雨48 h坡體內(nèi)部土層開始出現(xiàn)較小位移，同時(shí)邊坡表層位移進(jìn)一步增大，水平位移值在0～0.035 m范圍內(nèi)。降雨24 h，從測(cè)斜孔底到孔口水平位移不斷增大，相應(yīng)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(guī)律與之前相同，但位移量有所增加。降雨24 h，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)安全臨界值1.2，此時(shí)測(cè)斜孔最大水平位移出現(xiàn)在孔口處，其值為0.023 m。在降雨結(jié)束時(shí) （歷時(shí)48 h），邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.02，此時(shí)沿整個(gè)測(cè)斜孔孔口位移依然最大，其值為0.035 m。

3 結(jié) 語(yǔ)

（1）降雨24 h，雨水入滲影響范圍為坡體表面到坡體內(nèi)4 m左右，入滲區(qū)域內(nèi)孔隙水壓力有明顯的增大。同時(shí)，入滲區(qū)域內(nèi)的土體產(chǎn)生明顯垂直向和水平向的位移，且垂向位移要大于水平位移。

（2）降雨48 h，雨水進(jìn)一步向坡體內(nèi)部滲入，入滲影響深度增大到8～10 m。但坡體表層到坡體內(nèi)5 m范圍土體的孔隙水壓力與降雨24 h比較上升較小。此時(shí)，坡體內(nèi)產(chǎn)生的位移仍然以垂直向?yàn)橹鳎怪毕蚣八较蛭灰戚^之前都有較明顯的增大。

（3）降雨量不變的情況下，隨著降雨時(shí)間的持續(xù)，坡體內(nèi)非飽和區(qū)域土體基質(zhì)吸力逐漸減小，土體的飽和度不斷增加，土體的強(qiáng)度減小使邊坡淺層土體較早進(jìn)入塑性變形階段。同時(shí)，邊坡土體位移逐漸增大，導(dǎo)致邊坡的安全系數(shù)減小。降雨引起的邊坡滑移主要以淺層破壞為主。

（4）邊坡穩(wěn)定臨界狀態(tài)時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的最大位移速率為0.023 m/d，可將此位移速率作為失穩(wěn)臨界狀態(tài)的判斷依據(jù)。

［1］楊永波.邊坡監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)智能化方法研究[D].武漢:中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，2005.

［2］賀迎喜，文輝輝，梁小叢，等.基于Asaoka法的非等間隔真空預(yù)壓土體沉降數(shù)據(jù)處理[J].水力發(fā)電，2014，40（3）: 23-25，36.

［3］FREDLUND.非飽和土土力學(xué)[M].陳愈炯，等譯.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出社，1997.