降雨條件下脹縮性裂隙邊坡穩定性研究

倪 俊，金在保，梅 嶺，閆中蕾

(1.江蘇科技大學 土木工程與建筑學院，江蘇鎮江21200)(2.鎮江市國土資源局，江蘇鎮江212003)

脹縮性裂隙邊坡典型的特征是多裂隙性和脹縮性，裂隙構成的結構體和軟弱結構面破壞了土體的結構并降低了土的強度.膨脹土邊坡、黃土邊坡和下蜀土邊坡等都是常見的脹縮性裂隙土邊坡.邊坡經常會因為土的脹縮性和裂隙性引起邊坡失穩并引發地質災害，因此對脹縮性裂隙邊坡穩定性研究引起了人們的高度重視.

國外學者基于滲流方程，利用有限元法和非飽和強度理論對雨水入滲條件下邊坡穩定性進行了分析［1-2］.包承綱［3-4］等對影響膨脹土邊坡穩定性的參數進行了研究.吳禮舟［5-6］等研究了吸力、強度分層和坡表裂隙對膨脹土邊坡穩定性影響.裂隙在降雨入滲對邊坡穩定性作用是增大了土體入滲邊界;由于從裂隙側壁向土體內部入滲，增大了開裂深度范圍內土體的含水率，提高了土體地表(開裂深度范圍內)的入滲率;為雨水的入滲提供了良好的通道.

文中以鎮江市烈士陵園西側邊坡為例，基于非飽和土強度理論［7］、土水特征曲線［8］和滲透函數［9-10］，利用有限元方法研究了裂隙的位置、裂隙的深度、降雨的強度和降雨的持時對脹縮性裂隙邊坡穩定的影響.為此類邊坡的治理與預測提供了參考依據.

1 分析模型與計算工況

根據鎮江市烈士陵園西側邊坡實際情況，使用GeoStudio有限元軟件對邊分滲流和穩定性進行分析.裂隙的成因分為原生裂隙和次生裂隙，次生裂隙深度淺，數量多于原生裂隙且容易貫穿土體形成淺層裂隙結構，淺層的滲透系數一般比原狀土層大2～4個數量級［11］，所以文中研究了次生裂隙對邊坡穩定性的影響作為一個典型代表，模型如圖1.采用土的參數:左側地下水位6 m，右側地下水位4 m，裂隙間距取2 m，邊坡表面風化層假設為等厚，厚度為4 m.本模型以典型的裂隙土邊坡——膨脹土邊坡為例，膨脹土飽和滲透系數取k1=0.21mm/h，風化層的滲透系數取k2=21mm/h，飽和體積含水量都為0.42，殘余含水量為0.在降雨條件下，通過假定土體最初處于干燥狀態，給定膨脹土一個滲透系數，通過滲透作用反映邊坡的脹縮性.膨脹土邊坡穩定分析時采用的抗剪強度指標見表1，所選取的計算工況見表2.

圖1 邊坡有限元基本模型(單位:m)Fig.1 Slope finite element model(unit:m)

表1 膨脹土抗剪強度指標Table 1 Shear strength index adopted by stability analysis of expansive soil slope

表2 計算工況Table 2 Calculation conditions

2 計算結果分析

2.1 裂隙位置對邊坡穩定性影響

在降雨強度為2mm/h和裂隙深度為4.0 m條件下，取3種不同裂隙位置對邊坡穩定性進行分析.圖2為位置處于邊坡坡頂、坡面和坡腳的孔隙水壓力分布圖，圖3為不同裂隙位置條件下邊坡穩定安全系數(Fs)與降雨持時(D)的關系.

從圖2中可以看出，降雨一定時間后，不管裂隙位于何位置，裂隙及其周圍土體的孔隙水壓力變化迅速，等值線密集;遠離裂隙的地方孔隙水壓力分布基本不受裂隙位置的影響.

從圖3中可以看出:在其他條件相同的情況下，裂隙位于坡面，穩定性最低，位于坡頂次之，位于坡腳偏于安全.

當裂隙位于坡頂，由于雨水沿坡頂裂隙滲入坡體內部到達裂縫底部，而裂隙底部土體及坡面土體無裂隙滲透性相對較差，此時雨水往坡面和更深處土體滲透受阻，從而形成沿裂隙底部的飽和區.隨著降雨的持續，裂隙帶飽和，由于膨脹土的膨脹作用，裂隙逐漸閉合，浸潤線位置不再抬升.當裂隙位于坡頂時，由于坡腳的地下水位線距地表較近，在水壓力的作用下使得雨水向坡面入滲，坡腳浸潤線位置向坡面方向略有抬升.

當裂隙位于坡面，降雨一段時間后，坡腳浸潤線位置抬升而且坡面裂隙底部出現薄層飽和區，導致坡腳坡面形成連通的飽和帶，并且滑裂面多位于坡面，邊坡穩定性最低.

當裂隙位于坡腳，由于坡腳的地下水位線距地表較近，坡腳浸潤線位置會在水壓力的作用下向坡面方向抬升，但坡面與坡腳相比滲透性差，雨水向坡面的入滲緩慢，降雨一段時間后，裂隙飽和，雨水不再繼續入滲，僅在坡腳及坡面的下部出現飽和區，與裂隙位于坡面相比，穩定性較高.

圖2 裂隙位于不同位置降雨6 d孔隙水壓力分布Fig.2 Pore water pressure profile after 6 days of rain with crack in the different position

圖3 裂隙位于不同位置邊坡穩定安全系數與降雨持時的關系Fig.3 Relationship between safety factor and rainfallduration with crack in the different position

2.2 裂隙深度對邊坡穩定性影響

為了研究裂隙深度對邊坡穩定性的影響，在降雨強度為2mm/h和裂隙位于整個邊坡表面條件下，利用有限元軟件對裂隙深度為1.0，2.5和4.0 m這3種工況邊坡穩定性進行分析計算.圖4為不同裂隙深度下邊坡穩定安全系數與降雨持時的關系.

從圖4中可以看出:整個降雨過程中邊坡穩定安全系數隨著裂隙開裂深度增大而逐漸降低，即裂隙越深邊坡穩定性越差.裂隙的存在破壞了土體的完整性，降低了邊坡土體的強度，再加之裂隙為雨水入滲膨脹土土體提供了通道.隨著裂隙深度的加深，滲流影響區域逐漸擴大，使相當深范圍內的土體達到飽和狀態，容易造成邊坡的淺層滑動，根據前面所述，裂隙深度大體上就是危險滑裂面的下限.

圖4 不同裂隙深度下邊坡穩定安全系數與降雨持時的關系Fig.4 Relationship between safety factor and rainfallduration in the different crack depth

2.3 降雨強度對邊坡穩定性影響

在裂隙深度為4.0m和裂隙位于整個邊坡表面條件下，結合鎮江地區實際降雨情況，選取了5種工況利用有限軟件對邊坡穩定性進行計算分析，其中0.2mm/h為小雨工況，1mm/h為中雨工況，2mm/h為大雨工況，8mm/h為暴雨工況，25mm/h為特大暴雨工況.圖5為不同降雨強度下邊坡穩定安全系數與降雨持時的關系.0.2，1，2，8mm/h降雨強度都小于風化層滲透系數，25mm/h為特大暴雨的情況下，降雨強度大于風化層滲透系數.

從圖5中可以看出:當降雨強度為0.2mm/h時降雨6d邊坡穩定安全系數僅下降了0.058，此時裂隙帶仍未飽和，邊坡穩定安全系數會隨著降雨歷時的增加繼續降低，降雨6 d邊坡仍處于穩定狀態;降雨強度為2mm/h時降雨4d內邊坡穩定系數急劇下降，超過4 d，穩定性不再降低;降雨強度為8mm/h時降雨24h內邊坡穩定系數急劇下降，超過24h，穩定性不再降低;降雨強度為25mm/h時降雨12h內邊坡穩定系數急劇下降，超過12h，穩定性不再降低;4d，24h，12h恰好分別是降雨強度為2，8和25mm/h裂隙帶飽和的時間.因此，降雨強度主要影響裂隙帶達到飽和的快慢.裂隙帶飽和前，邊坡穩定性隨著降雨強度的增加顯著降低，但隨著降雨的持續，裂隙帶逐漸飽和，一旦裂隙帶飽和，降雨強度基本不再影響邊坡的穩定性，但降雨量較大時不存在這種情況，此時安全系數大多小于1，邊坡已喪失穩定性.

當降雨強度為1mm/h時，邊坡穩定安全系數在4d內急劇下降，隨著降雨的持續，邊坡安全穩定系數降低幅度越來越小，最終邊坡穩定安全系數不再降低.此時邊坡最終安全系數大于1，邊坡處于穩定狀態.通過5種不同降雨強度對邊坡穩定安全系數的影響分析，從中可以看出當降雨強度不大于1mm/h時，降雨會造成邊坡安全系數的降低，但安全系數始終大于1，不會發生滑坡.也即對于本邊坡，當降雨等級為小雨及小到中雨時，邊坡是不會發生失穩的;當降雨等級進一步增大，邊坡將失穩破壞，從而為邊坡預警預報提供依據.

圖5 不同降雨強度下邊坡穩定安全系數與降雨持時的關系Fig.5 Relationship between safety factor and rainfall duration in the different rainfall intensity

3 結論

1)裂隙的位置對脹縮性裂隙邊坡安全穩定系數有著重要的影響，降雨一定時間后，不管裂隙位于任何位置，只是裂隙及其周圍土體的孔隙水壓力變化迅速，等值線密集，遠離裂隙的地方孔隙水壓力分布基本不受裂隙位置的影響;在其他條件相同的情況下，當裂隙位于坡面時邊坡穩定性最低，位于坡頂次之，位于坡腳偏于安全.

2)由于裂隙的存在為雨水入滲提供了通道并降低了土的強度，隨著裂隙深度的加深，滲流影響區擴大并逐漸飽和，容易造成邊坡的淺層滑動在降雨條件下，邊坡裂隙深度越深邊坡穩定性越差.

3)通過降雨強度與邊坡穩定安全系數的動態分析，降雨強度越大，邊坡穩定安全系數降低越快，裂隙帶越快飽和.當裂隙帶飽和時，隨著降雨的持續邊坡穩定安全系數基本不再降低.當降雨強度不大于1mm/h時，邊坡安全系數始終大于1，邊坡仍處于穩定狀態.分析結果為邊坡預警預報提供依據.

4)文中是針對某一特定的邊坡，不同邊坡土體的滲透系數在不同降雨條件下的穩定性規律還需進一步研究.

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