降雨入滲對(duì)砂質(zhì)邊坡變形和穩(wěn)定性的影響

程昌明 陳 行 田明杰 彭雅婷 黃 帥

(1.重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 402160;2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 雅安 611830；3.中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所，北京 100085)

降雨入滲對(duì)砂質(zhì)邊坡變形和穩(wěn)定性的影響

程昌明1陳 行2田明杰2彭雅婷2黃 帥3

(1.重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 402160;2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 雅安 611830；3.中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所，北京 100085)

基于砂質(zhì)邊坡的數(shù)值仿真模型，研究了降雨入滲對(duì)邊坡穩(wěn)定性和變形的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)：邊坡安全系數(shù)隨著降雨持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度的增大呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，隨著邊坡角度、高度的增加而減小，隨著內(nèi)摩擦角、黏聚力的增加而增大；而邊坡高度和坡角對(duì)邊坡滑動(dòng)深度影響較小；土體內(nèi)摩擦角大的邊坡容易發(fā)生淺層滑坡，黏聚力大的邊坡容易發(fā)生深層滑坡。隨著降雨持時(shí)的增加，在邊坡坡腳位置水平位移產(chǎn)生突變，為邊坡最容易剪切滑出位置?？够瑯兜目辜舫休d力越大邊坡安全系數(shù)就越大，但承載力大的抗滑樁會(huì)加深滑裂面的位置；抗滑樁在加固位置位于邊坡中下部時(shí)的安全系數(shù)比設(shè)置在上部時(shí)增加2%～5%。因此，在不改變危險(xiǎn)滑裂面的情況下，合理設(shè)計(jì)抗滑樁強(qiáng)度可以提高邊坡安全系數(shù)。

砂質(zhì)邊坡 降雨入滲 穩(wěn)定性 變形 抗滑樁

近年來(lái)降雨引發(fā)的大量滑坡給我國(guó)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和生命財(cái)產(chǎn)損失，可知降雨成為誘發(fā)滑坡的主要外界因素[1-2]。巖土體內(nèi)存在著大量孔隙、節(jié)理和裂隙，它們不僅改變了巖土體的力學(xué)性質(zhì)，降低了其強(qiáng)度指標(biāo)和變形模量，同時(shí)也嚴(yán)重地影響巖土體的滲透特性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大約90%的自然邊坡和人工邊坡的破壞與滲流有關(guān)。隨著降雨的持續(xù)作用，導(dǎo)致地下水位驟升，孔隙水壓力增大，有效應(yīng)力降低，尤其是砂質(zhì)邊坡，在孔隙水壓力的影響下，易發(fā)生土體失穩(wěn)，并沿斜坡下滑與水體混合，影響著邊坡的穩(wěn)定性。

在降雨入滲方面,國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了一定的研究。Richards[3]將Darcy的線性滲流理論推廣應(yīng)用到非飽和滲流中以后，人們才開(kāi)始了非飽和滲流的研究。李承海等[4]從降雨對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響、降雨對(duì)土體重度的影響、降雨形成的水壓力及降雨對(duì)土體的化學(xué)作用4個(gè)方面分析了降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。周家文等[5]采用一個(gè)二維的有限元滲流-應(yīng)力耦合程序進(jìn)行分析，研究降雨入滲過(guò)程對(duì)邊坡的孔隙水壓力、位移以及安全系數(shù)的影響。朱麗娟[6]研究了降雨對(duì)非飽和黃土邊坡含水量的影響，指出坡高對(duì)邊坡土體含水量分布影響較小，但邊坡含水量增大區(qū)域隨坡高的增加而增加。戴繪等[7]揭示了強(qiáng)降雨作用下降雨過(guò)程與雨停后浸潤(rùn)線變化規(guī)律。周靖人等[8]研究了不同降雨強(qiáng)度下，地下水位埋深的變化及埋深變化之后對(duì)厚沖積層邊坡的安全系數(shù)的影響規(guī)律。然而由于降雨與邊坡穩(wěn)定性的關(guān)系不是簡(jiǎn)單的一一對(duì)應(yīng)，還與具體的降雨類型、土體性質(zhì)等多種因素有關(guān)，國(guó)內(nèi)在這方面的研究還不夠完整和細(xì)致，還需要豐富研究對(duì)象和內(nèi)容。

1 降雨入滲邊坡的有限元模型

取準(zhǔn)朔鐵路經(jīng)過(guò)沖擊平原和河谷區(qū)域等地區(qū)的邊坡為主要研究對(duì)象，這些區(qū)域邊坡集中，邊坡土體多為風(fēng)化砂質(zhì)土。研究對(duì)象選取鐵路邊坡，處于鐵路終端，為低山區(qū)路基深路塹挖方集中地段，集中分布不同形式的路塹。選取府谷縣一典型邊坡，土坡長(zhǎng)17 m，坡高12 m，坡角35°，砂質(zhì)土其斷面如圖1所示。模型底部邊界60 m，坡頂向后延伸24 m，模型高度24 m。此外，為了更直觀地反映降雨持時(shí)對(duì)邊坡孔隙水壓力的影響，分別設(shè)置了邊坡不同位置的監(jiān)測(cè)線。

圖1 邊坡模型示意

邊坡的體積含水量和基質(zhì)吸力曲線及物理參數(shù)如圖2和圖3所示，邊坡砂質(zhì)土的顆粒分布和物理參數(shù)分別如表1和表2所示。

圖2 邊坡的體積含水量

粒徑/mm百分含量/%累計(jì)百分含量/%>50 25100．0051 2599 75215 4698 500 515 2583 040 2522 1967 79<0 07545 645 60

表2 邊坡材料參數(shù)

2 降雨入滲對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響分析

2.1 降雨對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響分析

采用邊坡不同的極限平衡法對(duì)邊坡進(jìn)行安全系數(shù)計(jì)算，明確不同計(jì)算方法的差異性，如表3所示。

表3 不同極限平衡法計(jì)算的安全系數(shù)

由表3可知，Morgenstern-price法與條分法原理基本相同計(jì)算迭代方式不同，兩者所得相近。相對(duì)Bishop法，Janbu法考慮土條間切向力，假設(shè)比Bishop法更為準(zhǔn)確，所得安全系數(shù)結(jié)果略小于Bishop法，且數(shù)值與剛體極限平衡法所得相近?？傮w看來(lái)多種計(jì)算方法下的安全系數(shù)并無(wú)顯著差異，因此軟件模擬邊坡安全系數(shù)是可信的。

分別計(jì)算了不同降雨強(qiáng)度和降雨持續(xù)時(shí)間對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響規(guī)律。其中相同降雨強(qiáng)度(20 mm/d)，不同降雨持時(shí)條件下的邊坡安全系數(shù)如表4所示。

表4 降雨持時(shí)對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響

由表4可知，降雨強(qiáng)度不變，降雨持時(shí)越長(zhǎng)對(duì)邊坡影響越大。因土體材料各異，在大致10 d范圍以內(nèi)，持時(shí)越長(zhǎng)安全系數(shù)越低。降雨入滲對(duì)非飽和區(qū)域的顯著影響表現(xiàn)為入滲增加非飽和區(qū)的孔隙水壓力，減小土體有效應(yīng)力；從而導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度減小，是安全系數(shù)降低的主要因素。

相同降雨時(shí)間，不同降雨強(qiáng)度對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響如表5所示。

表5 降雨強(qiáng)度對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響

由表5可知，當(dāng)降雨強(qiáng)度小于土壤的入滲能力、降雨完全入滲時(shí)，邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)受降雨強(qiáng)度的影響顯著；在相同的降雨持續(xù)時(shí)間下，降雨強(qiáng)度增大，邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)減小，對(duì)邊坡的穩(wěn)定不利。

2.2 降雨下邊坡參數(shù)對(duì)安全系數(shù)的影響

研究了邊坡不同黏聚力、內(nèi)摩擦角、高度和角度下的安全系數(shù)，如表6～表9所示。

表6 內(nèi)摩擦角對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響

表7 黏聚力對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響

表8 邊坡高度對(duì)安全系數(shù)的影響

表9 邊坡角度對(duì)安全系數(shù)的影響

由表6～表9可得，邊坡的安全系數(shù)隨著內(nèi)摩擦角的增加而增大，隨著安全系數(shù)的增大，滑坡最危險(xiǎn)截面向邊坡淺層移動(dòng)。說(shuō)明土體內(nèi)摩擦角大的邊坡更容易發(fā)生淺層滑坡；邊坡安全系數(shù)隨著黏聚力的增大而增加，隨著安全系數(shù)的增加滑坡最危險(xiǎn)截面向邊坡深層移動(dòng)。表明土體黏聚力大的邊坡更容易發(fā)生深層滑坡；邊坡安全隨邊坡角度、高度的增加而減小。邊坡角度和高度的變化并不顯著影響滑坡體的形狀和深度，只是拉長(zhǎng)或縮短滑坡的弧形。

3 降雨入滲對(duì)邊坡變形的影響

3.1 降雨持時(shí)對(duì)邊坡變形的影響規(guī)律

分析降雨持續(xù)時(shí)間對(duì)邊坡位移的影響，降雨持續(xù)時(shí)間選取36 h，計(jì)算出邊坡不同位置的水平位移和豎向位移如圖4～圖6所示。

圖4 降雨持時(shí)對(duì)坡頂水平和豎向位移影響

由圖4～圖6可知，降雨持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)邊坡變形量累積越大。隨著降雨持時(shí)的增加，邊坡坡頂?shù)乃轿灰齐S著X向距離的增加邊坡的豎向位移呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，而水平位移呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，說(shuō)明在邊坡臨空位置的水平變形較大，是容易滑坡位置。此外還可以從坡面的水位位移隨著水平向距離的變化趨勢(shì)看出，在邊坡坡腳位置水平位移有個(gè)突變，說(shuō)明在邊坡坡腳位置發(fā)生了較大的水平位移，為邊坡最應(yīng)關(guān)注的位置。從量值上看來(lái)，坡頂、坡面和坡底的豎向位移大于橫向位移。

圖5 降雨持時(shí)對(duì)坡面水平和豎向位移影響

圖6 降雨持時(shí)對(duì)坡底水平位移的影響

3.2 降雨對(duì)邊坡應(yīng)力的影響

分析分析降雨強(qiáng)度對(duì)邊坡有效應(yīng)力的影響，降雨強(qiáng)度分別選取10 mm/d、20 mm/d、60 mm/d和80 mm/d，計(jì)算出邊坡不同位置的水平有效應(yīng)力和豎向有效應(yīng)力如圖7～圖9所示。

圖7 邊坡坡內(nèi)有效應(yīng)力

圖8 邊坡坡頂有效應(yīng)力

由圖7～圖9可知，總體來(lái)看降雨強(qiáng)度由10 mm/d增加至80 mm/d時(shí)，降雨強(qiáng)度對(duì)邊坡有效應(yīng)力的影響小于地下水位上升對(duì)邊坡有效應(yīng)力的影響。隨著降雨強(qiáng)度的增加，邊坡水平有效應(yīng)力和豎向有效應(yīng)力出現(xiàn)減小的趨勢(shì)，說(shuō)明隨著降雨強(qiáng)度的增加邊坡內(nèi)的孔隙水壓力增加，而相應(yīng)地有效應(yīng)力減小。且隨著邊坡高度的增加邊坡坡內(nèi)和坡面的水平有效應(yīng)力均呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，豎向有效應(yīng)力則呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)。而坡頂水平有效應(yīng)力和豎向有效應(yīng)力隨著x坐標(biāo)的增加呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)。

圖9 邊坡坡面有效應(yīng)力

4 抗滑樁位置對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

通過(guò)改變抗滑樁的受剪承載力來(lái)模擬不同材料引起的差異，剪切承載力分別取100 kN、300 kN、500 kN；通過(guò)比較同一種抗滑樁植入邊坡的不同位置時(shí)對(duì)安全系數(shù)的影響。抗滑樁加固不同位置時(shí)邊坡的安全系數(shù)及加固后降雨強(qiáng)度邊坡安全系數(shù)的影響規(guī)律分別見(jiàn)表10和表11所示。

表10 不同承載力抗滑樁在滑坡不同位置下的安全系數(shù)

表11 不同降雨強(qiáng)度對(duì)加固邊坡的安全系數(shù)影響

由表10和表11可知，抗滑樁剪切承載力越大，對(duì)邊坡的安全系數(shù)貢獻(xiàn)越大；但是對(duì)邊坡滑坡區(qū)域的影響也越大，在初期形成的滑坡中植入的抗滑樁抗剪強(qiáng)度越大，滑坡的再次出現(xiàn)的危險(xiǎn)截面位置就越深入，影響范圍也就越大。同一種抗滑樁在邊坡的不同位置時(shí)對(duì)滑坡產(chǎn)生的滑裂面并無(wú)明顯改變，但對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響卻很明顯。承載力100 kN、300 kN、500 kN的抗滑樁布置在滑坡下部時(shí)相較布置在上部時(shí)安全系數(shù)分別提高了2%、5%、3.5%，表現(xiàn)為抗滑樁布置在滑坡中下部時(shí)對(duì)邊坡安全系數(shù)有較大的提高。對(duì)同一邊坡而言，強(qiáng)度較低變形呈塑性的抗滑樁對(duì)邊坡的滑裂面影響較小，主要是形變吸能提供安全系數(shù)；而強(qiáng)度較大、變形呈剛性的抗滑樁對(duì)邊坡的滑裂面影響顯著，改變滑裂面提供安全系數(shù)。該結(jié)論可以對(duì)邊坡的監(jiān)測(cè)提供依據(jù)。

5 結(jié) 論

(1)降雨入滲引起土體孔隙水壓力增大，導(dǎo)致有效應(yīng)力減小是引起滑坡的主要原因，降雨持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度越大邊坡安全系數(shù)越低。邊坡安全系數(shù)隨著邊坡角度、高度的增加而減小，高度和角度不顯著影響滑滑坡體的形狀和深度，只是拉長(zhǎng)或縮短滑裂面的弧形。安全系數(shù)隨著內(nèi)摩擦角、黏聚力的增大而增大，而兩者會(huì)影響滑裂面的形狀具有一定的影響，表現(xiàn)為土體內(nèi)摩擦角大的邊坡更容易發(fā)生淺層滑坡，黏聚力大的邊坡更容易發(fā)生深層滑坡。

(2)降雨持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)邊坡變形量累積越大。隨著降雨持時(shí)的增加，在邊坡坡腳位置水平位移有個(gè)突變，說(shuō)明在邊坡坡腳位置發(fā)生了較大的水平位移，為邊坡最易剪切滑出的位置。且隨著降雨強(qiáng)度的增加，邊坡水平有效應(yīng)力和豎向有效應(yīng)力出現(xiàn)減小的趨勢(shì)，說(shuō)明隨著降雨強(qiáng)度的增加，邊坡內(nèi)的孔隙水壓力增加，而相應(yīng)地有效應(yīng)力減小，其對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響不利。

(3)邊坡采用抗滑樁加固后的抗剪承載力越大對(duì)邊坡安全系數(shù)的提升就越大，但承載力大的抗滑樁會(huì)加深滑裂面的位置，可能會(huì)引起二次更大程度的滑坡?？够瑯都庸踢吰挛恢貌煌瑢?duì)安全系數(shù)影響程度不同，相同抗滑樁在加固位置位于邊坡中下部時(shí)比設(shè)置在上部時(shí)增加2%～5%的安全系數(shù)。因此合理設(shè)計(jì)抗滑樁強(qiáng)度可以在不改變危險(xiǎn)滑裂面的情況下提高邊坡安全系數(shù)。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Influence of Rainfall Infiltration of Sandy Slope on Deformation and Stability

Cheng Changming1Chen Hang2Tian Mingjie2Peng Yating2Huang Shuai3

(1.ChongqingWaterPowerVocationalTechnologyCollege，Chongqing402160，China；2.CollegeofCivilEngineering，SichuanAgriculturalUniversity，Ya'an，611830，China;3.InstituteofCrustalDynamics，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100085，China)

The influence of rainfall infiltration on stability and deformation of sandy slope are studied based on the numerical simulation model.The results show that with the increase of rainfall duration and intensity，slope safety factor tends to decrease.The safety factor decreases with the slope angle and height increase，while it increases with the increase of internal friction angle and cohesion.The height and angle of slope have less effect on the depth of slope sliding，and the slope with large internal friction angle are more likely to happen the shallow slide，while the slope with high cohesion are more likely to happen deep landslide.With the increase of rainfall duration，horizontal displacement at the foot of the slope appears sudden change，and this position is most likely to produce shear sliding.The greater of the shear bearing capacity of the slope，the greater of the safety factor is.However，anti-slide pile with large bearing capacity will deepen the critical slip surface.Safety coefficient of the slope reinforced by anti-slide pile at the bottom of the slope increased by 2%～5% than that at the top of the slope.Thus，the reasonable design strength of the anti-slide pile could increase the slope safety factor without changing the dangerous slip crack surface.

Sandy slope，Rainfall infiltration，Stability，Deformation，Anti-slide pile

2015-03-02

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(編號(hào)：2011AA11A102)。

程昌明(1982—)，男，講師。

TU 457

A

1001-1250(2015)-05-175-06