斜坡水-土力學作用研究發展與展望

廖忠湞

（廣東省地質環境監測總站，廣州510510）

斜坡水-土力學作用研究發展與展望

廖忠湞

（廣東省地質環境監測總站，廣州510510）

從飽和滲流力學作用和非飽和滲流力學作用兩個方面闡述了水-土力學作用及其對斜坡穩定性影響的研究歷史和現狀，加強基質吸力影響因子研究和基質吸力對巖土體抗剪強度貢獻的量化研究；考慮到地下水滲流作用與斜坡滑動的緊密關系，深化地下水滲流理論和滲流過程數值模擬技術研究。

水-土力學作用；斜坡穩定性；抗剪強度；地下水滲流

滑坡可能由降雨、地震、火山活動、工程活動或因素的不同組合誘發，其中降雨是最主要、最常見的誘發因素。據統計，我國90%滑坡是降雨誘發所致［1］。

自1925年太沙基提出關于降雨誘發滑坡的機制以來，降雨誘發滑坡機理的研究一直是地質災害、巖土工程界關注的熱點難點之一。而“降雨誘發滑坡”僅是直觀說法，實際是降雨入滲轉化為地下水及其與斜坡巖土體的復雜作用誘發了滑坡。

根據前人研究，可以將水與巖土體的相互作用概括為物理作用、力學作用和化學作用3種。考慮到水-土力學作用是致使斜坡體發生滑動的重要因素，本文將對斜坡水-土力學作用及其對斜坡穩定性影響的研究現狀、存在問題及其未來的研究重點進行分析。

1 國內外相關領域研究進展

斜坡水-土體力學作用主要研究斜坡土體內地下水的滲流過程對斜坡土體的力學作用，包括飽和滲流作用和非飽和滲流作用。飽和滲流作用指的是靜水壓力和動水壓力對斜坡土體的力學作用；非飽和滲流作用指的是地下水滲流過程中孔隙水液面張力引起的土體內吸應力變化。

1.1 斜坡穩定性分析

1.1.1 飽和滲流作用對斜坡穩定性的影響

1.1.1.1 靜水壓力對斜坡土體破壞影響

基于飽和土力學和滲流理論，最早研究斜坡巖土體內的飽和滲流作用及其對斜坡穩定性影響。20世紀20年代，太沙基［2］首先提出：靜水壓力的升高是導致斜坡潛在滑動面抗剪強度降低和斜坡體滑動的主要因素。直接揭露了滲流過程中孔隙靜水壓力升高對斜坡滑動的貢獻。

1981年，張倬元等［3］在研究四川盆地暴雨滑坡中指出：高強度降雨入滲導致地下水在斜坡體內產生異常積聚和強烈流動，使得斜坡巖土體內孔隙靜水壓力升高、潛在滑動面上的有效應力迅速降低，從而誘發大型滑坡。可見早期人們較認同孔隙靜水壓力的增大是降雨誘發滑坡作用機理的觀點。Y Yoshimi等［4］通過進行重復扭轉剪切試驗研究了斜坡的穩定性，結果表明接近飽和的土砂層在飽和度升高過程中會導致砂土液化和抗剪強度降低。Yoichi Okura等［5］通過傾斜水槽壓縮填充砂土，并利用噴灑水模擬降雨，進行觀測滑坡運動實驗，發現：不排水條件下，突然載荷引起的斜坡滑動由降水滲流帶動砂土顆粒向下壓實砂層并產生破壞作用、飽和區孔隙水壓力大幅度升高、滑體砂土層快速剪切3個過程。黃潤秋等在研究四川省境內高強度暴雨作用下大型平緩順層滑坡機理時發現，地下水在滑坡過程中起到了頂托、楔裂、促動的作用，滑坡的過程：“地下水匯聚-頂托、擠入-楔裂、潰裂-滑動”3個階段。劉秩等［6］在研究重慶市彭水縣沙子口滑坡時分析認為，高強度降雨入滲引起的滑帶土強度降低和靜水壓力是碳酸鹽巖地區基巖順層滑坡的關鍵誘發因素，當斜坡體潛在滑動面的下滑力增大到大于抗滑力的總和時，坡體就沿前緣臨空面產生了突然下滑形成滑坡。張明等［7］采用環形剪切試驗對四川省青寧鄉滑坡滑帶土受剪過程進行了模擬，并在此過程中對試樣的高度、剪切位移、靜水壓力和剪應力進行實時監測，結果表明，試樣滑帶土體內靜水壓力與剪切位移變化趨勢趨于一致，剪應力隨剪切位移值變大呈先增大后減小的趨勢。當剪切位移達1000mm時，土樣液化特征明顯。結合地質模型分析認為土體內靜水壓力的上升是誘發青寧鄉滑坡的主要因素。

1.1.1.2 動水壓力對斜坡土體破壞影響

動水壓力對斜坡土體的破壞主要有流土和管涌兩種破壞模式。目前國內外研究主要集中于庫水位變化引起的動水壓力作用對斜坡穩定性的影響，降雨引起的動水壓力作用研究較少。這可能是由于水庫水位變化產生的動水壓力作用對斜坡穩定性的影響更為顯著。如胡修文等［8］采用物理模型試驗研究的方法模擬了三峽庫區趙樹嶺滑坡在不同水位、地震條件下穩定性情況，結果表明庫水位從175m驟降到145m時，斜坡穩定性最差；水位變化引起的動水壓力和地震擾動是該滑坡發生整體滑動的最可能因素。但是在滑坡地質災害防治工作中，降雨引起的動水壓力對斜坡穩定性的影響亦不容忽視，因為高強度或長持時降雨產生的動水壓力易使斜坡土體細顆粒通過較大顆粒形成的孔隙發生運移，使斜坡土體顆粒粘聚力減小、抗剪強度降低，最終導致斜坡土體發生滑動。矯濱田等［9］在野外觀測試驗中發現，降雨過程中細顆粒逐漸從土體表面和土坡上部向坡角運移，堵塞滲流通路，這樣可能使坡體內孔壓增加，有效應力降低，土坡強度降低，導致滑坡。后又通過實驗研究發現，沿土體深度方向細顆粒表現出下移趨勢，中部細顆粒聚集程度最高；沿坡面方向，在離土面相同距離的位置條件下，由前往后細顆粒呈逐漸增多趨勢。王志兵等［10］對蔣家溝流域泥石流源區兩種不同分散性的風化殘積土進行了室內土柱常水頭滲透試驗，發現土層顆粒的運移較為明顯的影響土層的滲透性，靠近滲流入口處土層的滲透性都有增大趨勢，而靠近滲流出口處土層的滲透性有減少趨勢；而在降雨引發的滲流條件下斜坡土體的滲透性、組成結構與斜坡的穩定關系密切，這說明降雨引發的動水壓力在長期作用下對斜坡的滑動有一定貢獻。杜光波等［11］以寧夏馬家村滑坡為例，研究了殘坡積土斜坡的滑動機理。發現坡面裂隙是降雨誘發殘坡積土的重要條件，降雨時會在裂隙中產生積水，導致雨水在斜坡中發生有壓滲透，增加入滲量，使斜坡土體飽和區不斷擴展，飽和區土體抗剪強度降低。同時，斜坡土體中的飽和滲流產生動水壓力，增加斜坡下滑力。

上述研究成果為研究地下水飽和滲流作用對斜坡穩定性影響方面提供了重要理論、試驗依據。但若將這些成果用于滑坡等地質災害研究其針對性、可操作性及普適性還有待于提高。以往主要通過小范圍野外觀測和理想模型試驗方法進行研究，其滑坡發生的環境條件與天然滑坡發生過程有很大差距。且各斜坡體各有其水文、工程地質特點，單個斜坡體試樣的研究成果難以有效推廣到其他滑坡災害體研究。其次，在研究降雨型滑坡等地質災害時，應考慮斜坡巖土體在降雨前后期含水量變化情況，事實上，大多數斜坡巖土體在降雨前甚至降雨一段時間之內都處于非飽和狀態下，其物理、化學和力學性質會隨著降雨的不斷入滲產生相應變化，而這對斜坡的穩定性影響巨大，因此還要充分考慮斜坡土體內非飽和滲流力學作用。

1.1.2 非飽和滲流作用對斜坡穩定性的影響

20世紀50年代，研究人員通過改進原有設備制造出第1臺非飽和土三軸試驗儀，并進行了大量非飽和土力學試驗。1978年，Frdelund等［12］得出適用于非飽和土體的雙變量Morli-Coulomb抗剪強度公式，表明非飽和土的抗剪強度除了與有效內摩擦角、及法向應力有關外，還與吸力有關。1931年Richard建立了非飽和滲流問題研究的基本理論。1981年，Frdeulnd等提出了廣義斜坡穩定性分析方法-普遍極限平衡法。

隨著非飽和土力學和非飽和滲流理論的發展，人們逐漸認識到水-土力學作用機理研究中的重要作用，并開展了大量研究。L Lam等［13］系統論述了前人對斜坡土體滲流問題的研究，指出降雨入滲斜坡巖土體的滲流過程是飽和滲流和非飽和滲流的連續體。提出了一種二維有限元模型來模擬復雜地下水流動系統的瞬態滲流，并對邊坡穩定性參數進行研究。結果表明，降雨入滲引起的非飽和滲流過程使斜坡土體基質吸力下降，安全系數降低，從而增大滑坡發生的可能性。繆林昌等［14］在非飽和土三軸試驗的基礎上提出了一種雙曲模型來擬合并預測非飽和土的由吸力引起的抗剪強度，簡稱吸力強度，擬合、預測結果表明：非飽和土的有效凝聚力和有效內摩擦角與吸力無關；吸力內摩擦角隨吸力的增加而減小，呈非線性；吸力對非飽和土的抗剪強度有一定貢獻。T.T Lim等［15］對新加坡殘破積土斜坡在降雨條件下基質吸力分布及變化進行了原位監測試驗，試驗針對裸露斜坡、有草地的斜坡和表面蓋有帆布的草地斜坡進行了比較分析，發現在降雨的過程中斜坡基質吸力變化隨土層深度快速減小，且基質吸力變化在裸露斜坡土層中表現最顯著，而在覆蓋有帆布的草地斜坡上最不明顯，這說明基質吸力的變化程度與斜坡土體的滲透率呈正相關關系。詹良通等［16］采用人工模擬降雨的方法，對湖北棗陽非飽和膨脹土挖方邊坡進行了原位綜合監測試驗，結果表明，降雨入滲造成斜坡上部土層中孔隙靜水壓力和含水率大幅增加，使得斜坡土體基質吸力的減小及土體吸水膨脹軟化，從而導致斜坡巖土體抗剪強度的降低。黃潤秋等［17］為研究降雨對滑坡基質吸力的影響，對基質吸力進行了觀測研究，結果表明，基質吸力不僅與土體含水率的大小有關，而且還與滑體的結構和細顆粒土含量、顆粒組成及有機質含量有關。降雨與基質吸力僅在滑坡體上部存在對應關系，滑坡體中下部對應關系不明顯。這也印證了降雨誘發滑坡多為淺層滑坡這一事實。戚國慶等［18］為研究基質吸力變化對斜坡位移的影響，對降雨條件下斜坡體中基質吸力變化產生應變進行討論，發現斜坡非飽和土體積應變、孔隙比隨基質吸力的增大總體呈增大趨勢，并存在一定指數函數關系。進一步研究表明，斜坡的位移一方面是由于基質吸力降低引起了斜坡巖土體強度及斜坡穩定性下降，另一方面則是因為基質吸力減小導致了斜坡非飽和巖土體發生應變，從而產生位移。林鴻州等［19］通過壓力板儀和直剪儀組合試驗，探討了擊實土抗剪強度和基質吸力的關系，試驗結果表明：非飽和土凝聚力在飽和度為40%～60%時最大，而內摩擦角則隨飽和度增加而減小，且對于黏性和非黏性土來說，基質吸力的變化對抗剪強度參數的影響規律并不一致。張盧明等［20］通過室內模型試驗與數值分析的方法，研究了降雨及地下水位變化時滑坡體及滑帶土體積含水率與基質吸力的變化規律，結果表明，隨著降雨入滲及地下水位的升高，滑坡體及滑帶土體積含水率與基質吸力的變化趨勢相反，前者逐漸增大，后者則呈減小趨勢。滑坡體非飽和帶中基質吸力沿深度方向上的分布與體積含水率的大小有關，在滑坡體與滑帶土分界附近，基質吸力明顯變小。基質吸力對滑帶土抗剪強度的貢獻受時間和區域影響。

綜上所述，水-土力學作用經歷了從單純研究飽和滲流力學作用到飽和-非飽和滲流力學作用并重的過程。經過近百年發展，對斜坡水-土力學作用的認識不斷深化，通過理論推導、室內試驗和原位監測等方式逐漸找到了關于“靜水壓力、動水壓力和基質吸力”等概念的定性、定量依據，也更深一步研究了應力分布、變化趨勢及其對斜坡巖土體抗剪強度的影響，并取得了一些突破性成果。但在實際工作中，其工程應用并不廣泛。除上文提到以往研究的樣本較為單一，且試驗及模擬環境與天然斜坡存在差距外，另外是因為基質吸力的測定技術復雜，其中極有可能存在一定誤差，因此單一研究成果有其特殊性，很難有效應用于工程實踐中；其次，雖然從這些成果中可以得到有關基質吸力變化的證據，但Fredlund抗剪強度公式中，與吸力相關的內摩擦角較難獲得，使斜坡抗剪強度定量變化分析不易展開，因此也無法大量推廣到工程應用中。

2 進一步研究展望

水-土力學作用是導致斜坡失穩的直接因素，絕大多數滑坡發生是由于斜坡體某一潛在滑動面的向下滑動力大于總抗滑力，進而導致斜坡體發生滑動。所以有必要加大對水-土力學作用及其對斜坡穩定性影響的研究。目前，普遍認同靜水壓力和動水壓力對斜坡體穩定性的影響機理，并對斜坡滑動機制進行大量推演，但是對于非飽和滲流條件下，基質吸力作用及其對斜坡穩定性的影響仍然存在很多疑問，需進一步分析探討。

2.1 加強基質吸力對巖土體抗剪強度貢獻的量化研究

當前，人們普遍認為基質吸力降低是降雨誘發斜坡表層位移的直接因素，但對于基質吸力對非飽和土抗剪強度的貢獻大小尚無定論，其量化研究還處于初始階段。繆林昌等通過理論推導和試驗證明，最終認為基質吸力對非飽和土抗剪強度有一定貢獻。而林鴻洲、盧明等學者則認為基質吸力對不同種類、不同區域的滑帶土抗剪強度貢獻不同，但并未給出具體量化分析方法。考慮到基質吸力變化對斜坡穩定性的重要影響，因此有必要加大基質吸力對巖土體抗剪強度貢獻的量化研究力度。

2.2 加強基質吸力大小影響因子研究

基質吸力大小不僅與土壤體積含水率有關，還與巖土體結構和細顆粒土含量等因素有關。目前，僅傾向于研究土體體積含水率與基質吸力的曲線關系，對其他可能因素則研究較少，會影響對土體內應力變化機制的探索。如果能基于非飽和土抗剪強度理論，通過理論推導和試驗的方法對基質吸力與體積含水率、土壤性質、顆粒結構等參數關系進行逐一量化驗證，即可預測斜坡滑動的力學作用機制，就可為斜坡體穩定性評價提供一個新的定量方法，對地質災害尤其是滑坡的防治意義重大。

2.3 加強地下水滲流過程研究

無論是降雨誘發滑坡或水庫水位變化引起的滑坡，地下水的滲流過程仍然是導致斜坡失穩的主要因素。但目前對于地下水在斜坡體內滲流過程還處于并不成熟的數值模擬階段，無法有效獲得真實的斜坡體內地下水滲流過程。因此在深化滲流理論研究和精確數值模擬技術上下功夫。

3 結語

通過分析飽和滲流力學作用和非飽和滲流力學作用，闡述了水-土力學作用對斜坡穩定性影響的研究，提出了應加強基質吸力影響因子研究和基質吸力對巖土體抗剪強度貢獻的量化研究，應深化地下水滲流理論和滲流過程數值模擬技術研究，為滑坡等地質災害防治工作提供了理論和技術支持。

［1］李媛，孟暉，董穎，等.中國地質災害類型及其特征——基于全國縣市地質災害調查成果分析［J］.中國地質災害與防治學報，2004，15（2）：29-34.

［2］黃潤秋，徐則民，許模.地下水的致災效應及異常地下水流誘發地質災害［J］.地球與環境，2005，33（3）：1-9.

［3］張卓元，王士天，王蘭生，等.工程地質分析原理［M］.北京：地質出版社，2016.

［4］Y Yoshimi，K Tanaka，K Tokimatsu.Liquefaction resistance of a partially saturated sand［J］.Soils&Foundations，1989，29（3）：157-162.

［5］Y Okura，H Kitahara，H Ochiai，T Sammori，A Kawanami.Landslide fluidization process by flume experiments ［J］.Engineering Geology，2002，66（1-2）：65-78.

［6］劉秩，覃冷.淺層基巖順層滑坡的形成機制和變形破壞特征［J］.地下空間與工程學報，2008，4（6）：1052-1055.

［7］張明，胡瑞林，殷躍平，等.川東緩傾紅層中降雨誘發型滑坡機制［J］.巖石力學與工程學報，2014，33（S2）：3783-3790.

［8］胡修文，唐輝明，劉佑榮.三峽庫區趙樹嶺滑坡穩定性物理模擬試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2005，24（ 12） ：2089-2095．

［9］矯濱田，魯曉兵，王淑云，等.土體降雨滑坡中細顆粒運移及效應［J］.地下空間與工程學報.2005， 1（S1）：1014-1016.

［10］王志兵，汪稔，胡明鑒.顆粒運移對蔣家溝土體滲透性影響的試驗研究［J］.巖土力學，2011，32（7）：2017-2024.

［11］杜光波，倪萬魁.降雨誘發型殘坡積土滑坡形成機理分析［J］.防災減災工程學報，2016（4）：565-571.

［12］D.G Fredlund，H Rahardjo著.陳忠頤譯.非飽和土力學［M］.北京：中國建筑工業出版社，1997.

［13］L Lam，D.G Fredlund，S.L Barbour.Transient seepage model for saturated-unsaturated soil systems：a geotechnical engineering approach ［J］.Canadian Geotechni Journal，1987，24（4）： 565-580.

［14］繆林昌，殷宗澤.非飽和土的剪切強度［J］.巖土力學，1999，20（3）：1-6.

［15］T.T Lim，H Rahardjo，M.F Chang，D.G Fredlund.Effect of rainfall on matric suctions in a residual soil slope ［J］.Canadian Geotechnical Journal，2011，33（4）.618-628.

［16］詹良通，吳宏偉，包承綱，等.降雨入滲條件下非飽和膨脹土邊坡原位監測［J］.巖土力學，2003，24（2）：151-158.

［17］黃潤秋，戚國慶.滑坡基質吸力觀測研究［J］.巖土工程學報，2004，26（2）：216-249.

［18］戚國慶，黃潤秋.降雨引起的邊坡位移研究［J］.巖土力學，2004，25（3）：379-382.

［19］林鴻州，李廣信，于玉貞，等.基質吸力對非飽和土抗剪強度的影響［J］.巖土力學，2007，28（9）：1931-1936.

［20］張盧明，鄭明新，何敏.滑坡防治前后滑帶土基質吸力特征研究［J］.巖土力學，2010，31（10）：3305-3312.

（責任編輯：王艷肖）

Development and prospect of the water-soil mechanic reactions in slopes

LIAO Zhong-zhen
（Guangdong Province Geological Environment Monitoring Station， Guangzhou 510510，China）

The water-soil mechanic reactions had great influence on the stability of slope.In this paper， the history and the state of water-soil mechanic reactions in slopes and its influence on slope stability are expounded in the two aspects of saturated seepage mechanics and unsaturated seepage mechanics.This paper proposed to strengthen the research of matrix suction influence factors and the quantization research of the contribution of matrix suction to shear strength of rock and soil mass.Considering the close relationship between groundwater seepage and slope sliding，this paper proposed to deepen the groundwater seepage theory and numerical simulation of seepage process.

water-soil mechanic； slope stability； shear strength； groundwater seepage

TV222

B

1672-9900（2017）03-0011-04

2017-03-30

廖忠湞（1989-），男（漢族），江西吉安人，助理工程師，主要從事地質災害防治工作，（Tel）18565039895。