基于GEOSTUDIO分析吸力對非飽和土邊坡穩定的影響

陳萬雄 陳玉峰

(蘭州交通大學土木工程學院,甘肅 蘭州 730070)

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基于GEOSTUDIO分析吸力對非飽和土邊坡穩定的影響

陳萬雄 陳玉峰

(蘭州交通大學土木工程學院,甘肅 蘭州 730070)

基于非飽和土滲流和抗剪強度理論，分析了降雨條件下土體基質吸力對邊坡穩定性的影響，探討了考慮吸力和不考慮吸力條件下邊坡的穩定安全系數，指出非飽和土坡穩定性與基質吸力有密切關系，基質吸力隨含水量增大而減小，引起土體強度下降，土坡趨于不穩定。

非飽和土，抗剪強度，土坡，穩定性

0 引言

在我國南部、西南部、西北地區的膨脹土、黃土、殘積土邊坡，常在雨季發生滑坡。降雨引發的土坡滑坡是一個常見的工程問題，也是亟待解決的復雜工程問題。天然或人工邊坡土體大多為非飽和土，降雨條件下隨著土體含水率的增加,基質吸力逐漸消散，抗剪強度下降，從而引發邊坡滑坡。工程中大量的滑坡實例表明，滑坡的發生與降雨強度和降雨持續時長密切相關，降雨強度越大，持續時間越長，邊坡越容易失穩。降雨引起滑坡的機理很多，例如由降雨引起的滲流，增加了土體的下滑力，抗剪強度指標由有效應力指標變成了固結不排水指標等等，最后導致滑坡。但基質吸力對抗剪強度的影響同樣至關重要，究其原因為隨著降雨的進行，土體含水量增大，基質吸力消散，土體抗剪強度降低，進而引發滑坡。文章先通過GEOSTUDIO軟件的SEEP/W模塊分析降雨條件下邊坡土體含水率的變化，獲得土體各處的孔隙水壓力，然后在其基礎上再通過SLPOE/W模塊分析邊坡穩定性，研究基質吸力對土體抗剪強度的貢獻，為滑坡的預測提供參考。

1 非飽和土滲流基本理論

實際工程中，邊坡土體大多為非飽和土，即土體是由固體顆粒、孔隙水和孔隙氣三相組成。前人研究表明，非飽和土中含水量的改變會引起滲透系數和基質吸力的改變，因此滲透系數函數、土—水特征曲線是解決非飽和土滲流問題的關鍵因素。

1.1 飽和非飽和滲流微分方程

前人研究表明，達西定律不但適用于飽和土滲流計算，同時還能描述非飽和土中水的流動現象。方程中的滲透系數不再是常數，而是與含水量有關的變量，這也是飽和土與非飽和滲流問題的主要區別。1931年，Richards將達西定律應用到非飽和土滲流，表達式為:

(1)

其中，q為體積流量；k(θ)為滲透系數；h為土體水勢能梯度。對于三維滲流，其微分方程為：

(2)

進行數值分析時，根據具體初始條件和邊界條件來求解式(2)。文章考慮各向同性土下的降雨二維滲流工況，即只有水平向和豎直向的滲流，兩個方向的滲透系數相等。

1.2 土—水特征曲線(SWCC)

滲流分析中，理解孔隙水壓力和含水率之間的關系非常重要。非飽和土中，儲存在孔隙中的水的體積很大程度上依賴于孔隙水的負壓，基質吸力定義為空氣壓力ua和水壓力uw的差值，即ua-uw。

2 非飽和土抗剪強度理論

目前，大多數關于非飽和土邊坡穩定性分析的研究成果基本都是基于Bishop和Fredlund提出的強度理論公式上開展的。Bishop(1960)提出了適用于飽和土以及非飽和土的廣義有效應力公式，其表達式為：σ′=(σ-ua)+x(ua-uw)，代入摩爾庫侖公式得到：τ=c′+[(σ-ua)+x(ua-uw)]tanφ′，其中，c′為有效粘聚力；φ′為有效內摩擦角；ua為孔隙氣壓力；uw為孔隙水壓力；x為有效應力系數，與含水量有關，但在實際應用中x的取值困難，因而應用不方便。

Fredlund(1978)提出了雙變量抗剪強度公式：τ=c′+(σ-ua)tanφ′+(ua-uw)tanφb，其中，φb為由吸力增加而引起抗剪強度提升速率；(σ-ua)為凈法向應力；(ua-uw)為吸力。經學者研究表明，φb與吸力有關，即使對于同一固定土樣也不是非常數，造成實際運用取值困難。

3 降雨條件下土坡穩定性分析

選用如圖3所示土坡作為實例進行土坡穩定分析。該土坡分為3層，第①層,第③層為砂土層，第②層為粘土層，坡度為1∶1。各土層物理力學參數如表1所示。

表1 各土層物理力學參數

基于軟件樣本函數擬合得到的土—水特征曲線和土的滲透系數函數如圖1，圖2所示。

文章選用的模型尺寸如圖3所示，坡高12m，坡度為1∶1，初始地下水位線左側距離模型底面高為3m，右側距離模型底面高2m。邊界條件為：1)邊坡頂面和坡腳平面為單位流量邊界條件q=15mm/d，為中雨，降雨持續時間為4d；2)邊坡坡面為單位流量邊界條件q′=qsin45°=10.6mm/d；3)兩側面及底面為總流量Q=0。計算模型如圖3所示。

經過分析計算，由SEEP/W分析得到各點土的孔隙水壓力，基于此于SLOPE/W模塊中求解兩種情況下邊坡的穩定安全系數。降雨后邊坡土體的孔隙水壓力分布如圖4所示，可知，邊坡土體表層含水量增大，出現暫態飽和區域，負孔隙水壓力減小。

降雨前邊坡穩定安全系數為1.178(見圖5)，降雨后不考慮土體基質吸力的貢獻時，邊坡穩定安全系數為0.764(見圖6)；考慮土體基質吸力時，邊坡的穩定安全系數為0.997(見圖7)，可見，降雨后邊坡安全系數都減小了，邊坡趨于不穩定，但考慮基質吸力時安全系數較不考慮基質吸力時增加了30%。由此可見，基質吸力對非飽和土邊坡的穩定影響極大。

滑面上各點基質吸力對強度的貢獻如圖8，圖9所示。當不考慮吸力時土的抗剪強度由摩擦強度和粘聚強度組成；考慮吸力時，土的抗剪強度由摩擦強度、粘聚強度和吸力強度組成。由計算結果得到，考慮吸力時土體各點抗剪強度均大于不考慮吸力時土體的抗剪強度。X=13.95m處，不考慮吸力時抗剪強度為23.7kPa，考慮吸力時，吸力強度為21.35kPa，抗剪強度為47.98kPa，吸力強度為抗剪強度的44%；X=10.66m處，不考慮吸力時抗剪強度為18kPa，考慮吸力時，吸力強度為25.90kPa，抗剪強度為43.63kPa，吸力強度高達抗剪強度的59%。

4 結語

文章通過模擬降雨條件來研究土體基質吸力對邊坡穩定的影響。先進行滲流分析，求得土體各點處的孔隙水壓力；然后進行邊坡穩定分析分別求得考慮吸力條件下和不考慮吸力條件下邊坡的穩定安全系數。

模擬結果表明：降雨條件下邊坡土體含水量增大，導致邊坡安全系數減小，邊坡趨于不穩定狀態；究其原因，非飽和土含水量增大，導致基質吸力減小，土的抗剪強度降低，邊坡失穩；在進行邊坡穩定分析中，不能簡單的把邊坡土體當成飽和土處理，應考慮基質吸力的作用，否則得到的安全系數過小，結果過于偏安全，不能準確預測邊坡狀態。

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On influence of suction on stability of unsaturated soil slopes based on GEOSTUDIO

Chen Wanxiong Chen Yufeng

(College of Civil Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)

Based on the unsaturated soil leakage and shearing strength, the paper analyzes the influence of the soil suction on the slope stability under the waterfall condition, explores the stability safety coefficient of the slopes with and without the suction, and points out the stability of the unsaturated slope has the close relationship with the matric suction and indicates the matric suction reduces along with the increasing water volume which can lead to the lower soil strength and the instability of the slope.

unsaturated soil, sharing strength, slope, stability

1009-6825(2017)08-0071-03

2017-01-07

陳萬雄(1990- )，男，在讀碩士； 陳玉峰(1991- )，男，在讀碩士

TU413.62

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