多種因素作用下非飽和黃土邊坡穩定性分析

王百升，倪萬魁，郭葉霞

(長安大學 地質工程與測繪學院， 陜西 西安 710054)

多種因素作用下非飽和黃土邊坡穩定性分析

王百升，倪萬魁，郭葉霞

(長安大學 地質工程與測繪學院， 陜西 西安 710054)

通過擬靜力法和Mogernstern-Price法結合計算地震工況下邊坡的安全系數。考慮非飽和土基質吸力和滲透系數函數，運用SEEP/W模塊計算降雨入滲時土體的孔隙水壓力變化，并耦合SLOPE/W模塊進行降雨工況和降雨地震耦合工況下的安全系數的計算。分析結果表明黃土邊坡安全系數對水平地震荷載和坡度的變化更加敏感。降雨入滲條件下邊坡的穩定性系數隨降雨強度的增大先減小后緩慢增加。對歸一化的曲線圖進行分析可以發現，降雨量相同情況下水平地震荷載在0g～0.3g，坡度在15°～45°，擬靜力法分析結果安全系數對坡度和地震的敏感性十分接近，且隨坡度和水平地震荷載的變化趨勢相同。

邊坡穩定性；非飽和；降雨；地震荷載；坡度

黃土高原地區為強震多發區域，已有的震害表明，黃土在中強地震作用下容易發生滑坡、液化、震陷、堰塞湖等地震地質災害，危害極大。歷史上在黃土高原及其周邊地區發生的7次8級及8級以上的特大地震在其Ⅷ度以上的烈度區內形成了區域性極其嚴重的地震地質災害，并且通常在Ⅵ度烈度區內即可觀察到小規模的黃土地震地質災害現象[1]。劉憲鋒等[2]在研究黃土高原地區降水集中度和集中區的時空變化特征時發現，該地區降水量空間差異十分明顯，年降水量在50 mm～850 mm，空間上從東南向西北逐漸減少。該地區的降水多集中在7月中下旬，且降水量較少的西北部地區的降雨年際變化較大，經研究發現該區大部分地區的降水集中期與年降雨量的相關性并不顯著，因此年降雨量越多，降水越集中。

該區的馬蘭黃土常處于非飽和狀態，深刻認識非飽和黃土的工程特性，對黃土地區的經濟建設具有十分重要的意義，研究非飽和黃土的工程性質須考慮基質吸力的作用，這已成為巖土工程界專家學者的共識[3]。黃土具有水敏性和動力易損性，所以地震與降雨之間的耦合作用也應予以關注[4]。

1 模型建立

本文以隴東晚更新世黃土為研究對象，物理力學參數值見表1，土水特征曲線如圖1所示，根據Fredlund D G等[5]提出的方法預測的滲透系數曲線如圖2所示。

表1 黃土物理力學參數

注：表中參數值根據實驗數據和參考文獻[6～9]得出。

圖1土水特征曲線[6]

經研究發現，黃土地區的邊坡在中間的過渡坡高段，邊坡失效概率比低坡和高坡都大，過渡坡高多在50 m左右[10]。并且根據已有文獻[11-12]研究發現，黃土地區多數滑坡發生坡度在30°～45°。黃土地震滑坡發生的優勢滑坡坡角為10°～35°[13]。降雨直接入滲引起的黃土表層滑坡多發生在30°～50°的黃土斜坡上[14]。故本次建立坡高為50 m的黃土高坡，坡度分別為15°、25°、35°、45°，地震峰值加速度分別為0.1g、0.2g、0.3g，降雨總量為200 mm，降雨強度分別為50 mm/d、100 mm/d、200 mm/d；并進行坡高固定，變坡度、變地震荷載、變降雨強度情況下的黃土邊坡穩定性分析。

圖2滲透系數曲線

2 數值模擬和分析計算

邊坡地震穩定性的分析方法也有多種，如瑞典法、Bishop法、Janbu法、Mogernstern-Price法等[15]。本文采用SEEP/W進行不同降雨強度下坡體的孔隙水壓力和非飽和滲流分析，并耦合SLOPE/W模塊采用擬靜力法，結合Mogernstern-Price法進行地震和降雨作用下邊坡穩定性分析，計算非飽和土強度選用如下表達式[16]：

τf=c′+(σn-ua)tanφ′+(ua-uw)tanφb

(1)

式中：c′、φ′分別為黃土的有效黏聚力和內摩擦角；(ua-uw)為非飽和土基質吸力；σn為剪切面上的總正應力；ua為空隙氣壓力；φb為相對基質吸力變化的剪切強度，本文取φb=0.5φ′[17]進行計算分析。

不同工況下分析計算結果見表2～表5。

表2 坡度15°不同工況安全系數計算結果表

表3 坡度25°不同工況安全系數計算結果表

表4 坡度35°不同工況安全系數計算結果表

表5 坡度45°不同工況安全系數計算結果表

2.1 相同坡度下邊坡穩定性分析

由表2～表5中的計算結果可知，坡度和降雨量相同時，在邊坡的臨空面方向上的水平地震荷載作用下，邊坡的下滑力顯著增加，抗滑力顯著減小，因此相同坡度和降雨量時邊坡的安全系數隨水平地震荷載的增加而迅速減小； 由圖2滲透系數曲線可知，土體處于非飽和狀態時，滲透系數隨含水率的增加而減小，隨著降雨入滲，表層坡體的含水率逐漸增加，滲透系數逐漸增加。因此，在降雨量相同的情況下，降雨強度較小時，入滲的雨量大，降雨強度大時，由于滲透系數小于降雨強度，在坡體表面會形成水膜，多余的降水順坡體表面流向坡腳形成徑流。降雨入滲的水量越大，降雨入滲影響范圍內的土體含水率越大，在土體重度增加的同時，基質吸力隨之減小。因此在坡度和地震荷載相同時，降雨入滲條件下邊坡的穩定性系數隨降雨強度的增大先減小后緩慢增加。分析表2～表5可知，黃土邊坡對地震作用的響應更加劇烈。

2.2 相同降雨量下邊坡的穩定性分析

對表2～表5中的數據進行篩選，選取降雨量為50 mm/d的相應安全系數，并將坡度進行歸一化處理，作不同地震荷載下的安全系數曲線；將水平地震荷載進行歸一化處理，作不同坡度下的安全系數曲線，如圖3所示。對歸一化的曲線圖進行分析可以發現，降雨量相同情況下水平地震荷載在0g～0.3g，坡度在15°～45°，擬靜力法分析結果安全系數對坡度和地震的敏感性十分接近，且隨坡度和水平地震荷載的變化趨勢相同。

圖3總降雨量200 mm，降雨強度為50 mm/d安全系數曲線

2.3 相同地震荷載下邊坡穩定性分析

地震荷載和降雨強度相同的情況下邊坡的穩定性隨坡度的增加而迅速降低，由表6可知。坡度增加的同時，邊坡臨空面的面積變小，降雨入滲量隨邊坡坡度的增加而減少，因此隨坡度的增加降雨量對邊坡穩定性的影響程度變化不大。在降雨量相同的前提下，安全系數隨降雨強度的增大呈現先降低后增加的趨勢，與工程實際相吻合。

表6 水平地震荷載0.2 g，雨強50 mm/d不同坡度邊坡穩定性

2.4 綜合分析

分析結果表明，在坡度增加、降雨入滲量增加、地震荷載變大共同作用下，黃土邊坡的穩定性快速降低，在水平地震荷載和坡度變大共同作用下黃土邊坡穩定性降低更加明顯。坡度在25°以下，非飽和黃土邊坡在降雨入滲量增加、地震荷載作用下更不易失穩。使用內插法對計算結果進行處理發現，邊坡坡度在28°以上時在0.3g地震荷載作用下安全系數小于1，隨著坡度的增加，黃土邊坡抵抗水平地震荷載的能力越來越弱。

3 結 論

(1) 坡度和降雨量相同時，邊坡的安全系數隨水平地震荷載的增加而迅速減小；坡度和地震荷載相同時，邊坡的穩定性系數隨降雨強度的增大先減小后緩慢增加。

(2) 降雨量和降雨強度相同情況下水平地震荷載在0g～0.3g，坡度在15°～45°，擬靜力法分析結果表明，安全系數對坡度和地震的敏感性十分接近，且安全系數隨坡度和水平地震荷載的變化趨勢相同。

(3) 在總降雨量相同的前提下，安全系數隨降雨強度的增大呈現先降低后增加的趨勢。

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StabilityAnalysisofUnsaturatedLoessSlopeUnderVariousFactors

WANG Baisheng, NI Wankui, GUO Yexia

(CollegeofGeologyEngineergingandGeomatics,Chang'anUniversity,Xi'an,Shaanxi710054,China)

The safety coefficient of slope under seismic condition is calculated by the combination with pseudo-static method and Mogernstern-Price method. Considering the matric suction and permeability function of unsaturated soil, this paper calculate the variation of pore water pressure with soil infiltration by using Seep/w module, then the safety coefficient of slope under the coupling condition between rainfall and earthquake by the Slope/w module was calculated as well. The results indicate that the safety coefficient of loess slope is more sensitive to the variety of horizontal seismic load and slope angle. Under the condition of rainfall infiltration, the stability coefficient of slope increases first and then decreases slowly with the increase of rainfall intensity. By analyzing the normalized curve, it can be found that under the same rainfall condition, the horizontal seismic load is 0g～0.3g, and the slope is in the range of from 15 to 45 degrees, the analysis results of pseudo-static method show that the sensitivity of the safety coefficient to slope angle is very close to earthquake, and the variation tendency of the safety coefficient is the same as slope angle and the horizontal seismic load.

slopestability;unsaturated;rainfall;seismicload;slopeangle

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.05.028

2017-05-27

2017-06-23

陜西省科技統籌創新計劃項目(2012KTDZD03-03)

王百升(1990—)，男，河北承德人，碩士研究生，研究方向為巖土體穩定性。E-mail：991824329@qq.com

倪萬魁(1965—)，男，寧夏固原人，博士，教授，博士生導師，主要從事邊坡穩定性方面的研究工作。 E-mail:1326763493@qq.com

P642.22

A

1672—1144(2017)05—0159—04