降雨入滲條件下高填方黃土邊坡穩定性分析

馬寧

摘要：通過Midas?GTS?NX數值分析軟件建立了高填方黃土邊坡模型，計算了降雨入滲條件下高填方黃土邊坡的穩定性，對比分析了降雨入滲影響作用下一級黃土高填方邊坡與相同尺寸下的兩級黃土邊坡的相關參數。結果表明：在降雨入滲條件下的一級高填方黃土邊坡受降雨入滲影響較大，加設一級邊坡后的兩級高填方黃土邊坡水平位移大幅減小;相較于一級邊坡，兩級高填方黃土邊坡塑性區減小，坡腳處的塑性值降低了72.7%;通過強度折減計算出的邊坡安全系數由1.25增大至1.60，兩級高填方黃土邊坡能夠較好地應對降雨入滲條件影響下的滑坡等失穩問題。降雨入滲條件下高填方黃土邊坡的穩定性計算對工程建設提供了參考和依據，以此可以應對日益增長的工程建設需求。

關鍵字：降雨入滲;高填方;邊坡;穩定性;黃土

中圖分類號：TU431????????文獻標志碼：A

1引 ?言

隨著我國2035遠景目標的確立和“一帶一路”倡議的持續推進，我國城市化和工業化進程快速發展，大多數工程建設時常面臨著特殊地區工程地質情況下的建設難題。特殊土地區的地基、邊坡以及基坑等重要性工程任務對整體工程建設的穩定和持久起著重要的作用。在各種復雜和特殊地區進行建設時需要熟知各種工程特性，并需要進行一定的相關試驗和數值模擬研究。近年來，我國學者對降雨條件下的邊坡問題研究較多，曾昌祿等設計了室內邊坡模型箱和降雨系統，研究了不同降雨強度下邊坡入滲規律以及含水率和邊坡基質吸力之間的關系。侯鵬飛對降雨入滲條件下的非飽和黃土邊坡穩定性進行了模型計算和穩定性分析。張碩等對降雨時填方邊坡的土體的體積含水率、孔隙水壓力、潤濕峰進行了模型試驗研究，探討了邊坡變形及其滑坡裂隙演化規律等。王磊等通過現場人工模擬連續降雨對黃土邊坡破壞進行了試驗，對邊坡開裂時坡頂的力學機制和破壞特征進行了研究分析，考慮了隔離邊界對邊坡穩定性的影響。

黃土地區邊坡在公路和鐵路等交通工程建設中時常面臨復雜的環境影響，尤以地震和降雨等條件下對處置后的高填方黃土邊坡的穩定性產生較大的影響。本文采用Midas?GTS?NX對降雨入滲時黃土地區的高填方邊坡進行了穩定性對比分析。在較為復雜的工程建設時，需要了解工程結構發生破壞的成因、特性及適宜的處理方法，對安全、科學、經濟地完成建設項目具有重要意義。

2高填方黃土邊坡模型

為適應復雜的地質條件和地貌特征，在工程建設中時常會出現高填方邊坡，特殊的外界環境會影響高填方邊坡的變形與穩定。遂對強降雨情況下的一級黃土邊坡與兩級黃土邊坡進行數值建模分析，降雨量為80 mm/d，持續時間為5 h。邊坡剖面幾何尺寸概況如圖1所示，土體材料參數見表1，采用Mohr-Coulomb本構模型，為對比分析黃土邊坡在強降雨條件下的邊坡穩定性和降雨入滲深度變化規律，遂對一級邊坡進行優化加設后得到兩級邊坡，以便對比研究降雨條件下高填方黃土邊坡的穩定性。其中，一級邊坡如圖1a，坡率為0.9，兩級邊坡如圖1b，坡率為0.91。求解中考慮了土體的非飽和特性，采用van Genuchten本構模型模擬水分在非飽和黃土中的變化，模型中的水力參數依據文獻確定。

3結果與分析

3.1邊坡降雨入滲分析

通過Midas?GTS?NX軟件對不同類型邊坡建立降雨入滲邊坡穩定計算模型，得到如圖2所示降雨入滲后邊坡頂面入滲水力梯度變化云圖。

由圖可知，兩種不同類型邊坡降雨入滲差異不大，在第一個變坡點所受降雨影響較大，降雨入滲后的水力梯度較大，表明此處受降雨影響后沿邊坡入滲的水頭損失較大，即此處黃土邊坡所受入滲侵蝕影響較大。這主要是由于降雨在第一個變坡點處于兩條坡線交點，在降雨條件下發生入滲后影響土體中水分含量。兩級邊坡第二個變坡點的水力梯度相較于第一個變坡點的水力梯度較小，這主要是由于加設一個級別的邊坡后第二個坡點處受降雨入滲影響減小，將入滲水分散至兩側破面，第二坡面使得降雨入滲后水力梯度減小。另外，降雨入滲后的邊坡兩側水力梯度較小，表明在降雨入滲影響下邊坡兩側受降雨入滲影響較小，邊坡點處容易受到降雨入滲濕陷的影響。

圖3所示為兩種不同類型邊坡坡腳處豎直方向的降雨入滲速度，由圖可知，一級邊坡坡腳處的降雨入滲速度相較于兩級邊坡較大，一級邊坡在降雨5?h時的最大降雨入滲速度為3.61×10?m/s，兩級邊坡兩個坡腳處在降雨5?h時的最大降雨入滲速度為2.89×10?m/s和1.41×10?m/s。其中，一級邊坡坡腳處的降雨入滲速度隨著降雨入滲先快速增長而后速率降低，這主要是由于一級邊坡坡腳處初始水頭較低且向右側滲流路徑長，隨著降雨的逐漸入滲初始水頭影響降雨入滲的水分，因而滲流速度逐漸降低。兩級邊坡第一個坡腳的降雨入滲速度變化趨勢為逐漸快速增長，兩級邊坡第二個坡腳處的降雨入滲速率變化趨勢為逐漸緩慢增長，整體水平較低，這主要是由于兩級邊坡第一個坡腳處降雨入滲受到上坡面和水平面的滲流影響，隨著降雨入滲的累計使得此處的入滲速度在后期加快。兩級邊坡第一個坡腳處的入滲速度變化與一級邊坡坡腳處的滲流速度相似，在降雨時邊坡土體的入滲速度較為緩慢，呈現以小斜率逐漸增長的趨勢。

3.2邊坡變形特性分析

在降雨后水分入滲邊坡影響土體的含水率，使得土體的飽和度發生變化，在自重和其他外力的影響下使得土體發生位移，影響邊坡的穩定性。圖4為經強度折減法邊坡穩定性計算后兩種不同類型的邊坡經降雨影響后的水平位移大小云圖。

通過對比可以發現，一級邊坡的水平位移最大值為45.6 cm，發生最大位移的位置在坡腳附近且變化范圍集中，基本表現出了滑移面的輪廓，但加設后的兩級邊坡最大水平位移為25.8 cm，且其位移影響范圍進行了分散，坡腳處的最大位移范圍較小，有利于邊坡的整體穩定。結果表明，加設一級邊坡可以減小降雨入滲對邊坡穩定性的影響，能夠分散外力影響下的邊坡位移。

對不同類型邊坡坡腳處不同深度的點進行水平位移統計后得到如圖5所示位移圖，由圖可知，在距離坡腳5?m深度范圍內的水平位移較大，在大于5?m深度處各點的土體水平位移均小于5?cm。相較于一級邊坡，兩級邊坡坡腳處的水平位移減小，在坡腳處的水平位移基本相差一半，說明在降雨條件下增設一級邊坡可以減小坡腳處的水平位移，且其深度方向的土體水平位移也相應減小，因而增加了土體的穩定，能夠減小降雨入滲對土體邊坡變形的影響。

圖6為強度折減計算后兩種不同類型邊坡降雨影響后的有效塑性應變云圖。由圖可知，一級邊坡坡腳處的最大塑性應變值為1.10，其塑性區域面積大，貫穿范圍寬。兩級邊坡坡腳處的最大塑性應變值為0.30，塑性應變值較小，貫穿范圍較窄。這主要是由于加設一級邊坡后斜坡面在水平方向的延伸加長，且加設一級邊坡后的土方減少使得塑性區拉長和塑性值降低。結果表明，兩級高填方邊坡的塑性應變區面積較小，整體塑性應變值低，兩級邊坡的坡腳處塑性應變對邊坡穩定性影響較小。

3.3邊坡穩定性分析

通過對降雨入滲后的邊坡采用強度折減法進行穩定性計算，得到如圖7所示邊坡整體位移變化。由圖可知，一級邊坡可能發生失穩的滑坡體較大，其安全系數為1.25，整體位移變化區域集中，不利于邊坡的穩定。兩級邊坡發生失穩的滑坡體在水平方向分布較長，且水平位移較小，其安全系數為1.60，位移變化區域在整個土體中分布。因此，在同一降雨強度的作用下，加設一級邊坡后的邊坡穩定性顯著提高，使得土體中的應力向土體內部分散，降低了滑坡發生的可能性。

4結論

（1）一級邊坡的第一個變坡點受降雨影響較大。加設一個級別的邊坡后兩個變坡點受降雨入滲影響減小，第二個坡點將入滲水分散至兩側破面，使得降雨入滲后水力梯度減小，邊坡點處容易受到降雨入滲濕陷的影響。

（2）在降雨入滲的影響下一級邊坡的水平位移區域集中且值較大，加設一級邊坡后的兩級邊坡水平位移向土體內部分布，且水平位移值整體減小。加設一級邊坡后的塑性應變區減小，整體塑性應變值降低，兩級邊坡的坡腳處塑性應變對邊坡穩定性影響較小。

（3）通過強度折減法計算出的兩種不同類型的邊坡穩定性，一級邊坡安全系數為1.25，加設后的兩級邊坡穩定系數增大為1.60，邊坡穩定性提高，降低了在降雨入滲等外界影響下發生滑坡的可能性。降雨入滲對不同類型邊坡的穩定性計算為工程建設提供了參考和依據。

參考文獻

[1]曾昌祿，李榮建，關曉迪，等.?不同雨強條件下黃土邊坡降雨入滲特性模型試驗研究[J].?巖土工程學報，2020，42（S1）：111-115.

[2]侯鵬飛.降雨入滲條件下非飽和黃土邊坡穩定性分析[J].山東交通科技，2020（04）：12-14.

[3]張碩，裴向軍，黃潤秋，等.?黃土填方邊坡降雨入滲特征及變形破壞模式的模型試驗[J].?中國公路學報，2019，30（9）：32-41.

[4]王磊，李榮建，潘俊義，等.隔離邊界條件下連續降雨誘發黃土邊坡開裂試驗研究[J].天津大學學報（自然科學與工程技術版），2019，52（11）：1163-1170.

[5]濕陷性黃土高填方地基處理技術及穩定性試驗研究[D].?西安建筑科技大學，2013.宋焱勛，彭建兵，張駿.?黃土填方高邊坡變形破壞機制分析[J].?工程地質學報，2008，16（ 5）：?620-624.

[6]van Genuchten， M. T. （1980）. A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils. Soil Science Society of American Journal， 44， 892–898.

[7]王鐵行，盧靖，岳彩坤. 考慮溫度和密度影響的非飽和黃土土-水特征曲線研究[J].巖土力學，2008（01）：1-5.