基于強度衰減模型的降雨對邊坡滲流影響的研究

陳亨莊

（福建省地質(zhì)工程研究院，福州350002）

1 引言

近年來，中國有記錄的滑坡次數(shù)達到60 000 次以上，其中90%滑坡的發(fā)生都與當?shù)爻掷m(xù)不斷的降雨有關(guān)，說明降雨對滑坡的形成起到了至關(guān)重要的作用，高強度和長時間的暴雨更容易引發(fā)滑坡。除人工開挖山坡、砍伐植被等外部因素外，土體的黏聚力、內(nèi)摩擦力等內(nèi)在因素也影響著邊坡穩(wěn)定。滲流引發(fā)的土體含水量變化是控制黏聚力和內(nèi)摩擦力等強度指標的關(guān)鍵因素[1,2]。本文以福建省某公路右側(cè)邊坡為對象，在ABAQUS 軟件中模擬并分析了降雨對該邊坡滲流關(guān)鍵參數(shù)的影響。

2 強度衰減模型

黏性土體的強度指的是其抗剪強度，也就是土體抵抗剪切變形的能力。土體抗剪強度的大小主要受到黏聚力和內(nèi)摩擦角的控制，所以準確描述土體黏聚力和內(nèi)摩擦角在降雨作用下的發(fā)展規(guī)律是建立強度衰減模型的關(guān)鍵[3,4]。

黏聚力是土體顆粒之間各種黏結(jié)作用力的統(tǒng)稱，內(nèi)摩擦角與顆粒發(fā)生錯動時產(chǎn)生的摩擦力有關(guān)，這些作用力可以分為3 類：（1）土體顆粒骨架間的連接力；（2）土體顆粒受外力作用發(fā)生轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的反作用力，稱為轉(zhuǎn)動定向力；（3）土體處于不完全干燥狀態(tài)時，由于顆粒空隙存在薄膜水而產(chǎn)生的作用力。其中，黏聚力主要與前兩類作用力有關(guān)，內(nèi)摩擦角則與第三類作用力相關(guān)。

黏聚力與土體含水量的關(guān)系式為：

式中，c 為土體黏聚力；c01 為飽和土體的第一類作用力；c1（w）為不同含水量下的第一類作用力；w 為含水量；c2為第二類作用力，第二類作用力由土體顆粒的原始排布決定，不隨含水量的變化而改變。

內(nèi)摩擦角與含水量的關(guān)系式為：

式中，φ 為摩擦角；φ1為摩擦角與土體法向應(yīng)力相關(guān)的部分，不隨含水量的變化而改變；φ（w）代表的摩擦角與基質(zhì)吸力呈正相關(guān)。

將上述公式整合得到土體強度衰減模型：

3 建立模型

文本以山東省某公路右側(cè)邊坡為對象建立模型，該邊坡總長400m，最大開挖高度約50m，坡頂寬22m，走向265°，主滑角為25°。

4 計算結(jié)果分析

本文計算并對比了邊坡模型在經(jīng)歷24h 強度為1.0mm/h的中雨前后的孔隙水壓力、土體滲流速度、滲透力的結(jié)果，以及不同降雨強度、不同降雨時長下的滲流參數(shù)發(fā)展。

4.1 孔隙水壓力隨降雨入滲的變化

經(jīng)歷降雨入滲作用后，孔隙水壓力的變化規(guī)律是：（1）上層土體最先接觸入滲水流，含水量增加最快，所以孔隙水壓力增幅最大，等壓線向下彎曲的幅度最顯著。（2）中層土體有一定埋深，巖土顆粒擠壓得較緊密，滲透能力下降，入滲水主要向下流動，所以中層土體含水量和孔隙水壓力的變化不大。（3）巖土完整度最高的下層土體的滲透系數(shù)最小，而且該層處于地下水位之下，土體孔隙間始終充滿了飽和水，其含水量基本不受降雨入滲的影響，所以孔隙水壓力基本不變。

4.2 滲流速度隨降雨入滲的變化

為更清楚地觀察和分析邊坡各層土體滲流速度的變化過程，提取24h 降雨下各層土體的平均滲流速度發(fā)展曲線發(fā)現(xiàn)這樣的規(guī)律：（1）中層土體滲流速度最大，上層土體滲流速度居中，下層土體基本不產(chǎn)生滲流，其滲流速度基本為零。（2）上層和中層土體位于地下水位以上，屬于含水量非飽和區(qū)，降雨對其滲流速度的影響較大，而位于含水量飽和區(qū)的下層土體的滲流速度基本不受降雨入滲的影響。（3）除下層土體外，邊坡其余位置的滲流速度均隨降雨的持續(xù)而不斷增加。

4.3 滲透力隨降雨入滲的變化

滲透力指的是入滲水流的表面張力對土體顆粒骨架的牽引力，表現(xiàn)為土體的變形、沉降和裂隙發(fā)育等。滲透力隨降雨入滲的變化規(guī)律是：（1）各層土體的滲透力均隨降雨入滲而持續(xù)增加，上層土體滲透力的增幅明顯，中層和下層土體的滲透力曲線基本重合，說明滲透力主要作用在邊坡表層，而且隨土層深度增加而減小的效果顯著。（2）24h 的降雨結(jié)束后，上層土體滲透力峰值達到6 540N/m3，是初始滲透力855N/m3的數(shù)倍，也遠遠超過其他土層的滲透力峰值。

4.4 不同降雨強度下的滲流參數(shù)變化

分別以0.5mm/h、1.0mm/h、2.0mm/h 和5.0mm/h 的降雨強度作用于模型，由上文可知，中層土體的滲流速度和上層土體的滲透力對降雨入滲的敏感率最高，所以本小節(jié)以中層土體為對象來分析降雨強度對滲流速度的影響，以上層土體為對象來分析滲透力的變化。如圖1a 所示，降雨強度越大，土體滲流速度的增長越快，曲線斜率越大，邊坡失穩(wěn)的可能性越高，工程中應(yīng)警惕強降雨對邊坡安全性的負面作用。如圖1b 所示，土體的滲透力與降雨強度也呈現(xiàn)出正相關(guān)的特點，強降雨下的邊坡可能更容易發(fā)生變形、塌陷和沉降。

圖1 不同降雨強度下的滲流場發(fā)展曲線

4.5 降雨時長影響下的滲流參數(shù)變化

本小節(jié)依然以中層、上層土體為對象來分別分析邊坡的滲流速度和滲透力變化，模擬降雨強度0.5mm/h、1.0 mm/h、2.0 mm/h、5.0mm/h 的不同降雨時長下的滲流速度和滲透力。得出結(jié)果如下：（1）同一降雨強度下，滲流速度隨降雨時長呈線性增加，降雨強度越大，滲流速度的增幅越大，曲線的斜率越大；（2）同一降雨強度下，滲透力隨降雨時長而增大，時長越長、降雨強度越大，則曲線彎曲程度越高。

5 結(jié)論

本文以福建省某公路右側(cè)邊坡為對象展開的降雨對邊坡滲流影響的研究，得到以下結(jié)論：（1）經(jīng)歷了24h 的1.0mm/h 降雨作用的邊坡孔隙水壓力隨高程的增加而降低，受地下水位的影響，上層、中層土體孔隙水壓力為正，下層土體孔隙水壓力為負。不同土層滲流速度的大小是：中層＞上層＞下層，滲透力的作用主要表現(xiàn)在上層土體。（2）在降雨強度、降雨時長的單獨或組合作用下，滲流速度和滲透力與之均表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系，在強降雨地區(qū)的邊坡工程應(yīng)當注意加固措施。