降雨條件下非飽和土高邊坡預警與失穩判據

陳文鋒 張 超 姚 琴

(中電建路橋集團有限公司，北京 100048)

高邊坡穩定性問題是巖土工程領域的一個重要研究課題，由于強降雨、巖土重力以及其他外力的影響，高邊坡常易發生滑動或崩塌破壞。因此，對高邊坡發生失穩破壞進行預警，具有重要的工程實踐應用意義。

有限元分析中采用強度折減法[1-7]是目前邊坡穩定性分析中實用性良好的一種數值分析方法，通過土地強度以及摩擦角等參數的折減直至邊坡達到臨界破壞狀態以獲得安全系數。高邊坡穩定性分析中降雨是影響邊坡滑坡失穩的一個重要因素，有限元軟件分析邊坡穩定性時考慮降雨入滲[8-12]的影響可以更符合實際工程需要。現有邊坡預警未考慮降雨影響，將折減系數—位移曲線分為勻速、加速、失穩三個變形階段，勻速與加速交接點為預警點，加速與失穩交接點為極限位移點[13]。綜上所述，降雨對高邊坡失穩具有重要的影響，可通過有限元軟件實現考慮強降雨入滲引起的土體飽和度、孔隙水壓力和滲透系數變化對高邊坡穩定性的影響分析，現有考慮強降雨影響的高邊坡失穩預警點判據研究較少。

本文基于邊坡工程失穩監測數據所得坡頂位移特征曲線，利用強度折減法并結合有限元軟件分析降雨入滲對高邊坡穩定性的影響，提出高邊坡失穩預警點與失穩破壞點判據。

1 強度折減法下高邊坡入滲分析原理

1.1 強度折減法原理

在邊坡穩定極限狀態下，施加外荷載所產生的剪應力與抵抗外荷載所發揮的最小抗剪強度相等，即與邊坡強度指標折減后所確定的抗剪強度相等。當假定邊坡同一土層的土體抗剪強度的發揮情況相同時，土體抗剪強度折減系數相當于邊坡整體穩定安全系數F，又稱邊坡強度儲備安全系數，與極限平衡法得出的穩定安全系數在概念上一致[14]。

折減后土體抗剪強度參數如式(1)所示：

φm=tan-1[(tanψ)÷Fr]

(1)

其中，φm為實際的抗剪強度；ψ為摩擦角；Fr為強度折減系數。假定不同的強度折減系數Fr，使用不同強度折減系數Fr折減后的強度計算，查看有限元模型計算結果是否收斂，不斷增加強度折減系數Fr，計算結果不收斂時即土體達到臨界破壞，此時的強度折減系數Fr即為邊坡穩定安全系數Fs。

1.2 非飽和土體滲流原理

雨水入滲巖土體會引起巖土體抗剪強度降低，地下水位的抬升會引起巖土體孔隙水壓力提高，因此需研究瞬態降雨滲流對高邊坡應力、應變和位移的影響[14]。

有限元模型中非飽和土體的滲透系數同基質吸力的變化如式(2)所示：

Kw=awKws÷[aw+(bw×(ua-uw))cw]

(2)

其中，Kws為飽和土的滲透系數，取5.0×10-6m/s(即0.018 m/h)；uw和ua分別為非飽和土體的水壓力和空氣壓力，考慮高邊坡坡面和外界空氣直接接觸，因此ua取0;aw,bw,cw均為非飽和土材料系數，分別取1 000，0.01和1.7。

土體的飽和度同基質吸力的變化如式(3)所示：

Sr=Si+(Sn-Si)×as÷[as+(bs×(ua-uw))cs]

(3)

其中，Sr為土體的飽和度；Si為殘余飽和度，取0.08；Sn為土體的最大飽和度，取1；as,bs,cs均為土體材料系數，分別取1,5×10-5,3.5。

2 邊坡失穩破壞預警方法

2.1 邊坡失穩位移變化特征

大量的邊坡穩定性研究及邊坡工程失穩監測數據[15-17]表明，邊坡在自重應力和外部環境因素的影響下，隨時間作用的推移，其坡頂位移呈現非線性的增長；當坡頂位移達到一定值時，邊坡將出現失穩破壞。邊坡失穩過程的位移變化特征曲線如圖1所示。

在圖1中，AB段為初始固結階段，邊坡巖土體經過漫長的地質年代，其變形速率逐漸減小；BC段為勻速變形階段，邊坡巖土體在初始固結變形的基礎上，受重力作用表現出勻速變形的特性，該階段受外部環境影響較大，表現為變形速率存在一定輕微的波動，整體勻速變形趨勢不變；CD段為加速變形階段，受外界環境因素的影響與時間的推移，坡頂位移出現大幅度的增長，包括坡頂水平位移與豎向位移，此時應對邊坡進行加固處理，避免邊坡發生失穩破壞；DE段為失穩階段，坡頂位移超過最大容許位移，坡頂位移變化率急劇增大，邊坡發生失穩破壞。

2.2 邊坡安全預警與失穩破壞判據

邊坡在自然狀態下受到外界環境以及外力的影響下，具有一定的內部應力調節能力，使邊坡保持穩定平衡狀態，當外界環境、外力和自重應力的總作用力超過邊坡可承受的擾動極限時，邊坡穩定性逐漸被破壞直至發生失穩破壞。在邊坡穩定性分析中，選取特殊部位的位移拐點作為評判邊坡穩定性的依據，如坡頂位移拐點，具有明確的物理意義，可直觀反映出邊坡失穩破壞的宏觀變化形式。通過極限平衡法求得邊坡安全穩定系數，其中條分法與坡頂位移拐點法求得的邊坡安全穩定系數誤差在3%以內[18]，說明有限元分析所得坡頂位移拐點法可行。

從圖1可知，BC段坡頂位移為勻速變化階段，C點處坡頂位移μ1表現出加速變形的趨勢，邊坡開始出現一定程度的失穩預兆，當坡頂位移達到或超過該值時應進行失穩預警，因此C點為邊坡失穩預警點。CD段坡頂位移為加速變化階段，D點處坡頂位移μ2為邊坡穩定的“最大變形量”，D點后邊坡發生失穩破壞，因此D點為邊坡失穩破壞點。

綜合以上分析可得，坡頂位移量在μ1與μ2之間是邊坡失穩發展過程的重要階段，邊坡由穩定狀態向失穩狀態過渡。因此，可以采用邊坡坡頂位移值作為邊坡失穩預警與失穩破壞評判依據，當邊坡坡頂位移達到失穩預警值μ1時，應進行邊坡加固措施以防止邊坡變形加劇；當邊坡坡頂位移達到失穩破壞值μ2時，邊坡將發生失穩破壞。

3 實例分析

3.1 工程概況及計算模型

依托工程為廣東佛(山)清(遠)從(化)高速公路北段典型高邊坡，區域位于廣州市花都區石角鎮，該區域屬于北江水系，水位、水流量受季節氣候影響較大，雨季降雨量流沛，地下水位較高、水流量大。由于高速公路開挖深度為22 m，以及開挖區域受連續強降雨的影響，致使邊坡上部土體常出現滑動，給邊坡下方居民造成嚴重的安全隱患，應實時監測邊坡并發出預警和破壞警報。

基于廣東佛清從高速公路段地質特點選取典型高邊坡并建立有限元模型，依據高速公路高邊坡區域路基斷面對稱性的特點，選取高邊坡路基左半部分進行有限元模型計算，設定左半部高邊坡路基縱斷面寬度為49 m，縱斷面高度為32 m，路面寬度為18 m，高邊坡邊坡高度為22 m，邊坡底寬度為12 m，邊坡地下水位高度為6 m，幾何尺寸如圖2所示。

建立高邊坡有限元計算模型，在高邊坡坡頂、坡底及邊坡處設置降雨入滲條件，高邊坡兩側及底部設置位移約束條件，高邊坡有限元模型采用的計算單元類型為CPE4P孔隙流體/應力類型，有限元模型網格屬性采用四面體掃略形式，單元格共有1 329個，計算模型如圖3所示。

3.2 計算假設與邊界條件

基于強度折減法分析高邊坡降雨條件下邊坡穩定性時，作出以下假設：

1)高邊坡土體同一土層的性質均勻，各向同性；

2)高邊坡土體同一土層的強度折減效果相同；

3)高邊坡降雨分析時，降雨入滲強度始終小于降雨最大強度，降雨垂直高邊坡坡面方向入滲。

模型邊界條件：

1)對高邊坡二維模型左右兩側土體法向位移進行固定約束，對高邊坡二維模型底部一側水平及法向位移進行固定約束；

2)依據高邊坡原地下水位及高邊坡區域持續性降雨情況，設置隨地下水位高度升高的高邊坡靜水孔壓邊界；

3)忽略降雨引起的地表積水，高邊坡降雨入滲邊界函數采用降雨強度即單位流量q(m/s)表示。

3.3 高邊坡模型參數的選取

對廣東佛清從高速公路段進行現場地質勘探及降雨情況收集，得到高邊坡區域土體物理參數和高邊坡區域降雨歷史數據。參考高邊坡區域地勘資料及降雨歷史數據，設定高邊坡有限元模型土體物理參數見表1，降雨相關參數取值見表2。依據高邊坡地勘資料數據，結合式(2)，式(3)得到廣東佛清從高速公路段高邊坡土體的滲透折減系數、飽和度和孔隙壓力，具體參數值如表3所示。

表1 高邊坡模型材料參數表

表2 降雨最大強度、時長和入滲強度參數取值表

表3 滲透折減系數、孔隙壓力與飽和度參數值

3.4 預警值與破壞值選取

基于強度折減法的邊坡穩定性研究[19,20]與邊坡失穩監測數據表明，在巖土自重應力和降雨入滲的影響下，高邊坡坡頂位移隨強度折減系數的增加發生劇烈變化的拐點為邊坡失穩破壞發生點，即安全系數取值點。為實現邊坡安全預警，需確定邊坡失穩破壞前的預警值。通過ABAQUS軟件對上述模型進行有限元分析，得出折減系數改變對坡頂位移的影響如圖4所示。

從圖4可知，A點(折減系數：1.381、水平位移：7.016 mm)，B點(折減系數：1.406、水平位移：-159.129 mm)，C點(折減系數：1.381、豎向位移：-486.496 mm)，D點(折減系數：1.406、豎向位移：-729.589 mm)，AC兩點和BD兩點對應安全系數相同；AB段水平位移的變化率隨折減系數的增大而逐漸增大，B點后水平位移的變化率隨折減系數增大而發生突變，水平位移突增6.3倍；CD段水平位移的變化率隨折減系數的增大而逐漸增大，D點后水平位移的變化率隨折減系數增大而發生突變，豎向位移突增1.8倍。因此，邊坡失穩破壞值可根據B點(或D點)選取，其中高邊坡失穩破壞時水平位移限值對應B點，豎向位移限值對應D點。本實例中，高邊坡失穩破壞時水平位移、豎向位移限值分別為159.129 mm和729.589 mm。

根據圖4曲線的變化趨勢可知，A點和C點后位移的變化率隨折減系數的增大而逐漸增大，A點后水平位移變化率達到48%，AB段變化率持續增加，A點后水平位移出現負值；C點后豎向位移變化率達到10.2%，CD段變化率持續增加。高邊坡失穩破壞嚴重威脅人員安全，為預防邊坡失穩造成的人員傷亡，高邊坡失穩破壞預警點可根據A點(或C點)選取。

4 結語

本文研究高邊坡失穩發展規律，結合強度折減法和降雨入滲原理，提出一種降雨入滲條件下高邊坡穩定性安全預警與失穩判定方法，主要結論如下：

1)基于邊坡失穩變形發展規律，可以將邊坡失穩變形劃分為初始固結階段、勻速變形階段、加速變形階段和失穩階段等四個階段，由此判斷得出失穩預警點和失穩破壞點。

2)在得到強度折減系數與坡頂位移的關系曲線后，可將水平和豎向位移發生突變作為高邊坡失穩破壞判斷依據，其中水平位移變化率大于500%，豎向位移變化率大于150%。

3)高邊坡接近失穩破壞時，失穩破壞預警點的選取可借助坡頂位移變化，按照水平位移變化率大于40%，豎向位移大于10%考慮。