土體濕度對建筑邊坡穩(wěn)定性的影響

田毓仁 馬晉文 劉鵬翔

（中晉環(huán)境科技有限公司，山西 太原 030002 ）

建筑邊坡的穩(wěn)定性與周邊環(huán)境的安全息息相關(guān),而在復(fù)雜的自然環(huán)境下，建筑邊坡巖土體受降雨、日照等諸多因素的影響而產(chǎn)生力學(xué)性能改變，從而導(dǎo)致穩(wěn)定性下降。其中，土體中水含量對于邊坡穩(wěn)定性的影響極為突出，因此，本文針對土體濕度對建筑邊坡穩(wěn)定性的影響展開分析研究，旨在為降低邊坡工程發(fā)生滑坡等災(zāi)害的風(fēng)險提供理論參考。

1 基本方法

國內(nèi)外眾多學(xué)者通過開展試驗與理論分析，提出了諸多建筑邊坡穩(wěn)定性的分析方法。目前應(yīng)用較多的方法基本可分為兩大類型，即有限元法和極限平衡法。

1.1 條帶（塊）法

條帶（塊）法是一種普遍應(yīng)用的極限平衡法，其中包括Bishop 法、Janbu法等等。土體受重量、壓力、荷載等作用而產(chǎn)生下滑力，同時因自身抗剪強度而產(chǎn)生抗滑力。條帶（塊）法將坡體假設(shè)為若干條帶（塊），通過計算各條帶（塊）沿滑動面的彼此平衡狀態(tài)，以抗滑力Muit與下滑力Mact的比值作為穩(wěn)定性系數(shù)F，以此對邊坡的穩(wěn)定性進行分析，如式1 所示。

一般情況下，應(yīng)用條帶（塊）法時主要分析土體重量、壓力、荷載、抗剪強度等，而不討論水和土體介質(zhì)差異性對邊坡穩(wěn)定性的影響。

1.2 強度折減法

在面對土體的應(yīng)力變化和變形等復(fù)雜問題時，工程人員越來越普遍地采用有限元法進行數(shù)值分析計算，其中以強度折減法最為典型。強度折減法是在假設(shè)邊坡土體抗剪強度無差異條件下，以抗剪強度指標(biāo)除以折減系數(shù)得到新指標(biāo)，如式2 所示。

將新指標(biāo)代入有限元中進行計算，以臨界破壞時的折減系數(shù)作為建筑邊坡安全系數(shù)。

2 研究對象及特征

富含粘性礦物的紅層風(fēng)化泥巖抗風(fēng)化能力非常低，巖土結(jié)構(gòu)松散，自身抗剪強度較低，遇水后更加嚴重。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計資料顯示，我國西北地區(qū)大部分的滑坡災(zāi)害發(fā)生地都為紅層風(fēng)化泥巖。因此，本文選取位于我國西北地區(qū)的某磚砌單層獨棟住宅建筑作為研究對象。據(jù)現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)，該建筑邊坡平均坡角為20°，巖土體為典型的紅層風(fēng)化泥巖，由于排水失當(dāng)而造成邊坡失穩(wěn)。某次降雨后該住宅建筑基礎(chǔ)位移，且發(fā)現(xiàn)架空層上部存在剪切破壞問題。

3 建筑邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 計算方法

本文根據(jù)研究對象的具體情況，在綜合考慮諸多主要影響因素后，選擇以強度折減法對該建筑邊坡穩(wěn)定性進行計算分析。當(dāng)巖土體的參數(shù)值持續(xù)下降時，屈服曲面空間將隨抗剪強度指標(biāo)的改變而越來越小，因此在超出界限后會出現(xiàn)失真問題。針對這一問題，本文采用本構(gòu)方程積分的迭代方法改變給定點的應(yīng)力狀態(tài)，通過重置應(yīng)力分布使超出界限的點回到屈服曲面空間內(nèi)。

綜上，本研究中計算目標(biāo)建筑邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的方程如式3：

式中 C0，φ0為研究模型的初始參數(shù)值；Cf，φf為迭代過程中未收斂的研究模型參數(shù)值。

根據(jù)模型參數(shù)值的迭代收斂過程，得到對應(yīng)的滑動面。通過以下方程計算求取彈-塑性模型所描述的屈服曲面內(nèi)摩擦角與粘聚力：

式中P′為平均應(yīng)力值；q 為偏應(yīng)力值；θ 為彎曲角。

由式4 可知應(yīng)力不變量決定了給定點位置與屈服面之間的關(guān)聯(lián)，使給定點位置在屈服狀態(tài)時無法移動到屈服面之外。

同理，在非摩擦角與粘聚力決定屈服空間位置的情況下，仍以此方法使決定屈服空間位置的相應(yīng)參數(shù)減小，使屈服面與穩(wěn)定系數(shù)保持正比關(guān)系。

3.2 計算過程

根據(jù)前文所述穩(wěn)定性分析方法，選用Z-Soil 軟件進行模型模擬試驗。本試驗假設(shè)變形狀態(tài)為扁平變形，以4 節(jié)點四邊形有限元描述建筑邊坡巖土體，構(gòu)建如圖1 所示建筑邊坡穩(wěn)定性試驗?zāi)Ｐ汀?/p>

針對地下水的影響，本試驗中采用雙組分介質(zhì)形式，以水、土兩種介質(zhì)對土體成分進行描述。根據(jù)達西定律，達西系數(shù)取值k=0.1m/d，V 為水的流速，i 為液壓下降，則滲流表達式如下：

本試驗中假定土體滲流為穩(wěn)定流，不考慮滲流場隨時間變化的影響情況。根據(jù)太沙基定律，土體有效應(yīng)力與孔隙內(nèi)水壓間的關(guān)系如下：

3.3 分析流程

本文的主要試驗分析流程如下：

（1）分析土體以及建筑物自身重量所產(chǎn)生的應(yīng)力情況；

（2）設(shè)定荷載為均勻分布條件下，分析建筑邊坡荷載；

（3）設(shè)定水流速為0.03m/d 條件下，分析滲流的附加邊界條件；

（4）以前文所述計算方法，計算模型的穩(wěn)定性系數(shù)。

穩(wěn)定性系數(shù)大于1 即為永久平衡狀態(tài)，但通常取1.3 作為安全系數(shù)。考慮到本試驗的土體介質(zhì)為粘性土，其抗剪強度受含水量因素影響較明顯，因此分析中設(shè)定邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)低于1，即不穩(wěn)定狀態(tài)。設(shè)定坡頂?shù)叵滤宦裆顬?.0m，坡底為2.0m。本試驗中水滲流過程的邊界條件如圖2 所示：

3.4 分析結(jié)果

根據(jù)分析流程對試驗結(jié)果進行分析，從圖2 所示的滲流分析圖中可以發(fā)現(xiàn)，建筑周邊土體介質(zhì)中水流速較大，在滲流作用下，建筑物地基以及邊坡的穩(wěn)定性受到較大的不利影響。導(dǎo)致這一問題的主要原因是由地形因素導(dǎo)致的水力坡度，同時也考慮降雨入滲因素的影響。

試驗得到建筑邊坡整體滑移模型圖，如圖3 所示。

根據(jù)圖3 可知，該建筑邊坡可能發(fā)生兩種滑移情況。圖3-a 為建筑邊坡結(jié)構(gòu)大體保持完整的狀態(tài)下隨土體整體滑移；圖3-b 為邊坡局部發(fā)生淺層滑移。其中，建筑邊坡局部淺層滑移將出現(xiàn)剪切破壞等情況，與本文所選取的磚砌單層獨棟住宅建筑所發(fā)生的情況基本相同。通過數(shù)值分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，建筑邊坡的土體強度對穩(wěn)定系數(shù)的影響非常明顯。此外，建筑邊坡土體中的水壓力也有較大的影響作用，降雨后雨水滲入建筑邊坡土體中使孔隙水壓力改變，導(dǎo)致建筑邊坡土體抗剪強度大幅下降。

4 結(jié)論

本文以我國西北地區(qū)某建筑邊坡作為研究對象，運用有限元軟件進行了數(shù)值模擬試驗，以強度折減法進行計算分析。模擬試驗的分析結(jié)果表明，土體含水量對土體強度產(chǎn)生極大影響，而土體強度的改變對建筑邊坡的穩(wěn)定性有著巨大影響。若排水措施不當(dāng)，極易受地形、降水等因素而導(dǎo)致土體含水量增加，從而導(dǎo)致建筑邊坡發(fā)生破壞情況。模擬分析結(jié)果與研究對象的實際情況基本符合，由此可確定本研究對于今后建筑邊坡工程有著較為可靠的理論參考價值。