土體濕度對建筑邊坡穩定性的影響

田毓仁 馬晉文 劉鵬翔

（中晉環境科技有限公司，山西 太原 030002 ）

建筑邊坡的穩定性與周邊環境的安全息息相關,而在復雜的自然環境下，建筑邊坡巖土體受降雨、日照等諸多因素的影響而產生力學性能改變，從而導致穩定性下降。其中，土體中水含量對于邊坡穩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定性的影響展開分析研究，旨在為降低邊坡工程發生滑坡等災害的風險提供理論參考。

1 基本方法

國內外眾多學者通過開展試驗與理論分析，提出了諸多建筑邊坡穩定性的分析方法。目前應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、荷載等作用而產生下滑力，同時因自身抗剪強度而產生抗滑力。條帶（塊）法將坡體假設為若干條帶（塊），通過計算各條帶（塊）沿滑動面的彼此平衡狀態，以抗滑力Muit與下滑力Mact的比值作為穩定性系數F，以此對邊坡的穩定性進行分析，如式1 所示。

一般情況下，應用條帶（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差異性對邊坡穩定性的影響。

1.2 強度折減法

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

將新指標代入有限元中進行計算，以臨界破壞時的折減系數作為建筑邊坡安全系數。

2 研究對象及特征

富含粘性礦物的紅層風化泥巖抗風化能力非常低，巖土結構松散，自身抗剪強度較低，遇水后更加嚴重。據相關統計資料顯示，我國西北地區大部分的滑坡災害發生地都為紅層風化泥巖。因此，本文選取位于我國西北地區的某磚砌單層獨棟住宅建筑作為研究對象。據現場調查數據，該建筑邊坡平均坡角為20°，巖土體為典型的紅層風化泥巖，由于排水失當而造成邊坡失穩。某次降雨后該住宅建筑基礎位移，且發現架空層上部存在剪切破壞問題。

3 建筑邊坡穩定性分析

3.1 計算方法

本文根據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定性進行計算分析。當巖土體的參數值持續下降時，屈服曲面空間將隨抗剪強度指標的改變而越來越小，因此在超出界限后會出現失真問題。針對這一問題，本文采用本構方程積分的迭代方法改變給定點的應力狀態，通過重置應力分布使超出界限的點回到屈服曲面空間內。

綜上，本研究中計算目標建筑邊坡穩定性系數的方程如式3：

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

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

式中P′為平均應力值；q 為偏應力值；θ 為彎曲角。

由式4 可知應力不變量決定了給定點位置與屈服面之間的關聯，使給定點位置在屈服狀態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參數減小，使屈服面與穩定系數保持正比關系。

3.2 計算過程

根據前文所述穩定性分析方法，選用Z-Soil 軟件進行模型模擬試驗。本試驗假設變形狀態為扁平變形，以4 節點四邊形有限元描述建筑邊坡巖土體，構建如圖1 所示建筑邊坡穩定性試驗模型。

針對地下水的影響，本試驗中采用雙組分介質形式，以水、土兩種介質對土體成分進行描述。根據達西定律，達西系數取值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定流，不考慮滲流場隨時間變化的影響情況。根據太沙基定律，土體有效應力與孔隙內水壓間的關系如下：

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生的應力情況；

（2）設定荷載為均勻分布條件下，分析建筑邊坡荷載；

（3）設定水流速為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，計算模型的穩定性系數。

穩定性系數大于1 即為永久平衡狀態，但通常取1.3 作為安全系數?？紤]到本試驗的土體介質為粘性土，其抗剪強度受含水量因素影響較明顯，因此分析中設定邊坡的穩定性系數低于1，即不穩定狀態。設定坡頂地下水位埋深為1.0m，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 分析結果

根據分析流程對試驗結果進行分析，從圖2 所示的滲流分析圖中可以發現，建筑周邊土體介質中水流速較大，在滲流作用下，建筑物地基以及邊坡的穩定性受到較大的不利影響。導致這一問題的主要原因是由地形因素導致的水力坡度，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。

根據圖3 可知，該建筑邊坡可能發生兩種滑移情況。圖3-a 為建筑邊坡結構大體保持完整的狀態下隨土體整體滑移；圖3-b 為邊坡局部發生淺層滑移。其中，建筑邊坡局部淺層滑移將出現剪切破壞等情況，與本文所選取的磚砌單層獨棟住宅建筑所發生的情況基本相同。通過數值分析結果發現，建筑邊坡的土體強度對穩定系數的影響非常明顯。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，導致建筑邊坡土體抗剪強度大幅下降。

4 結論

本文以我國西北地區某建筑邊坡作為研究對象，運用有限元軟件進行了數值模擬試驗，以強度折減法進行計算分析。模擬試驗的分析結果表明，土體含水量對土體強度產生極大影響，而土體強度的改變對建筑邊坡的穩定性有著巨大影響。若排水措施不當，極易受地形、降水等因素而導致土體含水量增加，從而導致建筑邊坡發生破壞情況。模擬分析結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。