雨水入滲下土體抗剪強度劣化時殘坡積土邊坡的穩定性及加固研究

郭 濤 ，魏業清，王 旭

(1.昆明理工大學 建筑工程學院，云南 昆明 650500； 2.云南交通咨詢有限公司，云南 昆明 650000)

滑坡災害作為地質災害的一種，一直是危害人類生命財產和工程建設安全的主要災害之一，對人類的生活秩序與環境造成了嚴重的破壞，因此滑坡預警及其加固成為巖土工程中研究的熱點問題之一。影響滑坡的主要外部因素有：強降雨、人類工程開挖活動和地震影響等。大量資料顯示，降雨入滲和地震已成為影響邊坡穩定性的主要因素之一。例如中國科學院地球環境研究所最新資料顯示，2008年汶川地震中由于降雨和地震產生滑坡近6萬個，岷江、沱江、涪江三條河流的輸沙量增加了3～7倍[1]。

我國西南地區屬于東部季風區，氣候濕潤，雨量豐沛，由于其地勢起伏不平，降雨時間及空間不均。而自然界中，大多數土體為非飽和土體，若遭遇大暴雨或是在持續的降雨過程中，雨水入滲使土體的飽和度、含水量增大，影響土體的黏聚力、內摩擦角，導致山體巖石松動，容易發生滑坡災害。學術界對降雨入滲對滑坡之影響的研究較早，國內外學者在試驗研究、理論推導及數值仿真等方面進行了大量工作，并取得了一些成熟的結果。例如，臺灣學者陳天健[2]通過人工降雨模型試驗研究了降雨入滲對滑坡類型的影響，并認為深層滑動主要發生在降雨強度接近于土壤滲透系數時。王維早[3]等利用自主研制的離心場降雨模擬設備，通過大型離心模型試驗，再現了南江縣紅層地區堆積層在強降雨作用下的滑動失穩過程。冷先倫[4]等基于Mein-Larson入滲模型，建立了坡面降雨入滲模型并結合無限邊坡極限平衡法對邊坡的穩定性進行了分析，得出降雨條件下，把水和土的混合物作為研究對象和把土骨架作為研究對象所得的穩定性結果是一致的結論。崔云[5]等通過構建水動力模型，對降雨的激發控制作用進行了分析，得出水動力控制機理的結論。李濤[6]等基于厚覆蓋層邊坡失穩機理研究了降雨影響下的厚覆蓋層邊坡滲流特征及穩定性；石振明[7]等通過改進的Green-Ampt入滲模型，提出了多層非飽和土邊坡降雨入滲的邊坡穩定性計算方法。蔣澤鋒[8]在考慮降雨過程中的瞬態孔隙水壓力場和張裂隙充水時的靜水壓力的基礎上對邊坡的臨界滑動場進行了研究，并得出張裂隙的位置、深度以及張裂隙中的靜水壓力對邊坡穩定性和滑動面形狀具有較大影響。在治理方面，工程界主要采用抗滑樁、錨桿(索)、支擋、錨噴支護等措施。其中抗滑樁因其具有較強的抗滑力，支擋效果明顯，而且樁孔位置靈活多樣，工藝簡單以及施工方便等優點，被廣泛應用于邊坡加固[9-13]。然而，由于土體的破碎性、孔隙性、多相性和滲流流態的復雜性等，使理論推導難于具有較好的普適性。試驗直觀性強，是研究降雨入滲下邊坡穩定性的最直接、有效的手段，然而成本高、周期長而且試驗條件要求高。因此，條件允許時，宜盡量采用試驗方法，輔于數值仿真。本文基于土體材料參數的試驗結果，采用數值方法研究了某后緣大裂隙發育邊坡，在雨水入滲致使土體抗剪強度發生劣化時，抗滑樁對此類邊坡的加固效果。該實例分析為工程上類似滑坡的預測、初步分析和加固設計提供了相應的指導意義。

1 雨水入滲對土體強度的劣化影響

一般認為，土體的抗剪強度是描述其穩定性的重要指標之一。而不管是黏土還是粗顆粒土，受到水體浸泡或者干濕循環作用后，均會引起土體軟化，土顆粒之間咬合力降低，使滑體出現不穩定狀態。說明雨水入滲、庫水升降等外部因素的變化，容易導致黏聚力和內摩擦角等物性參數降低、使抗剪強度劣化。以往研究也發現，考慮抗剪強度劣化時，降雨對岸坡的穩定性影響要大于庫水升降等水庫運行工況[14-18]。尤其是滑體后緣大裂隙發育，裂隙呈張開狀態且降雨充水時，新滑動面最有可能出現在老滑帶上。

工程中常用的考慮孔隙水壓力的非飽和土抗剪強度公式為：

τ=c+(σ-ua)tgφ+(ua-uw)tgφ′.

(1)

式中：c、φ分別為土體有效黏聚力和內摩擦角，φ′為與基質吸力相關的強度提高傾角，一般取0.5φ，ua和uw分別為非飽和土體中的孔隙氣壓力和負孔隙水壓力。該公式明確反映了土體強度與基質吸力之間的關系，公式提出者Frellund認為，基質吸力在本質上是一種應力狀態變量，在一定程度上可以提高土體的抗剪強度。該公式雖然得到了巖土界的廣泛認可，但是測量吸力的非飽和土三軸試驗周期長、成本高，而且現階段的非飽和土固結模型不僅復雜還不具有普適性，給數值計算和理論分析帶來了困難。雖然吸力不容易測定，但土體的飽和度(含水量)卻很容易確定。那么，飽和度、含水率是如何影響土體的抗剪強度劣化呢？

眾所周知，非飽和土中的基質吸力對其性質和強度影響顯著。從土-水特征曲線來看，不管是Van Genuchten[19]建立的冪函數型VG方程，還是Frellund等[20-22]提出的對數函數型方程，甚至是基于分形幾何方法描述的土-水特征曲線[23]，都明確表明了基質吸力與土體的含水率之間存在著密切關系。因為，對持水能力相同(礦物成分、孔隙結構和應力歷史相似)的同一種土，當雨水入滲使飽和度發生變化時，含水率決定了土體的收縮膜形狀，進而間接影響了土體的抗剪強度。因此，本文從非飽和土強度隨含水量變化這方面入手，采用通過室內三軸儀對不同組含水量的非飽和殘坡積土樣進行了UU試驗，測其抗剪強度。

該土樣為云南紅土，力學性能一般，遇水易軟化、崩解。土樣干密度為1.3 g/cm3，比重2.76，孔隙比1.12，土壤液限41.3%，塑限7.1 %，自然膨脹率47.0%，沙礫含量3.5%，粉礫含量47.4%，粘礫含量14.6%，膠礫含量34.5%，試樣制備時采用自然風干、過篩，再加水配土制樣的方法。先確定最優含水率和最大干密度以后得到壓實度，在擊樣器內分層擊實(5層)，試樣為高80 mm，直徑39 mm的小試樣，如圖1所示，整理后的試驗數據如圖2所示。

圖1 非飽和土強度試驗Fig.1 Triaxial shear tests of unsaturated soil

圖2 非飽和土抗剪強度指標隨含水量的變化Fig.2 Relationship between shear strength with different water contents

2 計算模型

本文研究對象為云南境內某高速公路某標段邊坡。該邊坡位于剝蝕丘陵地貌山坡坡腳處，滑體前緣呈舌狀延伸至路基上，后緣處于殘坡積物形成的陡坎處，后緣大裂隙發育，垂直錯動現象明顯，而且基本處于張開狀態。治理初期，提出了兩套治理方案：一是從滑體后緣裂隙處灌水，人為造成滑坡，使其徹底滑動消除隱患后，再進行后續治理。但該方案太過激進，甲方怕引入過多不可控問題，因此放棄。該邊坡屬于滑移-拉裂的深層滑動破壞，滑床主要以老黏土為主，夾雜大塊孤石，物性參數較好。經討論后采取截排地表地下水、削坡減重后，再支擋加抗滑的治理方案。依此建立的計算模型如圖3所示，分別為原始邊坡、放坡開挖后和設置樁承式支擋結構后的邊坡。邊坡兩側施加法向約束，頂部為自由邊界，基巖底部固定。

圖3 有限元模型Fig.3 The FEM model

抗滑樁采用C30混凝土灌注樁，樁徑1 m，樁間凈距0.8 m，樁端打入基巖面以下3.5 m，屬端承樁。原始樁—土接觸面的摩擦系數為0.36。該邊坡土樣滲透系數K=1.0～8.0×10-6cm/s，彈性模量200 MPa，容重22 kN/m3，泊松比0.25。基巖彈性模量20 GPa，容重27 kN/m3，泊松比0.22。

計算假設：雨水從邊坡后緣上部裂隙處入滲并沿順坡方向滲流時，使老滑動帶復活。同時忽略浸潤鋒的發展過程，假設滑動帶土體的飽和狀態是同步的，屬于深層滑動。當滑動帶逐漸飽和后，微小的位移將產生很高的超孔隙水壓力，瞬時間滑動帶土體內(尤其是砂土)的有效應力接近零，發生“靜態液化”，即流滑現象。在忽略滲流力作用的基礎上探討了抗滑樁對此類邊坡的加固效果。

3 結果分析

圖4為原始狀態、 放坡開挖和抗滑樁加固后的滑體位移云圖。從圖中可以看出： (1)不作任何處理時，滑體的最大位移為33.4 mm，邊坡下滑趨勢明顯；開挖卸載后，位移最大值為31.5 mm，降低不明顯；由于該滑體坡度陡，上部重量大，滑體后緣出現大量裂隙，滑體自身的穩定性低，老滑動帶復活的概率大，極有可能出現新的崩塌和滑坡。因此，采用削坡減載的方法已不適用于工程實際情況，除非將滑體上部土層大范圍的挖走，但由于該滑體規模大，土方量多，工程耗資加大，所以綜合考慮應采用抗滑樁加擋土墻支護的方案。加擋土墻及抗滑樁之后，位移減小到25.4 mm；(2)從圖4(e)～(g)可知，當滑體飽和度達到一定程度以后，位移不再是以沉降為主，而是呈現出水平方向的梯狀分布，說明土體有一定的下滑，水平方向的位移占主導地位。而抗滑樁前面的滑體前緣仍舊以沉降為主。

圖4 位移云圖(單位：m)Fig.4 Displacement of unsaturated soil slope

由圖5、圖6可看出：(1)不考慮降雨的情況下，抗滑樁有效的阻止了滑體的下滑，剪應力也很小，邊坡基本不會發生大的變形和垮塌現象，加固效果明顯；(2)但是在降雨入滲情況下，土體的內摩擦力、黏聚力等隨著飽和度的增加而降低，從而使邊坡的穩定性也降低。即便采取了抗滑樁支護，當含水量達到20.13%以上時，滑體上半部的下滑位移也明顯增加。不過，在抗滑樁部位，位移降低至1 mm以內，說明抗滑樁起到了明顯的阻止滑坡作用；(3)當含水量超過30%時，下滑位移和剪應力都非常大，最大剪應力達到0.556 MPa，雖然抗滑樁阻止了上半部滑體的滑坡，但是抗滑樁前面的滑體前緣仍然產生了滑坡；(4)而含水量為18.16%時，位移及剪應力卻非常小，這與土壤在不同含水量情況下的黏聚力以及基質吸力有關。土壤接近最佳含水量時，會形成一種黏聚力，有效地阻止了土體的下滑。

圖5 滑體表面下滑位移Fig.5 Displacement of slope surface

圖6 滑動帶上的剪應力Fig.6 Displacement of dangerous slip surface

如圖7所示，隨抗滑樁深度的發展，樁背土壓力沿樁身往下增大，主要是主動土壓力。在滑動帶上，樁端嵌入基巖附近，出現負的被動土壓力，說明該位置是樁的“剪切點”。從圖8也可以看出，該位置樁的主拉應力也出現了突增現象。而且隨著滑體飽和度增加，滑動推力增強，在該位置樁身的應力也明顯增大，存在樁身折斷的風險，應該引起重視。當樁處于成層土中且土層剛度相差較大，且存在突增水平力(地震、滑坡推力)作用時，軟硬土層界面處的剪力和彎矩均會出現突增，這是基樁震害的主要原因之一，應該采用動力分析方法進一步復核。

圖7 樁背土壓力Fig.7 Soil pressure behind pile body

圖8 樁身應力分布Fig.8 Stress of pile body

4 結論

本文忽略浸潤鋒的發展，在假設滑動帶上土體的飽和狀態是整體同步發展的基礎上，分析了某滑體后緣裂隙發育邊坡的穩定性及其支擋效果。得到以下結論：抗滑樁擋土墻等支護結構能有效阻止滑體的下滑。在土體含水量達到18.16%時，土壤內黏聚力增強，邊坡穩定性也較好。但隨著含水量及飽和度持續增加，滑體下滑位移增大，樁側出現了應力集中現象，存在斷樁風險，因此建議時刻監測滑體速度，必要時可緊急打金屬樁(群)應急，但須避免震動和坡體過度超載，并且制定相關應急處置和疏散方案。特別是含水量大于30%時，即使樁身安全得到保證，但抗滑樁前面的滑體前緣也會出現局部滑坡。可見，對于后緣裂隙發育的邊坡，較好的排水系統是邊坡穩定性的保障前提。