土體非飽和滲流特性對邊坡穩定性影響

2022-02-14 10:06:14曾強

水利科學與寒區工程 2022年1期

曾強

(遼寧省沈陽市蘇家屯區農業農村服務中心，遼寧沈陽 110101)

隨著人類社會的迅速發展，自然環境受到人類的干擾不斷加大，加之極端惡劣天氣，致使滑坡問題在邊坡工程中日益顯著。目前，已有大量學者針對非飽和土邊坡的穩定性展開了研究。許方領[1]通過建立二維邊坡有限元模型，針對降雨條件下邊坡滲流場、應力場和位移場的變化規律進行研究，為非飽和土邊坡的工程設計提供參考。柴軍瑞[2]通過有限元數值理論，建立非飽和土邊坡的滲流-應力數學模型，針對壩體內的滲流場與應力場變化關系進行研究。Sammori T等[3]通過簡化畢肖普法建立滲流方程，利用有限元方法對邊坡滲流問題進行模擬，并對邊坡失穩的誘因進行敏感性分析。陳曉平等[4]以某地工程為研究對象，建立有限元數值模型，對比分析土壩穩定性在滲流場與應力場在耦合作用下的變化規律。李筱艷等[5]通過實地監測，根據實際工程情況，建立理論分析模型，研究分析基坑變形的實測結果與理論推導得到的預測結果是否吻合。陳善雄等[6]采用考慮了土體含水率變化的簡布法，將土體抗剪強度視為邊坡土體飽和度的函數，研究分析在降雨條件下邊坡穩定性的變化規律。Paolo Paronuzzi[7]通過有限元軟件，建立滲流-應力邊坡模型，并考慮滲流場和應力場的耦合作用，對引發邊坡失穩的因素進行研究分析。湯卓等[8]依據實際工況，利用有限元模擬方法建立模型，分析在流固耦合作用下尾礦庫滲流場與應力場的相互關系。包承綱[9]通過極限平衡方法，以膨脹土為研究對象，研究分析邊坡土體內部的基質吸力在不同浸潤條件下的變化規律。

綜合上述研究成果，本研究以某地邊坡為研究對象，利用有限元模擬軟件建立邊坡模型，研究不同降雨強度下的邊坡土體孔隙水壓力、體積含水率以及位移的變化規律，分析非飽和土體滲流特性對邊坡穩定性的影響。

1 工程概況

本研究以某地區滑坡工程為依托，該地降雨條件充沛，導致多處邊坡發生淺層滑坡，通過顆分試驗、直剪試驗等室內土工試驗，獲得以下邊坡巖土體物理力學參數，如表1所示。

表1 邊坡巖土體物理力學參數

2 模型建立

本研究利用Geo-studio有限元軟件，建立非飽和邊坡數值模型，其坡度為60°，坡高為10 m，如圖1所示。土體采用理想彈塑性材料，并服從摩爾-庫倫強度準則，模型的左右邊界水頭設為5 m、6 m，水頭以上部分和邊坡底部均為零流量邊界，邊坡表面則采用單位流量邊界，通過改變單位流量來實現雨強大小。模型采用三角形、四邊形單元進行網格劃分，共包含了2210個節點和1980個單元。

圖1 邊坡模型示意圖(單位：m)

模擬工況的降雨時長為3 d，降雨強度分別為25 mm/d、50 mm/d、75 mm/d和100 mm/d，以此對比研究不同雨強下邊坡的體積含水率、孔隙水壓力、剪應力和位移的變化規律。

3 模擬結果分析

3.1 邊坡孔隙水壓力的變化規律

由圖2可知，不同雨強下邊坡孔隙水壓力的變化規律大體相同，在降雨初期邊坡淺層土體率先反應，其孔隙水壓力隨著雨水的入滲不斷增大，通過孔隙水壓力云圖也可以發現邊坡內部飽和區域也呈逐漸擴大趨勢，而非飽和區域反之縮小。在同一降雨時長下，隨著降雨強度的增大，明顯發現邊坡土體的孔隙水壓力變化范圍也逐漸增大，基本呈現出100 mm/d>75 mm/d>50 mm/d>25 mm/d 的規律。同時，由于各個工況下降雨時長均為3 d，因此當降雨強度較大時其對應的降雨量也較大，通過觀察雨強為100 mm/d的云圖可以發現，邊坡坡腳處孔隙水壓力和地下水位線存在一定程度的抬升現象。

圖2 不同降雨強度下邊坡孔隙水壓力分布圖(單位：kPa)

圖3為不同降雨強度下邊坡孔隙水壓力變化曲線圖，通過以截面A-A′為研究對象，可以發現整體上與坡面的距離越近其對應的孔隙水壓力變化越大，即邊坡深處孔隙水壓力要比淺層更加穩定。當降雨強度為25 mm/d時，邊坡內部受雨水入滲影響的土體孔隙水壓力變化高度約為2.5 m，而當降雨強度為100 mm/d時，受雨水入滲影響的土體孔隙水壓力變化高度可達到5 m，并且對比其他兩個雨強工況下的受影響高度，可以明顯發現其影響高度隨著雨強的增大而增大。此外，隨著降雨強度的增大，對應的孔隙水壓力變化幅度也逐漸增大，其中當降雨強度為25 mm/d時，邊坡土體孔隙水壓力處于-50～-130 kPa范圍內浮動，而當降雨強度為100 mm/d時，邊坡土體孔隙水壓力處于-10～-140 kPa范圍內浮動，對比分析可知其變化范圍顯著增大。

圖3 不同降雨強度下邊坡孔隙水壓力變化曲線圖

3.2 邊坡體積含水率的變化規律

通過圖4可知，整體上，邊坡土體的體積含水率與孔隙水壓力變化規律相似，在降雨過程中邊坡淺層土體反應較大，邊坡土體的體積含水率隨著降雨強度的增大而增大，可以按照如下排序：100 mm/d>75 mm/d>50 mm/d>25 mm/d。其中，當降雨強度為100 mm/d時，經歷降雨歷時3 d 后，邊坡內部非飽和區域(即淺色區域)的上方形成了近乎飽和的滯水帶，并且在邊坡坡腳處土體的0.22體積含水率等值線呈逐步抬升趨勢，相比較其他降雨條件下更為明顯。

圖4 不同降雨強度下邊坡體積含水率分布圖

3.3 邊坡剪應力的變化規律

由不同降雨強度下邊坡土體剪應力變化云圖可知(見圖5)，在降雨過程中，受到雨水的不斷入滲，邊坡坡腳處的應力集中現象顯著，隨著降雨強度的增大，坡腳處的剪應力分布范圍逐步擴散，且剪應力最大值也增大。當降雨為25 mm/d時，邊坡剪應力最大值達到75 kPa；當降雨為50 mm/d時，邊坡剪應力最大值達到80 kPa；當降雨為75 mm/d 時，邊坡剪應力最大值達到85 kPa；當降雨為100 mm/d時，邊坡剪應力最大值達到90 kPa。由于剪應力的增大會破壞邊坡的穩定性，由此可見坡腳處的破壞極易引發邊坡失穩，并且強降雨條件是誘發邊坡失穩的主要因素之一，需要重點研究關注。

圖5 不同降雨強度下邊坡土體剪應力變化圖(單位：kPa)

3.4 邊坡土體剪應變和位移的變化規律

通過不同降雨強度下邊坡土體剪應變云圖(見圖6)，結合邊坡位移變化曲線圖(見圖7)，可以發現在降雨歷時為3 d的工況下，隨著降雨強度的增大，邊坡淺層土體的剪應變和位移變化也增大，其中當降雨強度為25 mm/d時，邊坡剪應變覆蓋范圍較廣，但數值相對較小；當降雨強度逐漸增加至100 mm/d 時，可以明顯發現邊坡土體剪應變逐步向坡內延拓，尤其在應力集中明顯的坡腳處，剪應變的增長會造成邊坡失穩的加劇。

圖6 不同降雨強度下邊坡土體剪應變變化圖

圖7 不同降雨強度下邊坡土體位移變化圖

3.5 邊坡穩定性的變化規律

針對相同降雨時長而不同降雨強度工況下的邊坡穩定性研究，綜合上述各個云圖，由于降雨強度的增大，相同時間內降雨入滲量對應增大，由于雨水入滲邊坡內部，導致邊坡非飽和土體的體積含水率逐漸增加，導致其基質吸力降低，基于非飽和土強度理論可知，基質吸力的衰減會在一定程度上減弱土體的抗剪強度，因此其邊坡穩定系數會隨著降雨強度的增加而降低，并且對應的穩定系數曲線變化幅度也會擴大(見圖8)。