李樹忠

(遼寧工程勘察院，遼寧錦州 121000)

1 概述

我國幅員遼闊，地質(zhì)條件復(fù)雜，在膨脹土、殘積土等粘土地區(qū)的山地或人工邊坡由于降雨入滲的影響時常發(fā)生位移與滑坡，造成巨大的經(jīng)濟損失。

據(jù)統(tǒng)計資料顯示:我國有新老滑坡約30萬處，其中災(zāi)害性滑坡有1.5萬處，每年造成的經(jīng)濟損失高達100億元以上[1]。降雨入滲是引起邊坡失穩(wěn)的主要因素，水的入滲使土體飽和度增大，含水量增加引起土體抗剪強度下降，同時持續(xù)降雨還會引起地下水位的上漲或在相對隔水層以上出現(xiàn)暫時性的地下水帶。當(dāng)降雨時間與強度超過一定限度時，可導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)乃至滑坡破壞[2-4]。

根據(jù)飽和土力學(xué)理論，降雨入滲使邊坡內(nèi)潛水面或飽和帶地下水壓力升高，導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性降低，產(chǎn)生滑移滑坡。Gofar.N等人[5]研究認為降雨造成的邊坡失穩(wěn)的原理由以下因素造成:

1)降雨造成土中滲透力以及滲透侵蝕;

2)非飽和土由于降雨或水位上升，導(dǎo)致土體內(nèi)吸力喪失而造成抗剪強度急劇降低;

3)非飽和土邊坡由于周期性的干濕循環(huán)，導(dǎo)致土體開裂出現(xiàn)裂縫進而造成邊坡失穩(wěn)。

在影響非飽和土邊坡滑動的各種內(nèi)在以及外在因素中，降雨入滲是主要的破壞因素。目前研究的難點與關(guān)鍵在于如何計算雨水入滲在邊坡土體中引起的滲流，由于暫態(tài)滲透是一個非常復(fù)雜的問題，是一個多因素相互耦合的過程，其影響因素包括固、液、氣三相的體積比，空氣壓力，土骨架體變，溶質(zhì)吸力以及溫度等，要全面考慮上述因素并建立相關(guān)控制方程求解是幾乎不可能的。為簡化研究條件，Bao Cheng-gang[6，7]提出了非飽和土邊坡穩(wěn)定的研究思路是:含水量→吸力場→抗剪強度場→邊坡穩(wěn)定性分析，方法是在求出抗剪強度的相關(guān)參數(shù)后，建立土水特征曲線關(guān)系，求出吸力，結(jié)合邊界條件求解穩(wěn)定性。本文在此基礎(chǔ)上利用有限元軟件Plaxis，采用修正劍橋模型，分析降雨引起土體飽和度增加而造成吸力喪失。

2 邊坡穩(wěn)定分析

2.1 PlaxisV8有限元軟件

Plaxis有限元軟件是由荷蘭公共事業(yè)與水利管理委員會提議，于1987年在代爾夫特科技大學(xué)開始研制的，經(jīng)過20多年的發(fā)展，Plaxis已經(jīng)成為能夠高效解決大多數(shù)巖土工程問題的通用有限元系列軟件，可以用于各種巖土工程問題中變形、穩(wěn)定性和地下水滲流的分析。

2.2 修正劍橋模型

土體的本構(gòu)模型采用修正劍橋模型，其屈服函數(shù)定義如下:

在p'—q平面上，橢圓的頂部與下列直線相交:

這條線被稱為臨界狀態(tài)線(CSL)，它給出了破壞狀態(tài)(即臨界狀態(tài))下p'和q的關(guān)系。常數(shù)M為臨界狀態(tài)線的正切值，確定了極限偏應(yīng)力q對平均有效應(yīng)力p'的依賴程度，因此M可以看作是一個摩擦常數(shù)。M決定了屈服面的形狀(橢圓的高度)，影響了正常固結(jié)應(yīng)力狀態(tài)下側(cè)向土壓力系數(shù)KNC0。模型基于五個參數(shù):泊松比vur，膨脹指標(biāo)k，壓縮指標(biāo)λ，臨界狀態(tài)線的斜率M以及初始孔隙比e0。

2.3 有限元計算

為進一步研究降雨條件下飽和度變化對邊坡穩(wěn)定性的影響，采用Plaxis軟件，利用修正劍橋模型對非飽和土邊坡進行分析，坡底地基寬度為38m，坡頂寬度為20m，坡高9m，填土分為三層，邊坡比為1∶1.5，邊坡及網(wǎng)格劃分見圖1。

3 有限元計算

3.1 計算參數(shù)及步驟

模型共包含五個參數(shù)，Alomso[8]以及 Q.Wang 等人[9]研究結(jié)果表明:土體的回彈參數(shù)k以及臨界狀態(tài)線的斜率M幾乎不受飽和度變化的影響，壓縮參數(shù)λ與吸力大小息息相關(guān)，隨飽和度的增加而逐漸增大。

本文所引用的修正劍橋模型計算中，主要考慮壓縮參數(shù)λ隨飽和度的變化，而其余模型參數(shù)不受飽和度變化的影響。模型計算參數(shù)通過非飽和土的固結(jié)壓縮試驗以及三軸試驗獲取，試驗土樣選取南陽膨脹土，基本力學(xué)指標(biāo)如表1所示，考慮到降雨過程中飽和度變化的情況，設(shè)定三個不同的降雨時段對斷面進行了穩(wěn)定性分析，模型計算參數(shù)列于表2，模型計算的簡要流程圖如圖2所示。

表1 南陽膨脹土的基本參數(shù)

表2 邊坡土層計算參數(shù)

3.2 計算結(jié)果

計算出的不同降雨時段水平向位移如圖3所示，對比水平位移的云圖可以看出，隨飽和度增加，滑動面產(chǎn)生的指向邊坡內(nèi)側(cè)位移越來越大，說明邊坡的穩(wěn)定性逐漸變差，邊坡破壞滑移趨勢越來越明顯，這是由于隨著飽和度的提高，土的抗剪強度逐漸降低所引起的，由計算所得出的邊坡安全系數(shù)所證實。在降雨過程中邊坡土層的飽和度不斷提高，安全系數(shù)逐漸減小，邊坡穩(wěn)定性變差。

4 結(jié)語

通過有限元建模，采用修正劍橋模型計算分析降雨過程中不同時段的邊坡穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)隨邊坡土層飽和度逐漸升高，邊坡水平向位移逐漸增大，滑動趨勢越來越明顯，對應(yīng)的安全系數(shù)逐漸降低，邊坡的穩(wěn)定性變差，這說明，在降雨條件下土體飽和度增加降低了邊坡的穩(wěn)定性，容易造成邊坡失穩(wěn)破壞，必須加強非飽和土邊坡的安全監(jiān)測，采取合理加固措施確保邊坡在降雨條件下的穩(wěn)定性。

本文的研究結(jié)果表明，考慮飽和度變化條件下采用修正劍橋模型分析非飽和土邊坡穩(wěn)定是可行的，為非飽和土邊坡穩(wěn)定分析提供了新的研究思路。

[1]劉新喜，晏鄂川，王鵬飛，等.滑坡穩(wěn)定性評價的非線性方法[J].中國安全科學(xué)學(xué)報，2003，13(1):34-36.

[2]包承綱.非飽和土的性狀及膨脹土邊坡穩(wěn)定問題[J].巖土工程學(xué)報，2004，26(1):1-15.

[3]吳宏偉，陳守義，龐宇威.雨水入滲對非飽和土坡穩(wěn)定性影響的參數(shù)研究[J].巖土力學(xué)，1999，20(1):1-14.

[4]包承綱.南水北調(diào)中線工程膨脹土渠道邊坡的穩(wěn)定問題及防治對策[J].人民長江，2003，34(5):2-6.

[5]Gofar.N，Lee.M.L，Asof.M.Transient seepage and slope stability analysis for rainfall-induced landslide:A casestudy[J].Malaysian Journal of Civil Engineering，2006(18):1-13.

[6]Bao Cheng-gang，Ng.C.W.W.Some thought and studies onthe prediction of slopes tability in expan sivespoils[J].Key-note lecture，Singapore，2008(5):15-31.

[7]Bao Cheng-gang，Gong.B.W，Zhan.L.T.Properties of unsaturated soils and slope stability for expansive soils[J].Proceedings ofthe 2nd International Conference on Unsatutated Soils，2000(8):71-98.

[8]Alomso.E.G，Gens.A，Josa.A.A constitutive model for partially saturated soils[J].Geotechnique，1990(40):405-430.

[9]Q.Wang，D.E.Pufahl，D.G.Fredlund.Astudy of critical state on an unsaturated sility soil[J].Can，Geotech.Journal，2002(39):213-218.

[10]李晶巖，付 麗.邊坡穩(wěn)定性分析方法[J].山西建筑，2011，37(4):67-68.