王猛　習(xí)春飛

摘要：以杭州至蘭州高速公路巫山至奉節(jié)段沿線的大水田殘坡積紅土路塹邊坡為研究對象，在詳細(xì)研究其地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，通過Geo-Studio模擬邊坡在開挖及降雨作用下邊坡的變形及穩(wěn)定性變化的過程。模擬結(jié)論認(rèn)為：①開挖導(dǎo)致坡體產(chǎn)生卸荷回彈和應(yīng)力遷移，導(dǎo)致坡體穩(wěn)定性降低。②在降雨過程中，隨著降雨持時(shí)的增加，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)應(yīng)是逐漸減小。③在降雨結(jié)束時(shí)刻，入滲的雨水沒有充分下滲，多集中分布在土坡表層，此時(shí)的穩(wěn)定系數(shù)不是最低；在降雨結(jié)束后的短時(shí)間內(nèi)（一般為1到2天），雨水在土坡體中繼續(xù)下滲，擴(kuò)大了雨水影響范圍，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)一步降低。應(yīng)力集中超過巖土體極限強(qiáng)度時(shí)，屈服面逐步向上延伸直至全部貫通，邊坡發(fā)生整體滑動(dòng)破壞。

關(guān)鍵詞：紅土路塹邊坡；變形破壞機(jī)理；穩(wěn)定性；降雨入滲作用；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TB文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：16723198（2014）08018903

1引言

國家重點(diǎn)公路工程杭州至蘭州高速公路是連接我國東部、中部和西部的重要交通樞紐，是加強(qiáng)長江經(jīng)濟(jì)帶一體化發(fā)展的需要，是實(shí)施“西部大開發(fā)”戰(zhàn)略的需要。杭蘭線巫山至奉節(jié)段廣泛分布著坡殘坡積紅土，基巖主要為三疊系中統(tǒng)巴東組第一至第五段巖層。由于沿線地形起伏變化大，地貌復(fù)雜多變，因此，對邊坡的開挖施工難以避免。挖方工程改變了坡體結(jié)構(gòu)，原始應(yīng)力狀態(tài)隨之改變，邊坡的穩(wěn)定性受之影響而降低。加之研究區(qū)連續(xù)最大降雨量和平均降雨量比較大，坡體所受的孔隙水壓力、靜水壓力和浮托力都明顯增大；含水量增加導(dǎo)致自重變大，增加了下滑力，同時(shí)紅土體受到水的軟化作用，削弱了土粒間的摩擦阻力，進(jìn)而引起邊坡的變形破壞。在線路段的施工過程中及施工結(jié)束后已有部分路塹邊坡產(chǎn)生了不同程度和規(guī)模的變形、滑塌。

2紅土路塹邊坡工程概況

大水田邊坡位于重慶地區(qū)巫山縣龍井鄉(xiāng)白泉村境內(nèi)，地處砂巖、泥巖構(gòu)造剝蝕和溝谷深切斜坡地貌區(qū)，地勢總體為南高北低。開挖的路塹邊坡的起止樁號(hào)為YK33+600～K33+800，坡高17～21m，坡長約為200m。開挖坡體范圍對應(yīng)的這段線路設(shè)計(jì)為分離式道路，因此需要對附近影響公路建設(shè)施工的原始邊坡進(jìn)行開挖改造，以滿足線路及路面的設(shè)計(jì)要求，該紅土路塹邊坡因此而形成。邊坡工程地質(zhì)平面圖如圖1所示。

圖1邊坡開挖范圍平面圖區(qū)內(nèi)褶皺主要為齊耀山背斜和巫山向斜，軸跡走向?yàn)榻鼥|西向，大水田開挖邊坡位于齊耀山背斜的南翼。覆蓋層以紫紅色殘坡積亞粘土（Qel+dl）為主，出露下伏地層為三疊系中統(tǒng)巴東組第二段（T2b2）粉砂質(zhì)泥巖，傾角為23°～28°，傾向西～北西，地層與坡面呈大角度相交。局部地段的粉砂質(zhì)泥巖節(jié)理裂隙較發(fā)育，節(jié)理無充填或充填泥鈣質(zhì)，對邊坡穩(wěn)定性的影響較小。所選典型邊坡開挖前和開挖后的工程地質(zhì)剖面見圖2（a）、（b）所示。

（a）開挖前地質(zhì)剖面圖（b）開挖后地質(zhì)剖面圖

圖2開挖前后地質(zhì)剖面圖區(qū)內(nèi)地表水不發(fā)育，無常年性地表水體，也未見明顯大的沖溝，只在坡體西側(cè)表面有一條季節(jié)性沖溝近垂直于線路走向由坡腳通過。在降雨條件下，一部分雨水轉(zhuǎn)化為坡面徑流從坡體表面流出，還有一部分則是下滲補(bǔ)給地下水。

3數(shù)值模擬方法

采用Geo-Studio2007軟件中的SIGMA/W、SEEP/W和SLOPE/W三個(gè)模塊對典型紅土邊坡的滑動(dòng)機(jī)理及穩(wěn)定性情況進(jìn)行模擬計(jì)算分析，以明確邊坡滑動(dòng)機(jī)理的演變過程及穩(wěn)定性的變化情況。

先在SEEP/W模塊里面建立地質(zhì)模型，分析初始水位下的孔隙水壓力與應(yīng)力，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用SIGMA/W程序進(jìn)行邊坡開挖的有限元計(jì)算，模擬典型實(shí)例邊坡的分級開過程。開挖涉及的紅土質(zhì)邊坡材料，其本構(gòu)關(guān)系服從鄧肯-張模型，其剪切破壞服從摩爾-庫倫準(zhǔn)則。所用程序選取修正的中點(diǎn)增量法（Runge-Kutta），采用迭代法求解線性方程組。

開挖后的邊坡在降雨誘發(fā)作用下發(fā)生滑動(dòng)破壞，采用SEEP/W模塊對降雨情況進(jìn)行進(jìn)行滲流場和應(yīng)力場的耦合分析。該模塊認(rèn)為土體體積含水量和滲透系數(shù)均為孔隙水壓力的函數(shù)，可以通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果或者采用經(jīng)驗(yàn)方程給出這兩個(gè)函數(shù)。采用滲流有限元計(jì)算分析邊坡在非飽和條件下的瞬態(tài)孔隙水壓力，得出不同時(shí)刻不同點(diǎn)的孔隙水壓力分布情況，從而研究邊坡變形與時(shí)間的關(guān)系。該模塊可以解決降雨滲流、瞬時(shí)滲流和超孔隙水壓力等相關(guān)問題。

將上述上述模塊的分析結(jié)果導(dǎo)入到SLOPE/W模塊進(jìn)行穩(wěn)定性分析，采用極限平衡方法（Bishop、Janbu、Morgenstern-Price等）對邊坡穩(wěn)定性與時(shí)間的關(guān)系等問題進(jìn)行分析。

4邊坡的變形破壞數(shù)值模擬及分析

4.1建立模型

根據(jù)大水田邊坡的工程地質(zhì)條件，選取典型剖面（圖2）作為分析計(jì)算剖面，該剖面與主滑方向一致，約為12°。計(jì)算剖面的地質(zhì)模型的邊界選取在對滑坡分析影響可以忽略不計(jì)的地方。建立地質(zhì)模型及網(wǎng)格的剖分見圖3。

圖3有限元地質(zhì)模型網(wǎng)格剖分圖4.2計(jì)算參數(shù)的選取

室內(nèi)直剪試驗(yàn)試驗(yàn)獲取巖土抗剪強(qiáng)度參數(shù)簡便直觀，在工程中應(yīng)用較廣。試驗(yàn)結(jié)果對比表明，按直剪試驗(yàn)得出的土體強(qiáng)度偏低，這樣對邊坡穩(wěn)定性力學(xué)驗(yàn)算較安全；而對于三軸試驗(yàn)，在平面應(yīng)變狀態(tài)下土體的強(qiáng)度約為三軸狀態(tài)強(qiáng)度的1.08倍，說明按三軸試驗(yàn)確定的土體強(qiáng)度會(huì)低估邊坡的穩(wěn)定性。也可通過野外大型剪切試驗(yàn)、工程地質(zhì)類比法、數(shù)值反分析法綜合求得邊坡穩(wěn)定性分析所需的力學(xué)參數(shù)指標(biāo)。

綜上所述，滑坡計(jì)算分析所需選用的參數(shù)見下表1。

對于模型的模擬需要在給定的邊界加上適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件：對于應(yīng)力應(yīng)變分析時(shí)，模型左側(cè)和右側(cè)邊界規(guī)定不能產(chǎn)生水平向位移，不用限定其豎直方向的位移；底部邊界限定不能產(chǎn)生任何方向的位移，坡體臨空面無需施加約束，為自由邊界。降雨是在邊坡開挖完成后產(chǎn)生的，對于降雨前的滲流邊界條件，模型的左、右側(cè)為定水頭邊界條件，水位高程分別定為436.0m和417.1m；對于降雨模擬可以將坡面及臨空面設(shè)定為流量邊界，底部邊界設(shè)為不透水邊界。隨著降雨持時(shí)的增加，當(dāng)坡面表層土體達(dá)到飽和后，坡面及臨空面邊界可處理為定水頭邊界。根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀筚Y料確定，開始時(shí)連續(xù)2天的降雨強(qiáng)度為（1.1E-06）m/s，第三天至第五天再連續(xù)降雨3天，降雨強(qiáng)度降低為（7.6E-07）m/s，停止降雨之后，坡體發(fā)生滑動(dòng)破壞。

4.4數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.4.1邊坡滲流場與應(yīng)力場模擬及分析

降雨是在邊坡開挖完成后產(chǎn)生的，根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀筚Y料確定，開始時(shí)連續(xù)2天的降雨強(qiáng)度為1.1E-06m/s，第三天至第五天再連續(xù)降雨3天，降雨強(qiáng)度降低為7.6E-07m/s，之后停止降雨，坡體即發(fā)生滑動(dòng)破壞。

（1）孔隙水壓力的變化。

邊坡開挖完成后的坡體，初始的孔隙水壓力受地下水位的控制，其等值線圖與初始水位跡線近乎平行，受巖土體分布和自身性質(zhì)的影響?？拷马?shù)淖畲筘?fù)孔隙水壓力為88.44kPa。

降雨引發(fā)的非飽和土體的孔隙水壓力的變化為在第一種雨強(qiáng)的第二天，坡體表面明顯出現(xiàn)暫態(tài)飽和區(qū)，部分雨水的入滲，使得坡體內(nèi)負(fù)孔隙水壓力分布范圍明顯縮小；另一部分雨水的形成坡表徑流而流向坡腳然后足部補(bǔ)充地下水?？紫端畨毫Φ脑黾?，土體的基質(zhì)吸力減少或喪失，導(dǎo)致非飽和土的抗剪強(qiáng)度降低，從而影響邊坡的穩(wěn)定性。隨著降雨強(qiáng)度的變小，降雨持時(shí)的增加，降雨入滲量增加，坡體內(nèi)的負(fù)孔隙水壓力范圍進(jìn)一步縮小，坡內(nèi)土體局部形成上層滯水，雨水入滲緩慢，大部分流向坡腳，使得地下水位局部抬升明顯。降雨入滲量的增加和坡腳積水會(huì)給坡體帶來不利影響：入滲量增加導(dǎo)致坡體含水量增大，增加了坡體的自重，整個(gè)潛在滑體的下滑力也相應(yīng)增加；坡腳積水及水位的變化會(huì)導(dǎo)致坡腳巖土體的抗剪強(qiáng)度降低并且受到動(dòng)水壓力的擾動(dòng)作用，對坡體前緣起到軟化作用。這兩方面均對坡體的穩(wěn)定性帶來不利影響。

（2）位移的變化。

降雨使得坡體表面附近局部水平負(fù)位移減小，這是由于降雨使得自重增大和基質(zhì)吸力的減小導(dǎo)致正向位移的增加，中和了開挖時(shí)導(dǎo)致的卸荷位移。值得注意的是，隨著降雨持續(xù)到第五天，坡頂和特別是坡下靠近坡腳位置的水平位移不斷增大，表現(xiàn)出向坡外的變形位移，均是由于坡體的含水量增加、結(jié)構(gòu)破壞、自重應(yīng)力增大和基質(zhì)吸力減小而導(dǎo)致土體趨于向外變形的特性。停雨一天，水平位移在前一天的基礎(chǔ)上減小，可能的情況是，之前土體所含的水分遷移繼續(xù)下滲或者是流出坡外，使得應(yīng)力減小，變形相應(yīng)減少，但坡腳位置的水平位移量較大，不容忽視。

豎直方向位移變化比水平方向位移變化量小，降雨使得含水量增加，自重增大，與開挖卸荷位移疊加抵消一部分變形。相比之下，開挖后降雨作用對坡體水平位移的影響較豎直位移大，應(yīng)綜合考慮靠近坡腳附近坡面的變形量。

（3）應(yīng)力的變化。

降雨的入滲過程中，坡體的應(yīng)力不斷調(diào)整，坡體表層形成局部飽和區(qū)，致使抗剪強(qiáng)度減小和主應(yīng)力的集中，特別是最小主應(yīng)力在坡腳位置變化較大，對坡體的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

4.4.2紅土邊坡塑性區(qū)的變化

紅土邊坡的局部變形最終對坡體的穩(wěn)定性有一定影響：坡體的局部變形是從坡體下部開始的，這樣會(huì)誘發(fā)坡體上部土體逐步向下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而慢慢形成滑動(dòng)面，對坡體的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

圖4開挖完后降雨前的形變及塑性區(qū)分布圖5降雨第2天的形變及塑性區(qū)分布圖6第6天停雨的形變及塑性區(qū)分布由上圖4～圖6的變形及塑性區(qū)分布可以看出，開挖后坡體變形主要集中在下部及坡腳附近。受降雨綜合作用影響，坡體自降雨后，坡體下部及坡腳附近變形量隨著時(shí)間的增加而明顯加劇，坡體下滑變形及坡腳土體明顯隆起。塑性區(qū)分布變化與變形規(guī)律一致，隨著降雨時(shí)間增加，坡腳附近的塑性屈服區(qū)逐漸變大。第六天停止降雨，塑性區(qū)擴(kuò)展到最大，這是因?yàn)樵诮涤杲Y(jié)束時(shí)刻，入滲的雨水并沒有充分下滲，而是多集中在土坡表層。在停止降雨后水在土坡體中繼續(xù)下滲，擴(kuò)大了雨水影響范圍，增大了土體強(qiáng)度降低的范圍。當(dāng)下滑所需的應(yīng)力超過土體的極限強(qiáng)度時(shí)，坡體內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生塑性破壞，一般由坡腳向上延伸擴(kuò)大塑性破壞區(qū)，最終導(dǎo)致整體破壞。

4.4.3邊坡穩(wěn)定性評價(jià)

受降雨的影響，邊坡的滲流場和應(yīng)力場都發(fā)生了變化，最終的結(jié)果也會(huì)導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性相應(yīng)發(fā)生變化，在對上一節(jié)模擬分析的基礎(chǔ)上，將SEEP/W與SIGMA/W模塊分析的水頭、孔隙水壓力和應(yīng)力應(yīng)變分布情況借助于SLOPE/W模塊，選擇非飽和土的M-P法對邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算分析。坡體穩(wěn)定性系數(shù)隨時(shí)間變化圖，見圖7。

圖7滑坡穩(wěn)定性隨降雨時(shí)間變化過程由以上計(jì)算結(jié)果可看出，在降雨之前的紅土邊坡，開挖使得坡體穩(wěn)定性系數(shù)較小，已處于極限平衡狀態(tài)。降雨使得紅土路塹邊坡安全系數(shù)隨著降雨時(shí)間的增加而明顯減小。在降雨結(jié)束時(shí)刻，邊坡的安全系數(shù)并沒有達(dá)到最小值，而是在降雨結(jié)束一天之后達(dá)到最低而坡體發(fā)生破壞，這一點(diǎn)闡明邊坡的破壞往往發(fā)生在雨后的規(guī)律性。

5結(jié)論

在降雨過程中，隨著降雨持時(shí)的增加，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)應(yīng)是逐漸減??；在降雨結(jié)束時(shí)刻，入滲的雨水并沒有充分下滲，而是多集中分布在土坡表層，此時(shí)的穩(wěn)定系數(shù)并不是最低；在降雨結(jié)束之后短時(shí)間內(nèi)（一般為1到2天），雨水在土坡體中繼續(xù)下滲，擴(kuò)大了雨水影響范圍，此段時(shí)間邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)會(huì)進(jìn)一步降低。應(yīng)力集中超過巖土體極限強(qiáng)度時(shí)，屈服面逐步向上延伸直至全部貫通，邊坡發(fā)生整體滑動(dòng)破壞。

參考文獻(xiàn)

[1]王蘭生，張倬元.斜坡變形的地質(zhì)工程模式[A].水文地質(zhì)工程地質(zhì)論叢，1983.

[2]曾志姣.非飽和紅粘土抗剪強(qiáng)度特性研究及其應(yīng)用[D].中南大學(xué)，2008.

[3]王浩，廖小平.邊坡開挖卸荷松弛區(qū)的力學(xué)性質(zhì)研究[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2007，18（S0）：510.

4.4數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.4.1邊坡滲流場與應(yīng)力場模擬及分析

降雨是在邊坡開挖完成后產(chǎn)生的，根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀筚Y料確定，開始時(shí)連續(xù)2天的降雨強(qiáng)度為1.1E-06m/s，第三天至第五天再連續(xù)降雨3天，降雨強(qiáng)度降低為7.6E-07m/s，之后停止降雨，坡體即發(fā)生滑動(dòng)破壞。

（1）孔隙水壓力的變化。

邊坡開挖完成后的坡體，初始的孔隙水壓力受地下水位的控制，其等值線圖與初始水位跡線近乎平行，受巖土體分布和自身性質(zhì)的影響?？拷马?shù)淖畲筘?fù)孔隙水壓力為88.44kPa。

降雨引發(fā)的非飽和土體的孔隙水壓力的變化為在第一種雨強(qiáng)的第二天，坡體表面明顯出現(xiàn)暫態(tài)飽和區(qū)，部分雨水的入滲，使得坡體內(nèi)負(fù)孔隙水壓力分布范圍明顯縮?。涣硪徊糠钟晁男纬善卤韽搅鞫飨蚱履_然后足部補(bǔ)充地下水?？紫端畨毫Φ脑黾樱馏w的基質(zhì)吸力減少或喪失，導(dǎo)致非飽和土的抗剪強(qiáng)度降低，從而影響邊坡的穩(wěn)定性。隨著降雨強(qiáng)度的變小，降雨持時(shí)的增加，降雨入滲量增加，坡體內(nèi)的負(fù)孔隙水壓力范圍進(jìn)一步縮小，坡內(nèi)土體局部形成上層滯水，雨水入滲緩慢，大部分流向坡腳，使得地下水位局部抬升明顯。降雨入滲量的增加和坡腳積水會(huì)給坡體帶來不利影響：入滲量增加導(dǎo)致坡體含水量增大，增加了坡體的自重，整個(gè)潛在滑體的下滑力也相應(yīng)增加；坡腳積水及水位的變化會(huì)導(dǎo)致坡腳巖土體的抗剪強(qiáng)度降低并且受到動(dòng)水壓力的擾動(dòng)作用，對坡體前緣起到軟化作用。這兩方面均對坡體的穩(wěn)定性帶來不利影響。

（2）位移的變化。

降雨使得坡體表面附近局部水平負(fù)位移減小，這是由于降雨使得自重增大和基質(zhì)吸力的減小導(dǎo)致正向位移的增加，中和了開挖時(shí)導(dǎo)致的卸荷位移。值得注意的是，隨著降雨持續(xù)到第五天，坡頂和特別是坡下靠近坡腳位置的水平位移不斷增大，表現(xiàn)出向坡外的變形位移，均是由于坡體的含水量增加、結(jié)構(gòu)破壞、自重應(yīng)力增大和基質(zhì)吸力減小而導(dǎo)致土體趨于向外變形的特性。停雨一天，水平位移在前一天的基礎(chǔ)上減小，可能的情況是，之前土體所含的水分遷移繼續(xù)下滲或者是流出坡外，使得應(yīng)力減小，變形相應(yīng)減少，但坡腳位置的水平位移量較大，不容忽視。

豎直方向位移變化比水平方向位移變化量小，降雨使得含水量增加，自重增大，與開挖卸荷位移疊加抵消一部分變形。相比之下，開挖后降雨作用對坡體水平位移的影響較豎直位移大，應(yīng)綜合考慮靠近坡腳附近坡面的變形量。

（3）應(yīng)力的變化。

降雨的入滲過程中，坡體的應(yīng)力不斷調(diào)整，坡體表層形成局部飽和區(qū)，致使抗剪強(qiáng)度減小和主應(yīng)力的集中，特別是最小主應(yīng)力在坡腳位置變化較大，對坡體的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

4.4.2紅土邊坡塑性區(qū)的變化

紅土邊坡的局部變形最終對坡體的穩(wěn)定性有一定影響：坡體的局部變形是從坡體下部開始的，這樣會(huì)誘發(fā)坡體上部土體逐步向下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而慢慢形成滑動(dòng)面，對坡體的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

圖4開挖完后降雨前的形變及塑性區(qū)分布圖5降雨第2天的形變及塑性區(qū)分布圖6第6天停雨的形變及塑性區(qū)分布由上圖4～圖6的變形及塑性區(qū)分布可以看出，開挖后坡體變形主要集中在下部及坡腳附近。受降雨綜合作用影響，坡體自降雨后，坡體下部及坡腳附近變形量隨著時(shí)間的增加而明顯加劇，坡體下滑變形及坡腳土體明顯隆起。塑性區(qū)分布變化與變形規(guī)律一致，隨著降雨時(shí)間增加，坡腳附近的塑性屈服區(qū)逐漸變大。第六天停止降雨，塑性區(qū)擴(kuò)展到最大，這是因?yàn)樵诮涤杲Y(jié)束時(shí)刻，入滲的雨水并沒有充分下滲，而是多集中在土坡表層。在停止降雨后水在土坡體中繼續(xù)下滲，擴(kuò)大了雨水影響范圍，增大了土體強(qiáng)度降低的范圍。當(dāng)下滑所需的應(yīng)力超過土體的極限強(qiáng)度時(shí)，坡體內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生塑性破壞，一般由坡腳向上延伸擴(kuò)大塑性破壞區(qū)，最終導(dǎo)致整體破壞。

4.4.3邊坡穩(wěn)定性評價(jià)

受降雨的影響，邊坡的滲流場和應(yīng)力場都發(fā)生了變化，最終的結(jié)果也會(huì)導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性相應(yīng)發(fā)生變化，在對上一節(jié)模擬分析的基礎(chǔ)上，將SEEP/W與SIGMA/W模塊分析的水頭、孔隙水壓力和應(yīng)力應(yīng)變分布情況借助于SLOPE/W模塊，選擇非飽和土的M-P法對邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算分析。坡體穩(wěn)定性系數(shù)隨時(shí)間變化圖，見圖7。

圖7滑坡穩(wěn)定性隨降雨時(shí)間變化過程由以上計(jì)算結(jié)果可看出，在降雨之前的紅土邊坡，開挖使得坡體穩(wěn)定性系數(shù)較小，已處于極限平衡狀態(tài)。降雨使得紅土路塹邊坡安全系數(shù)隨著降雨時(shí)間的增加而明顯減小。在降雨結(jié)束時(shí)刻，邊坡的安全系數(shù)并沒有達(dá)到最小值，而是在降雨結(jié)束一天之后達(dá)到最低而坡體發(fā)生破壞，這一點(diǎn)闡明邊坡的破壞往往發(fā)生在雨后的規(guī)律性。

5結(jié)論

在降雨過程中，隨著降雨持時(shí)的增加，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)應(yīng)是逐漸減小；在降雨結(jié)束時(shí)刻，入滲的雨水并沒有充分下滲，而是多集中分布在土坡表層，此時(shí)的穩(wěn)定系數(shù)并不是最低；在降雨結(jié)束之后短時(shí)間內(nèi)（一般為1到2天），雨水在土坡體中繼續(xù)下滲，擴(kuò)大了雨水影響范圍，此段時(shí)間邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)會(huì)進(jìn)一步降低。應(yīng)力集中超過巖土體極限強(qiáng)度時(shí)，屈服面逐步向上延伸直至全部貫通，邊坡發(fā)生整體滑動(dòng)破壞。

參考文獻(xiàn)

[1]王蘭生，張倬元.斜坡變形的地質(zhì)工程模式[A].水文地質(zhì)工程地質(zhì)論叢，1983.

[2]曾志姣.非飽和紅粘土抗剪強(qiáng)度特性研究及其應(yīng)用[D].中南大學(xué)，2008.

[3]王浩，廖小平.邊坡開挖卸荷松弛區(qū)的力學(xué)性質(zhì)研究[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2007，18（S0）：510.

4.4數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.4.1邊坡滲流場與應(yīng)力場模擬及分析

降雨是在邊坡開挖完成后產(chǎn)生的，根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀筚Y料確定，開始時(shí)連續(xù)2天的降雨強(qiáng)度為1.1E-06m/s，第三天至第五天再連續(xù)降雨3天，降雨強(qiáng)度降低為7.6E-07m/s，之后停止降雨，坡體即發(fā)生滑動(dòng)破壞。

（1）孔隙水壓力的變化。

邊坡開挖完成后的坡體，初始的孔隙水壓力受地下水位的控制，其等值線圖與初始水位跡線近乎平行，受巖土體分布和自身性質(zhì)的影響?？拷马?shù)淖畲筘?fù)孔隙水壓力為88.44kPa。

降雨引發(fā)的非飽和土體的孔隙水壓力的變化為在第一種雨強(qiáng)的第二天，坡體表面明顯出現(xiàn)暫態(tài)飽和區(qū)，部分雨水的入滲，使得坡體內(nèi)負(fù)孔隙水壓力分布范圍明顯縮?。涣硪徊糠钟晁男纬善卤韽搅鞫飨蚱履_然后足部補(bǔ)充地下水?？紫端畨毫Φ脑黾樱馏w的基質(zhì)吸力減少或喪失，導(dǎo)致非飽和土的抗剪強(qiáng)度降低，從而影響邊坡的穩(wěn)定性。隨著降雨強(qiáng)度的變小，降雨持時(shí)的增加，降雨入滲量增加，坡體內(nèi)的負(fù)孔隙水壓力范圍進(jìn)一步縮小，坡內(nèi)土體局部形成上層滯水，雨水入滲緩慢，大部分流向坡腳，使得地下水位局部抬升明顯。降雨入滲量的增加和坡腳積水會(huì)給坡體帶來不利影響：入滲量增加導(dǎo)致坡體含水量增大，增加了坡體的自重，整個(gè)潛在滑體的下滑力也相應(yīng)增加；坡腳積水及水位的變化會(huì)導(dǎo)致坡腳巖土體的抗剪強(qiáng)度降低并且受到動(dòng)水壓力的擾動(dòng)作用，對坡體前緣起到軟化作用。這兩方面均對坡體的穩(wěn)定性帶來不利影響。

（2）位移的變化。

降雨使得坡體表面附近局部水平負(fù)位移減小，這是由于降雨使得自重增大和基質(zhì)吸力的減小導(dǎo)致正向位移的增加，中和了開挖時(shí)導(dǎo)致的卸荷位移。值得注意的是，隨著降雨持續(xù)到第五天，坡頂和特別是坡下靠近坡腳位置的水平位移不斷增大，表現(xiàn)出向坡外的變形位移，均是由于坡體的含水量增加、結(jié)構(gòu)破壞、自重應(yīng)力增大和基質(zhì)吸力減小而導(dǎo)致土體趨于向外變形的特性。停雨一天，水平位移在前一天的基礎(chǔ)上減小，可能的情況是，之前土體所含的水分遷移繼續(xù)下滲或者是流出坡外，使得應(yīng)力減小，變形相應(yīng)減少，但坡腳位置的水平位移量較大，不容忽視。

豎直方向位移變化比水平方向位移變化量小，降雨使得含水量增加，自重增大，與開挖卸荷位移疊加抵消一部分變形。相比之下，開挖后降雨作用對坡體水平位移的影響較豎直位移大，應(yīng)綜合考慮靠近坡腳附近坡面的變形量。

（3）應(yīng)力的變化。

降雨的入滲過程中，坡體的應(yīng)力不斷調(diào)整，坡體表層形成局部飽和區(qū)，致使抗剪強(qiáng)度減小和主應(yīng)力的集中，特別是最小主應(yīng)力在坡腳位置變化較大，對坡體的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

4.4.2紅土邊坡塑性區(qū)的變化

紅土邊坡的局部變形最終對坡體的穩(wěn)定性有一定影響：坡體的局部變形是從坡體下部開始的，這樣會(huì)誘發(fā)坡體上部土體逐步向下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而慢慢形成滑動(dòng)面，對坡體的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

圖4開挖完后降雨前的形變及塑性區(qū)分布圖5降雨第2天的形變及塑性區(qū)分布圖6第6天停雨的形變及塑性區(qū)分布由上圖4～圖6的變形及塑性區(qū)分布可以看出，開挖后坡體變形主要集中在下部及坡腳附近。受降雨綜合作用影響，坡體自降雨后，坡體下部及坡腳附近變形量隨著時(shí)間的增加而明顯加劇，坡體下滑變形及坡腳土體明顯隆起。塑性區(qū)分布變化與變形規(guī)律一致，隨著降雨時(shí)間增加，坡腳附近的塑性屈服區(qū)逐漸變大。第六天停止降雨，塑性區(qū)擴(kuò)展到最大，這是因?yàn)樵诮涤杲Y(jié)束時(shí)刻，入滲的雨水并沒有充分下滲，而是多集中在土坡表層。在停止降雨后水在土坡體中繼續(xù)下滲，擴(kuò)大了雨水影響范圍，增大了土體強(qiáng)度降低的范圍。當(dāng)下滑所需的應(yīng)力超過土體的極限強(qiáng)度時(shí)，坡體內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生塑性破壞，一般由坡腳向上延伸擴(kuò)大塑性破壞區(qū)，最終導(dǎo)致整體破壞。

4.4.3邊坡穩(wěn)定性評價(jià)

受降雨的影響，邊坡的滲流場和應(yīng)力場都發(fā)生了變化，最終的結(jié)果也會(huì)導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性相應(yīng)發(fā)生變化，在對上一節(jié)模擬分析的基礎(chǔ)上，將SEEP/W與SIGMA/W模塊分析的水頭、孔隙水壓力和應(yīng)力應(yīng)變分布情況借助于SLOPE/W模塊，選擇非飽和土的M-P法對邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算分析。坡體穩(wěn)定性系數(shù)隨時(shí)間變化圖，見圖7。

圖7滑坡穩(wěn)定性隨降雨時(shí)間變化過程由以上計(jì)算結(jié)果可看出，在降雨之前的紅土邊坡，開挖使得坡體穩(wěn)定性系數(shù)較小，已處于極限平衡狀態(tài)。降雨使得紅土路塹邊坡安全系數(shù)隨著降雨時(shí)間的增加而明顯減小。在降雨結(jié)束時(shí)刻，邊坡的安全系數(shù)并沒有達(dá)到最小值，而是在降雨結(jié)束一天之后達(dá)到最低而坡體發(fā)生破壞，這一點(diǎn)闡明邊坡的破壞往往發(fā)生在雨后的規(guī)律性。

5結(jié)論

在降雨過程中，隨著降雨持時(shí)的增加，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)應(yīng)是逐漸減??；在降雨結(jié)束時(shí)刻，入滲的雨水并沒有充分下滲，而是多集中分布在土坡表層，此時(shí)的穩(wěn)定系數(shù)并不是最低；在降雨結(jié)束之后短時(shí)間內(nèi)（一般為1到2天），雨水在土坡體中繼續(xù)下滲，擴(kuò)大了雨水影響范圍，此段時(shí)間邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)會(huì)進(jìn)一步降低。應(yīng)力集中超過巖土體極限強(qiáng)度時(shí)，屈服面逐步向上延伸直至全部貫通，邊坡發(fā)生整體滑動(dòng)破壞。

參考文獻(xiàn)

[1]王蘭生，張倬元.斜坡變形的地質(zhì)工程模式[A].水文地質(zhì)工程地質(zhì)論叢，1983.

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