蔡德鉤，黃 帥，閆宏業(yè)，陳 鋒，張千里，姚建平

(1.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081;2.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081; 3.中國地震局地殼應(yīng)力研究所，北京 100085)

地下水位上升對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響的擬靜力分析

蔡德鉤1，2，黃 帥3，閆宏業(yè)1，2，陳 鋒1，2，張千里1，2，姚建平1，2

(1.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081;2.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081; 3.中國地震局地殼應(yīng)力研究所，北京 100085)

利用有限元模型分析了不同影響因素(坡角、黏聚力、內(nèi)摩擦角、地下水位高度、設(shè)計(jì)峰值加速度)對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響的顯著性，并研究了地下水位變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性和變形的影響規(guī)律。結(jié)果表明:內(nèi)摩擦角對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響最大，其次為設(shè)計(jì)峰值加速度、坡角、黏聚力、地下水位高度。地下水位的變化可使邊坡安全系數(shù)降低15%，因此地下水的影響不容忽略。當(dāng)水位達(dá)到較高位置(地下水位高度達(dá)22 m)時(shí)，水平最大位移比無水時(shí)增加58.33%。隨著地下水位的升高邊坡的最大水平位移開始表現(xiàn)出邊坡后緣下挫并逐步向前緣擴(kuò)展的趨勢(shì)，使得邊坡的變形最大值由邊坡的最高處開始向坡腳處轉(zhuǎn)移。當(dāng)?shù)叵滤簧咭欢ǜ叨葧r(shí)，邊坡的最大水平位移會(huì)出現(xiàn)一個(gè)突變，位移最大區(qū)域向邊坡內(nèi)部擴(kuò)展，說明地下水的影響使得邊坡滑動(dòng)面向邊坡內(nèi)部延伸，其滑動(dòng)規(guī)模增大，這可作為邊坡滑坡預(yù)測(cè)的重要指標(biāo)。

砂質(zhì)邊坡 地下水位 擬靜力 安全系數(shù) 位移

由于地表水的滲入、施工生活用水隨意排放、雨季施工等原因引起土質(zhì)高邊坡地下水位上升，可能導(dǎo)致水位上升前較穩(wěn)定的坡體產(chǎn)生滑塌。根據(jù)對(duì)大量邊坡失穩(wěn)原因的分析，幾乎所有的崩塌、滑坡都與水有關(guān)，特別是地下水的存在及變化往往是形成崩塌、滑坡等邊坡失穩(wěn)的主要條件［1-3］。如瑞典、挪威和加拿大的天然滑坡，大都是由于覆蓋層中地下水位的增加引起孔隙水壓力增大而誘發(fā)的。因此，在實(shí)際工程中應(yīng)特別重視工程的水環(huán)境，控制地下水位的超標(biāo)抬升。

目前邊坡的穩(wěn)定性分析方法主要包括擬靜力法、Newmark滑塊位移法、時(shí)程分析法和有限元分析法。擬靜力法簡(jiǎn)便、易于操作，在工程實(shí)踐中被廣泛應(yīng)用。此外，擬靜力法一般結(jié)合邊坡極限平衡法和強(qiáng)度折減法進(jìn)行邊坡的穩(wěn)定性分析。國內(nèi)外對(duì)地下水位變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了大量的研究。Griffith、Lane等［4-5］基于自己開發(fā)的有限元軟件，利用強(qiáng)度折減法分析了水位變化對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響。賈官偉等［6］研究了水位驟降引起臨水邊坡滑坡的原因及失穩(wěn)模式。趙煉恒等［7］利用安全系數(shù)指標(biāo)對(duì)地下水位變化影響下的均質(zhì)邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。黃帥等［8-12］基于時(shí)程分析法研究了地下水位變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。然而大部分研究主要集中在地下水位變化對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響，而較少就地下水位變化對(duì)邊坡的敏感性、破壞模式和位移的影響進(jìn)行研究。基于此，本文采用擬靜力法進(jìn)行邊坡的穩(wěn)定性分析。研究地下水位變化對(duì)邊坡安全系數(shù)、變形和破壞模式的影響，明確水位變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性和變形的影響規(guī)律。

1 砂質(zhì)邊坡有限元模型的建立

1.1 工程概況

本文以某鐵路CKl62+075—CKl63+390段為研究對(duì)象，該段鐵路處于鐵路終端，低山區(qū)路基深路塹挖方集中地段，不同形式的路塹主要集中在此段。選其典型的路塹斷面為研究對(duì)象，坡長(zhǎng)為17 m，設(shè)計(jì)高度約為12 m，坡度35°，為砂質(zhì)土。鐵路沿線以黃綿土、紅土、風(fēng)砂土為主。水位一般在2.0 m以上，水位隨季節(jié)的變化而變化。

1.2 邊坡的有限元模型

邊坡的高為12 m，邊坡坡度為35°，建立邊坡的仿真模型如圖1所示，圖中H為地下水位高度。為保證計(jì)算的精度，有限元分析模型網(wǎng)格的最大尺寸小于輸入地震波最短波長(zhǎng)的1/10～1/8。模型采用莫爾—庫侖本構(gòu)模型。有限元模型底部和左右邊界采用黏彈性動(dòng)力人工邊界，其它邊界為自由邊界。

為了分析地下水位變化對(duì)邊坡不同位置位移的影響規(guī)律，分別對(duì)邊坡不同位置設(shè)置了監(jiān)測(cè)線，如圖2所示。采用篩分試驗(yàn)法對(duì)砂土顆粒進(jìn)行級(jí)配分析，測(cè)出邊坡所用砂土的顆粒分布特征如圖3所示。通過室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定的砂土的主要物理參數(shù)如表1所示。

圖1 邊坡計(jì)算模型

圖2 邊坡監(jiān)測(cè)線

圖3 砂土的篩分試驗(yàn)及顆粒分布曲線

表1 試驗(yàn)砂質(zhì)土的物理參數(shù)

2 邊坡穩(wěn)定性影響因素的敏感性分析

對(duì)邊坡而言，不同參數(shù)對(duì)其穩(wěn)定性影響的顯著性不同，故有必要確定各參數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響的敏感性大小。在實(shí)際問題中考慮1個(gè)因素或2個(gè)因素對(duì)計(jì)算結(jié)果的顯著性分析，可以選用一元或二元方差分析。而本文邊坡的穩(wěn)定性需考慮多個(gè)因素對(duì)其穩(wěn)定性的影響，可采用正交試驗(yàn)的方法進(jìn)行分析。研究不同參數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律，具體計(jì)算方案如表2所示。

表2 各因素取值和水平

為了明確各參數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律，采用正交試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值分析，研究坡角(A)、黏聚力(B)、內(nèi)摩擦角(C)、地下水位高度(D)、設(shè)計(jì)峰值加速度(E)等因素對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律，即以邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為指標(biāo)進(jìn)行多因素單指標(biāo)計(jì)算分析。進(jìn)行16次正交試驗(yàn)，即以L16(45)正交試驗(yàn)表(表3)進(jìn)行數(shù)值分析。通過數(shù)值分析求出各因素不同組合下邊坡的安全系數(shù)，并對(duì)其進(jìn)行極差分析，如圖4所示。

由圖4(a)可知，邊坡的安全系數(shù)隨著黏聚力、內(nèi)摩擦角的增大均表現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，其中黏聚力和內(nèi)摩擦角對(duì)安全系數(shù)的影響幅度最大。而隨著邊坡坡角、地下水位高度和設(shè)計(jì)峰值加速度的增加邊坡的安全系數(shù)減小，且地下水位由水平1增加到水平4時(shí)，安全系數(shù)降低了15%，說明地下水位的影響不可忽略。由圖4(b)可知，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算值最大時(shí)的方案為A2B3C4D1E2，即在此水平下計(jì)算的邊坡安全系數(shù)最大，此時(shí)邊坡最穩(wěn)定。邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算值最小時(shí)的方案為A2B2C1D4E3，即在此方案下邊坡的穩(wěn)定性最差。

圖4(b)可知，極差從大到小的順序依次為RC，RE，RA，RB，RD。可知在考慮的邊坡各參數(shù)中內(nèi)摩擦角對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響最大，其次為設(shè)計(jì)峰值加速度、坡角、黏聚力、地下水位高度。盡管相對(duì)其它4個(gè)因素，地下水對(duì)邊坡安全系數(shù)影響較小，但是其它4個(gè)因素，都是邊坡穩(wěn)定性影響的敏感因素，且在進(jìn)行計(jì)算時(shí)并沒有考慮地震作用下的動(dòng)孔隙水壓力影響，且從圖4(a)也可以看出，地下水位的變化對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響比較大，因此地下水的影響不容忽略。

表3 正交試驗(yàn)數(shù)值分析

圖4 邊坡穩(wěn)定性影響因素均值和極差

3 地下水位上升對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響分析

3.1 地下水位上升對(duì)安全系數(shù)的影響分析

定義地下水位變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響系數(shù)ξ為

由表4可知，隨著地下水位的升高邊坡的安全系數(shù)呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。當(dāng)?shù)叵滤惠^低時(shí)，地下水的升高對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響不大。主要是由于在低水位時(shí)期，邊坡內(nèi)部的地下水位尚未與邊坡內(nèi)最小安全系數(shù)的滑動(dòng)面相交，因而對(duì)此邊坡而言整體安全系數(shù)仍未改變。當(dāng)?shù)叵滤怀掷m(xù)上升接近最小安全系數(shù)滑動(dòng)面時(shí)，此邊坡的安全系數(shù)開始有下降的現(xiàn)象。隨著地下水位繼續(xù)升高，邊坡的安全系數(shù)逐漸減小，直到水位達(dá)到20 m水深時(shí)地下水位變化對(duì)邊坡的影響系數(shù)明顯增大。由此可知，在水位達(dá)到某一臨界水位時(shí)，邊坡的安全系數(shù)開始急劇下降。因此在實(shí)際工程中，應(yīng)重視地下水對(duì)工程穩(wěn)定性的削弱作用。

采用強(qiáng)度折減法計(jì)算邊坡的安全系數(shù)。為了研究地下水位升高對(duì)邊坡破壞模式的影響規(guī)律通過強(qiáng)度折減法，分別提取了不同水位下邊坡發(fā)生滑動(dòng)時(shí)的剪應(yīng)變?cè)茍D，如圖5所示。

表4 水位變化對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響

圖5 不同水位下邊坡發(fā)生滑動(dòng)時(shí)的應(yīng)變值

由圖5可知，隨著水位的升高，邊坡發(fā)生剪切破壞的最大剪應(yīng)變逐漸增加，水位14 m時(shí)，邊坡發(fā)生滑動(dòng)時(shí)的最大剪應(yīng)變達(dá)到76%，且最大剪應(yīng)變出現(xiàn)在坡腳位置。此外，當(dāng)?shù)叵滤惠^高時(shí)，坡腳處應(yīng)力集中明顯，最大剪應(yīng)變多分布在坡腳附近，邊坡坡面屈服區(qū)域接近貫通至坡腳，最危險(xiǎn)滑動(dòng)面沿著邊坡塑性區(qū)發(fā)生滑移。此外，隨著地下水位上升，最大剪應(yīng)變分布區(qū)域和塑性區(qū)域向邊坡深處擴(kuò)展。

圖6 不同水位下邊坡坡面的位移變化規(guī)律

圖7 不同水位下邊坡坡內(nèi)的位移變化規(guī)律

3.2 地下水位上升對(duì)邊坡位移的影響分析

分別提取了邊坡在不同水位下不同位置的水平位移和豎向位移，如圖6至圖11所示。

圖8 不同水位下邊坡坡底的位移變化規(guī)律

圖9 不同水位下邊坡坡中的位移變化規(guī)律

圖10 不同水位下邊坡坡頂?shù)奈灰谱兓?guī)律

圖11 不同水位下邊坡坡后的位移變化規(guī)律

由圖6可知，隨著水位的升高，沿著邊坡高度方向坡面的水平位移表現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)，豎向位移表現(xiàn)出增加趨勢(shì)，且在邊坡頂部達(dá)到最大值。而水平位移在邊坡某一高度處出現(xiàn)最大值，且隨著水位的升高邊坡的最大位移出現(xiàn)位置相比無水時(shí)偏低，說明地下水的升高使得邊坡的變形最大值由邊坡的最高處開始向坡趾處轉(zhuǎn)移。因此，在地下水位較高時(shí)坡趾是薄弱位置。當(dāng)?shù)叵滤贿_(dá)到20 m時(shí)沿邊坡坡面的最大水平位移增加幅度明顯提高，說明當(dāng)?shù)叵滤烈欢ǜ叨葧r(shí)，邊坡的最大水平位移會(huì)出現(xiàn)一個(gè)突變，此時(shí)隨著水位的繼續(xù)增加邊坡將會(huì)出現(xiàn)滑坡。

由圖7可知，隨著水位的升高，邊坡最大水平位移出現(xiàn)在地面以上(＞12 m)，即邊坡坡面臨空時(shí)位移較大。豎向位移同樣是表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，在邊坡頂部達(dá)到最大值。

由圖8可以看出，邊坡坡底的水平位移隨著X方向坐標(biāo)的增加，水平位移同樣表現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)。在X方向坐標(biāo)增加到某一位置時(shí)出現(xiàn)一個(gè)突變，說明此位置接近邊坡滑移面位置。且隨著水位的升高，位移最大值出現(xiàn)位置偏向邊坡內(nèi)部，說明地下水的影響使得邊坡滑動(dòng)面向邊坡內(nèi)部延伸，其滑動(dòng)規(guī)模增大。也可從邊坡的位移云圖得到進(jìn)一步的驗(yàn)證，此可作為邊坡滑坡預(yù)測(cè)的一個(gè)重要指標(biāo)。而豎向位移由坡內(nèi)向坡外增加趨勢(shì)不明顯，且在邊坡坡面位置增加到最大值，增加幅度更為明顯。

由圖9可知，隨著Y方向坐標(biāo)的增加，邊坡的水平位移表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，且隨著水位的增加邊坡的位移也呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。而豎向位移呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。

由圖10可知，邊坡坡頂?shù)乃轿灰坪拓Q向位移隨著X方向坐標(biāo)增大，水平位移呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，在坡面達(dá)到最大值;而豎向位移表現(xiàn)出減小的趨勢(shì)。此可由邊坡的浸潤線位置得到解釋，由于靠近邊坡內(nèi)部地下水位較高，其孔隙水壓力大，使得邊坡有效應(yīng)力降低，從而產(chǎn)生了較大的沉降。

由圖11可知，隨著X方向坐標(biāo)增大，水平位移呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，而豎向位移在無水時(shí)表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，當(dāng)存在地下水時(shí)其豎向位移在邊坡坡趾前方某一位置出現(xiàn)最大值，尤其是水位的增加其突變更為明顯。之后隨著X方向坐標(biāo)的繼續(xù)增大，呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。因此，在坡趾前修建鐵路時(shí)，尤其是在地下水位較高時(shí)應(yīng)該引起注意，防止路基沉降過大對(duì)高速鐵路運(yùn)營帶來災(zāi)難性的事故。

無水時(shí)邊坡最大變形位于邊坡坡面中上部(邊坡的最大水平位移主要出現(xiàn)在坡面，且最大水平位移可達(dá)到3.0 cm)。隨著水位的升高邊坡的水平位移表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，當(dāng)水位達(dá)到22 m時(shí)，邊坡的最大水平位移達(dá)到了4.75 cm，比無水時(shí)的最大水平位移增加了58.33%。由此可知，地下水對(duì)邊坡變形的影響顯著，地下水位的升高應(yīng)引起注意。從邊坡的最大位移出現(xiàn)位置可以看出，隨著地下水位的升高，邊坡的最大水平位移開始出現(xiàn)在邊坡中上部，且表現(xiàn)出逐步向邊坡內(nèi)部擴(kuò)展的趨勢(shì)。說明隨著水位的升高，滑動(dòng)區(qū)幾乎整個(gè)處于滲流面之下。在地下水滲透力作用下，坡趾部位的土體有效應(yīng)力下降使得坡趾位置的位移開始增大，直至邊坡發(fā)生滑坡破壞。

4 結(jié)論

本文基于擬靜力法研究了地下水位變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性和變形機(jī)制的影響規(guī)律，得到的主要結(jié)論為:

1)基于正交試驗(yàn)方法進(jìn)行了邊坡穩(wěn)定性的主要影響因素(黏聚力、內(nèi)摩擦角、坡角、地震峰值加速度和地下水位高度)的敏感性分析，其中內(nèi)摩擦角對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響最大，其次為設(shè)計(jì)峰值加速度、坡角、黏聚力、地下水位高度。盡管相對(duì)其它4個(gè)因素地下水對(duì)邊坡安全系數(shù)影響較小，但是其它4個(gè)因素，都是邊坡穩(wěn)定性影響的敏感因素，且在進(jìn)行計(jì)算時(shí)并沒有考慮地震作用下的動(dòng)孔隙水壓力影響。通過影響因素的顯著性分析，地下水位的變化可使邊坡安全系數(shù)降低15%，因此地下水的影響不容忽略。

2)隨著水位的升高邊坡的水平位移表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，當(dāng)水位達(dá)到22 m時(shí)，最大水平位移比無水時(shí)增加了58.33%。由此可知，地下水對(duì)邊坡變形的影響顯著，水位的升高應(yīng)引起注意。從邊坡的最大位移出現(xiàn)位置可以看出，隨著地下水位的升高，邊坡的最大水平位移開始表現(xiàn)出邊坡后緣下挫并逐步向前緣擴(kuò)展的趨勢(shì)。說明隨著水位升高至出現(xiàn)滲流面的情形時(shí)，滑動(dòng)區(qū)幾乎整個(gè)處于滲流面之下。在地下水滲透力作用下，坡趾部位的土體有效應(yīng)力下降使得坡趾位置的位移開始增大，直至邊坡發(fā)生滑坡破壞。

3)隨著水位的升高，邊坡最大位移出現(xiàn)位置相比無水時(shí)偏低，說明地下水的升高使得邊坡的變形最大值由邊坡的最高處開始向坡趾處轉(zhuǎn)移。因此，在地下水位較高時(shí)坡趾是薄弱位置。當(dāng)?shù)叵滤簧烈欢ǜ叨葧r(shí)，邊坡的最大水平位移會(huì)出現(xiàn)一個(gè)突變，此時(shí)隨著水位的繼續(xù)增加邊坡將會(huì)出現(xiàn)滑坡。且隨著水位的升高，位移最大值出現(xiàn)位置偏向邊坡內(nèi)部，說明地下水的影響使得滑動(dòng)面向邊坡內(nèi)部延伸，其滑動(dòng)規(guī)模增大。

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Quasi-static analysis on influence of rising of groundwater level on side-slope stability

CAI Degou1，2，HUANG Shuai3，YAN Hongye1，2，CHEN Feng1，2，ZHANG Qianli1，2，YAO Jianping1，2
(1.State Key Laboratory for Track Technology of High-speed Railway，Beijing 100081，China; 2.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 3.Institute of Crustal Dynamics，China Earthquake Administration，Beijing 100085，China)

With the help of finite element model，different factors(slope angle，adhesion force，angle of internal friction，underground water level，and designed peak acceleration)and the possible impact they might generate to slope stability were studied，with special focus being given to relation among underground water level，slope stability and deformation.The results show that angle of internal friction has proven to be the most influential factor in this study，which is followed by designed peak acceleration，slope angle，adhesion force and underground water level.It needs to be noted that the last factor cannot be overlooked，as its change may lead to a 15%drop in slope's safety factor.If the water level reaches a relatively higher level(H=22 m for instance)，the maximum horizontal displacement is increased by 58.33%，compared with the case where H stands at 0.As the water level climbs up，the maximum horizontal displacement starts to take place at the forward edge，rather than the trailing edge of the slope; in other words，the maximum value，which is first observed at the peak of the slope，now moves to the toe.A sudden change is noticed in the slope's maximum horizontal displacement，as the underground water level reaches certain point.The region where the maximum values first are found now expand to the interior part of the slope，which indicates the expansion of the sliding scale.Therefore，it should be considered as an important index in the analysis of slope stability.

Sand slope;Underground water level;Quasi-static force;Safety factor;Displacement

U213.1+3

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.01.13

1003-1995(2015)01-0056-07

(責(zé)任審編 趙其文)

2014-09-15;

2014-12-03

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助(2011AA11A102);鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心科研項(xiàng)目(J2014G006);高速度鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題基金資助(2012SKL01)

蔡德鉤(1978—)，男，浙江文成人，副研究員，博士。