蔡瑞卿

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

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降雨條件下淺層邊坡穩(wěn)定性分析

蔡瑞卿

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

分析邊坡土體強度參數(shù)在降雨條件下的衰減規(guī)律，并在此基礎上研究降雨對淺層邊坡穩(wěn)定性的影響。研究結果表明：土體黏聚力隨含水量增大的變化規(guī)律接近指數(shù)減小，土體內(nèi)摩擦角隨含水量增大的變化規(guī)律接近線性減?。唤涤瓿謺r不變的條件下，邊坡安全系數(shù)隨降雨強度的增大而呈非線性減小；降雨強度不變的條件下，邊坡安全系數(shù)隨降雨持時的增大而接近線性減小。

降雨滑坡 穩(wěn)定性強度 參數(shù)有限元

在降雨對邊坡穩(wěn)定性影響方面，國內(nèi)外已有大量的研究成果。唐棟[1]等在研究邊坡穩(wěn)定性問題時考慮前期降雨的影響，并結合三峽降雨資料進行分析，研究發(fā)現(xiàn)滲透系數(shù)越低的邊坡，其穩(wěn)定性受前期降雨的影響越明顯。許建聰[2]等在工程實踐的基礎上，結合室內(nèi)試驗較深入研究了滑帶的強度指標和滑體飽水面積對淺層邊坡穩(wěn)定性的影響。李煥強[3]等通過建立不同坡腳的模型，并分別進行人工降雨實驗，研究結果表明邊坡含水率、坡體變形、坡前推力隨降雨持續(xù)時間而不斷增大，降雨停止后，隨時間的推移而逐漸減小。汪益敏[4]等以實際工程為例進行降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響研究，結果表明降雨過程中土體吸水不斷軟化，土體強度不斷降低，當土體強度降低到一定程度時，邊坡失穩(wěn)破壞。陳善雄[5]等提出一種新的邊坡穩(wěn)定性計算方法，認為在分析降雨條件下堆積體滑坡的穩(wěn)定性時，滲透力是不可忽略的因素，并進一步推導出了考慮滲透力的傳遞系數(shù)法，通過工程實例，驗證了該方法的正確性和可靠性。黃新智[6]等通過降雨對黃土邊坡穩(wěn)定性的分析研究，發(fā)現(xiàn)邊坡隨降雨持續(xù)時間的增加而降低，降雨前12 h安全系數(shù)降低速度較快，降雨25～40 h期間安全系數(shù)降低速度較慢。彭永良[7]基于京九線鐵路工程項目，較深入地研究分析了該地區(qū)非飽和粉土的強度特性，結果表明該地區(qū)非飽和粉土黏聚力隨著含水量增大的變化規(guī)律接近線性減小，內(nèi)摩擦角隨含水量的增大而降低的幅度相對較小。張社榮[8]等對降雨條件下飽和—非飽和邊坡穩(wěn)定性進行分析，研究結果表明安全系數(shù)與降雨強度呈反比關系，降雨強度從12 mm/h增大到36 mm/h，邊坡安全系數(shù)降低17%。吳李泉[9]等以浙江武義平頭村山體滑坡為研究對象，通過有限元進行邊坡失穩(wěn)分析，結果表明持續(xù)降雨24 h情況下，淺層邊坡土體內(nèi)部含水量不斷增加，邊坡表層首先出現(xiàn)飽和區(qū)，并且零壓面不斷向邊坡內(nèi)部推移，到達一定程度時邊坡失穩(wěn)。徐晗[10]等通過修正的Mohr-Coulomb破壞準則，結合非飽和土的水土特征曲線建立有限元模型，對非飽和土邊坡穩(wěn)定性進行分析，結果表明降雨入滲時，邊坡表層較容易先發(fā)生塑性變形，并由邊坡坡趾逐漸向上延伸，最終導致滑坡。

現(xiàn)有研究成果多是根據(jù)模型試驗及數(shù)值模擬對降雨條件下邊坡穩(wěn)定性進行分析，作者認為，降雨誘導邊坡失穩(wěn)的根本原因是在降雨過程中土體含水量隨降雨過程不斷變化，從而導致邊坡土體強度不斷衰減，衰減到一定程度導致邊坡失穩(wěn)破壞，現(xiàn)有成果對此研究尚有不足，本文將在此方面進一步深入研究。

1 邊坡地質(zhì)條件

畢威高速公路K86+680～K86+980段邊坡長度約300 m，最大高度約60 m。邊坡表層為粉質(zhì)黏土，含少量風化巖碎屑，下伏石灰?guī)r(如圖1所示)。

圖1 邊坡整體

依據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和鉆探資料，邊坡從上至下地層如下所示。

(1)粉質(zhì)黏土：黃褐色-紅褐色，硬塑-堅硬，該地層厚5～15 m，含少量風化巖碎屑。

(2)石灰?guī)r：強風化，灰黑色-灰褐色，層厚3～8 m，巖體裂隙發(fā)育，結構較破碎。

(3)石灰?guī)r：弱風化，灰黑色-灰褐色，層厚>10 m，工程性質(zhì)較好。

2 邊坡土體強度隨降雨持續(xù)時間衰減規(guī)律

邊坡土體強度隨降雨過程不斷衰減是邊坡失穩(wěn)的主要因素，而與邊坡土體強度直接相關的是土體含水量。本節(jié)分別研究邊坡含水量隨降雨持續(xù)時間的變化規(guī)律以及邊坡強度隨含水量的變化規(guī)律，從而得到邊坡強度隨降雨持續(xù)時間的變化規(guī)律。

2.1 邊坡土體含水量隨降雨時間的測定

為準確測量降雨過程中土體含水量變化情況，現(xiàn)場含水量的測定采用EC-5土壤水分傳感器來進行。根據(jù)現(xiàn)場地層條件，滑坡主要發(fā)生在淺層土層中，故選擇在5 m深度測定土體含水量，每隔4 h記錄一次，記錄結果如表1所示。

表1 不同降雨條件下土壤含水量 %

2.2 土體強度參數(shù)隨含水量的變化規(guī)律

通過土工試驗得出粉質(zhì)黏土在不同含水量條件下的強度，如表2所示。

表2 不同含水量條件下土體強度參數(shù)

用Origin將土體黏聚力和內(nèi)摩擦角隨含水量的變化規(guī)律擬合出來，如圖2和圖3所示。

圖2 黏聚力隨含水量變化關系

圖3 內(nèi)摩擦角隨含水量變化關系

通過擬合得到土體強度參數(shù)黏聚力隨含水量w的變化關系式為

(1)

內(nèi)摩擦角φw隨含水量w的變化關系式為

(2)

從圖2和式(1)可以看出，土體黏聚力隨含水量增大的變化規(guī)律接近指數(shù)減小，從圖3和式(2)可以看出，土體內(nèi)摩擦角隨含水量增大的變化規(guī)律接近線性減小。

3 有限元模型建立與分析

3.1 有限元模型建立

根據(jù)現(xiàn)場邊坡尺寸及地層情況建立有限元模型，邊坡尺寸及地層信息如圖4所示。

圖4 邊坡尺寸及地層情況(單位：m)

各地層物理力學參數(shù)如表3所示。

表3 各地層物理力學參數(shù)

3.2 結果分析

(1)降雨強度對邊坡穩(wěn)定性影響

依據(jù)氣象部門對降雨強度標準劃分，降雨強度參數(shù)取值為小雨0.4 mm/h，中雨1 mm/h，大雨2 mm/h，暴雨5 mm/h。不同降雨強度下降雨24 h后邊坡穩(wěn)定性的計算結果如表4所示。

表4 安全系數(shù)隨降雨強度變化情況

將表4中不同降雨強度條件下邊坡安全系數(shù)的變化規(guī)律用曲線圖表示出來(如圖5所示)。

圖5 安全系數(shù)隨降雨強度的變化關系

從圖5得出降雨持時不變(24 h)的條件下，邊坡安全系數(shù)隨降雨強度的變化規(guī)律：邊坡安全系數(shù)隨降雨強度的增大而呈非線性減小，當降雨強度較小時，安全系數(shù)隨降雨強度的增大而減小的速率相對較大，當降雨強度較大時，安全系數(shù)隨降雨強度的增大而減小的速率相對較小，當降雨強度為大雨(即2 mm/h)時，經(jīng)過24 h降雨，邊坡安全系數(shù)小于1，邊坡失穩(wěn)。

邊坡自然條件下的安全系數(shù)為1.45，暴雨條件下邊坡安全系數(shù)為0.66，暴雨條件下邊坡安全系數(shù)減小了54.48%，由此可見，強度大的降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響巨大。

(2)降雨持續(xù)時間對邊坡穩(wěn)定性影響

分析大雨(2 mm/h)條件下，邊坡安全系數(shù)隨降雨持時的變化規(guī)律，計算結果如表5所示。

表5 邊坡安全系數(shù)隨降雨持時的變化情況

將表5不同降雨持時條件下邊坡安全系數(shù)的變化規(guī)律用曲線圖表示出來(如圖6所示)。

圖6 安全系數(shù)隨降雨持續(xù)時間的變化關系

從圖6得出降雨強度不變(2 mm/h)的條件下，邊坡安全系數(shù)隨降雨持續(xù)時間的變化規(guī)律：邊坡安全系數(shù)隨降雨持續(xù)時間的增大而接近線性減小。

邊坡在自然條件下安全系數(shù)為1.45，大雨條件下持續(xù)降雨24 h后，安全系數(shù)減小到0.99，邊坡安全系數(shù)減小了31.72%，由此可見，持續(xù)時間長的降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響也是巨大的。

4 結束語

通過分析不同降雨條件下土體強度的衰減規(guī)律和降雨條件對淺層邊坡穩(wěn)定性的影響，得出以下幾點結論：

(1)土體黏聚力隨含水量的增大的變化規(guī)律接近指數(shù)減小，土體內(nèi)摩擦角隨含水量增大的變化規(guī)律接近線性減小。

(2)降雨持時不變的條件下，邊坡安全系數(shù)隨降雨強度的增大而呈非線性減小，當降雨強度較小時，安全系數(shù)隨降雨強度的增大而減小的速率相對較大，當降雨強度較大時，安全系數(shù)隨降雨強度的增大而減小的速率相對較小，當降雨強度為大雨(2 mm/h)時，經(jīng)過24 h降雨，邊坡安全系數(shù)小于1，邊坡失穩(wěn)。邊坡自然條件下的安全系數(shù)為1.45，暴雨條件下邊坡安全系數(shù)為0.66，暴雨條件下邊坡安全系數(shù)減小了54.48%。

降雨量不變的條件下，邊坡安全系數(shù)隨降雨持時的增大而接近線性減小。邊坡在自然條件下安全系數(shù)為1.45，大雨條件下持續(xù)降雨24 h后，安全系數(shù)減小到0.99，邊坡安全系數(shù)減小了31.72%。

[1] 唐棟，李慶典，周創(chuàng)兵，等.考慮前期降雨過程的邊坡穩(wěn)定性分析[J].巖土力學，2013，34(11)：3239-3248

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Shallow slope stability analysis under the condition of rainfall

CAI Ruiqing

2016-07-11

蔡瑞卿(1987—)，男，2014年畢業(yè)于西南交通大學巖土工程專業(yè)，工學碩士，助理工程師。

1672-7479(2016)05-0056-03

P642.2

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