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        降雨作用下蠕滑邊坡滲流場與位移場的響應(yīng)分析

        2018-07-31 12:53:08
        城市建筑空間 2018年6期

        楊 堅

        (肇慶市建設(shè)工程質(zhì)量檢測站,廣東 肇慶526020)

        本文基于飽和-非飽和土滲流控制理論,Geostudio軟件中SLOPE/W、SEEP/W和SIGMA/W模塊相耦合,對湖南湘西地區(qū)某高速公路蠕滑邊坡進(jìn)行降雨入滲條件下邊坡的飽和-非飽和穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)滲流場與應(yīng)力場的耦合分析,從孔隙水壓力、安全系數(shù)、位移時程等角度綜合分析降雨強(qiáng)度、降雨持時、雨型等不同降雨特性對蠕滑邊坡的變形破壞影響。

        1 某蠕滑邊坡概況

        所選蠕滑邊坡地處湖南湘西武陵山區(qū),原始地貌單元屬構(gòu)造剝蝕山體,山間沖溝相間,地形起伏較大,邊坡高程介于340~380 m,為殘坡積堆積體形成的山前坡積裙。高程380 m以上為山體,自然坡度約45°,坡腳邊坡坡度25°~35°,坡積裙前緣為相對較開闊的山前沖洪積平原。

        根據(jù)鉆孔資料,邊坡體由第四系全新統(tǒng)殘坡積堆積體和志留系中統(tǒng)青灰色強(qiáng)、中風(fēng)化炭質(zhì)頁巖組成。上覆第四系全新統(tǒng)坡殘積堆積體組成物質(zhì)以坡殘積粉質(zhì)黏土為主,偶夾碎石,呈可塑~硬塑狀態(tài),無搖振反應(yīng),稍有光澤,干強(qiáng)度中等,韌性中等,含少量礫石,厚7~9 m。下伏志留系中統(tǒng)炭質(zhì)頁巖巖層產(chǎn)狀40°~45°,巖層傾向與坡向平行,為順向坡。分為強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁巖和中風(fēng)化炭質(zhì)頁巖。地下水主要為第四系覆蓋層中的孔隙水(潛水)和基巖裂隙水(潛水),其中孔隙水賦存于第四系松散覆蓋層中,孔隙水穩(wěn)定埋深為1.60~4.70 m。巖土體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

        經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查該邊坡處于蠕滑狀態(tài),蠕滑方向基本垂直路基,后緣已產(chǎn)生十幾米長的拉裂縫,沿坡體也出現(xiàn)數(shù)條拉裂縫,但該邊坡尚未整體性滑動。目前,該邊坡正前方為在建高速公路,一旦發(fā)生整體性失穩(wěn),將嚴(yán)重影響高速公路正常施工和現(xiàn)場施工人員的生命安全。

        根據(jù)地形等高線和推測的滑動面位置,可獲得該邊坡主滑方向的剖面(見圖1)。從現(xiàn)有變形情況看,在強(qiáng)降雨情況下,坡體前部必然出現(xiàn)更大變形,牽引后部坡體產(chǎn)生階梯滑移,從而導(dǎo)致整個坡體失穩(wěn)。

        2 飽和-非飽和土滲流理論與穩(wěn)定性分析方法

        由于上覆堆積體主要成分為粉質(zhì)黏土夾碎石,地下水位處于坡面下2~4 m處,地下水埋深較淺,非飽和土和飽和土中地下水的運動是相互聯(lián)系的,可按飽和-非飽和土滲流問題分析強(qiáng)降雨條件下該邊坡體的孔隙水壓力響應(yīng)規(guī)律及其穩(wěn)定性。

        2.1 飽和-非飽和滲流控制方程

        2.1.1 土-水特征曲線

        根據(jù)室內(nèi)試驗結(jié)果,選擇飽和體積含水量為45%的粉質(zhì)黏土的樣本函數(shù)作為估算單位體積含水量函數(shù)即土-水特征曲線(見圖2)。

        2.1.2 飽和-非飽和滲流控制方程

        可根據(jù)達(dá)西定律與質(zhì)量守恒定律(連續(xù)性方程)推導(dǎo)出飽和-非飽和土中水滲流的控制方程:

        表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

        圖1 邊坡剖面

        圖2 粉質(zhì)黏土土-水特征曲線

        非恒定流有限元方程為:

        式中,[K]為單元特征矩陣;[M]為單元質(zhì)量矩陣;{Q}為節(jié)點流量向量。

        求解的邊界條件如下:

        式中,H為已知水頭邊界;Q2為流量邊界。

        初始條件為:

        本文選用滲透系數(shù)預(yù)測模型作為粉質(zhì)黏土滲透系數(shù)預(yù)測模型,其控制方程為:

        式中,kw與ks分別為計算的滲透系數(shù)函數(shù)和已測的飽和滲透系數(shù)(m/s);θ為體積含水量;e=2.718;y為虛擬積分變量,是負(fù)孔壓的函數(shù);i=j~N,介于最小、最大負(fù)孔壓力;ψ對應(yīng)的基質(zhì)吸力插值;θ’為體積含水量的一階導(dǎo)數(shù)。

        根據(jù)滲透試驗結(jié)果,選取粉質(zhì)黏土飽和滲透系數(shù)為5.7×10-6c m/s(0.005 m/d),預(yù)測滲透系數(shù)曲線如圖3所示。

        圖3 滲透系數(shù)預(yù)測曲線

        2.2 飽和-非飽和抗剪強(qiáng)度理論

        Fredlund等[1]在庫倫飽和土抗剪強(qiáng)度公式基礎(chǔ)上,提出了非飽和土抗剪強(qiáng)度公式,如式(7)所示。

        式中,τf為抗剪強(qiáng)度;c’為有效黏聚力;σ為正應(yīng)力;φ’為有效內(nèi)摩擦角;uw為孔隙水壓力;ua為孔隙氣壓力,實際工程中可取孔隙氣壓力為大氣壓力,即ua=0;φb為基質(zhì)吸力增加引起抗剪強(qiáng)度增加的曲線的傾角。

        2.3 穩(wěn)定性分析法

        基于巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)和滲流計算結(jié)果可進(jìn)行極限平衡法或有限元強(qiáng)度折減法的邊坡穩(wěn)定性計算。本文中使用瑞典條分法Morgenstern-Price法,既考慮了力平衡,又考慮了力矩平衡;在建立極限平衡方程時,同時考慮土條間的法向力和切向力,建立反映二者關(guān)系的條間力函數(shù)X=Eλf(x)。該方法適用于計算包括圓弧滑裂面在內(nèi)的任意滑裂面。

        3 數(shù)值模擬

        3.1 建立模型

        根據(jù)該邊坡地質(zhì)勘察報告。利用Geostudio軟件中的SEEP/W模塊建立有限元模型,采用四邊形&三角形單元劃分網(wǎng)格,模型中共設(shè)3個監(jiān)測點,其中節(jié)點92位于邊坡后緣,節(jié)點1114位于中部,節(jié)點1963位于前緣。離散后的模型、監(jiān)測點及地下水位如圖4所示。

        圖4 模型建立與網(wǎng)格劃分

        1)邊界條件 滲流邊界:計算模型左、右兩側(cè)與底邊為不透水邊界,滲流量為0;坡面為流量邊界,流量大小為降雨強(qiáng)度,根據(jù)相應(yīng)的工況設(shè)置。應(yīng)力邊界:計算模型左右邊界為豎直方向自由,水平方向固定;底邊水平和豎直方向均固定。

        2)工況設(shè)計 根據(jù)中國氣象局24 h降雨強(qiáng)度,結(jié)合湘西地區(qū)的降雨資料,按中雨(20mm/d)、大雨(40mm/d)、暴雨(80mm/d)和大暴雨(160mm/d),設(shè)計4種降雨工況對該邊坡進(jìn)行數(shù)值分析。

        3.2 結(jié)果分析

        3.2.1 穩(wěn)定降雨強(qiáng)度下滲流場

        工況I:降雨強(qiáng)度為160mm/d(大暴雨),持時1,3,5,7 d。由孔隙水壓力云圖及滲流矢量圖可知,隨著強(qiáng)降雨進(jìn)行,該邊坡地下水位線逐漸上升,孔隙水壓力逐漸增加,坡體非飽和區(qū)逐漸縮小,隨著降雨持時的增加,局部達(dá)到飽和狀態(tài)。

        各監(jiān)測點在降雨過程中,孔隙水壓力隨著降雨持時的增加而增加。位于前緣的監(jiān)測點1963,在約4.3 d時孔隙水壓力從負(fù)值增加到0,說明此時前緣地下水位線已經(jīng)抬升到該監(jiān)測點,隨著降雨的持續(xù),該點的孔隙水壓力也繼續(xù)增大。位于中部的監(jiān)測點1114,孔隙水壓力在3.0~3.6 d期間急劇增加,說明此間地下水位急劇上升,在約3.2 d時從負(fù)值增加到0,在約3.6 d后孔隙水壓力隨著持時的增加而緩慢增加。位于后緣的監(jiān)測點92,孔隙水壓力在0~0.5 d期間急劇增加,說明這期間地下水位急劇上升,約0.2 d時從負(fù)值增加到0,0.5 d以后隨著降雨的持續(xù)而逐漸達(dá)到最大值,此時邊坡該點處已達(dá)到飽和狀態(tài)。從整體來看,孔隙水壓力先快速增加后逐漸變緩(見圖5),說明在邊坡處于非飽和狀態(tài)時,入滲速率較快,接近飽和時,雨水的入滲變得困難,這是由于滲透系數(shù)隨著含水量的增加而逐漸減小的原因。

        圖5 監(jiān)測點孔隙水壓力曲線

        3.2.2 不同降雨強(qiáng)度下孔隙水壓力與變形響應(yīng)

        工況I I分別模擬降雨強(qiáng)度20mm/d持時8 d(中雨)、160mm/d持時1 d(大暴雨)的降雨過程。

        從圖6可知,當(dāng)降雨總量為160mm時,3個監(jiān)測點的孔隙水壓力在不同降雨條件下的變化趨勢基本一致。以監(jiān)測點1963為例,持時1 d,降雨強(qiáng)度為160mm/d的孔隙水壓力增長約2 kPa,增長速率大于降雨強(qiáng)度為20mm/d的孔隙水壓力增長速率,最大孔隙水壓力約-7 kPa。但降雨強(qiáng)度為20mm/d的孔隙水壓力在隨后的幾天內(nèi)持續(xù)增長,到第8 d時,孔隙水壓力增大到約3.5 kPa,由負(fù)值變?yōu)檎?,說明地下水位從該點以下上漲到該點以上。由此可以看出,低強(qiáng)度、長持時降雨,雨水能夠充分滲入地下,使地下水位抬升較高,孔隙水壓力增加的較多。由此可知,在降雨量相同的情況下,低強(qiáng)度、長持時降雨比高強(qiáng)度、短持時降雨對邊坡的孔隙水壓力影響更大。

        圖6 監(jiān)測點1963的孔隙水壓力曲線

        3.2.3 瞬變降雨強(qiáng)度下孔隙水壓力與變形響應(yīng)

        工況III為降雨強(qiáng)度隨時間周期性變化,即降雨從0.3 d開始,強(qiáng)度隨時間瞬時變化,到0.45 d增加到最大值600mm/d,每日降雨量可達(dá)160mm,相當(dāng)于大暴雨,之后到0.65 d再減小至0,連續(xù)7 d。

        從圖7可知,位于邊坡中部的監(jiān)測點1114處的孔隙水壓力起初為負(fù)值,在降雨強(qiáng)度瞬時變化的前4 d,孔隙水壓力持續(xù)增加,并于約第4.4d增加至0,說明地下水位隨著降雨的入滲持續(xù)上升到達(dá)該監(jiān)測點;之后孔隙水壓力隨著每天瞬時降雨強(qiáng)度的增大而急劇增加,之后隨著降雨的結(jié)束而逐漸減小,直到下一天降雨的來臨,其變化稍滯后于降雨時間,孔隙水壓力總體上是增加的,說明滲流量小于降雨強(qiáng)度。監(jiān)測點92由于位于地下水位附近,當(dāng)?shù)叵滤怀^該點埋深并到達(dá)地表時,該點的孔隙水壓力隨降雨的變化而周期性變化,變化稍滯后于降雨時間,說明此處邊坡已達(dá)到飽和狀態(tài)。由于雨水向下滲流,監(jiān)測點1963的孔隙水壓力隨著降雨的變化持續(xù)增加。

        圖7 監(jiān)測點孔隙水壓力變化曲線

        由圖8可知,該邊坡的位移隨著降雨的周期性變化而增加,邊坡前端位移最大,可達(dá)33mm,向邊坡上部位移逐漸變小,邊坡前緣牽引中后部向下位移,由此可知,此邊坡隨著降雨的入滲將發(fā)生牽引式滑坡。

        圖8 降雨后邊坡位移等值線與矢量圖

        3.2.4 強(qiáng)降雨后孔隙水壓力響應(yīng)

        工況I V為降雨強(qiáng)度160mm/d持時1 d,分析降雨后15 d內(nèi)的孔隙水壓力響應(yīng)與穩(wěn)定性。

        圖9顯示了降雨1 d后15 d監(jiān)測點孔隙水壓力變化,從中可以看出降雨強(qiáng)度為160mm/d持時1 d停止后,監(jiān)測點1114和1963孔隙水壓力隨著雨水的入滲仍舊緩慢增加,直到最大值;而監(jiān)測點92位于邊坡最上部,雨水從上向下滲流,孔隙水壓力隨著降雨的結(jié)束開始減小。降雨過程中,邊坡安全系數(shù)快速降低,降雨結(jié)束后,隨著雨水的入滲安全系數(shù)繼續(xù)降低,但降低的幅度變緩,逐漸趨于穩(wěn)定。因此,降雨結(jié)束后一段時間內(nèi),邊坡的孔隙水壓力隨著降雨的入滲繼續(xù)增加直至穩(wěn)定狀態(tài),安全系數(shù)則隨之降低到穩(wěn)定值;這說明降雨效應(yīng)具有一定的滯后性,滑坡往往也發(fā)生在強(qiáng)降雨結(jié)束之后。

        圖9 監(jiān)測點孔隙水壓力變化曲線

        4 結(jié)語

        通過對湘西典型堆積層蠕滑邊坡進(jìn)行調(diào)查研究,分析降雨作用下蠕滑邊坡的滲流場與位移場的變化,主要表現(xiàn)在孔隙水壓力與邊坡位移的變化。

        1)降雨強(qiáng)度不變時,隨著降雨持時的增加,邊坡孔隙水壓力增加。降雨量不變時,低強(qiáng)度、長持時降雨比高強(qiáng)度、短持時降雨對堆積層邊坡的影響大,更不利于邊坡的穩(wěn)定。

        2)降雨強(qiáng)度隨時間瞬時變化時,邊坡孔隙水壓力隨降雨強(qiáng)度的變化而變化,總體呈上升趨勢,從非飽和狀態(tài)逐漸變?yōu)轱柡蜖顟B(tài),安全系數(shù)隨降雨強(qiáng)度的變化呈階梯性降低。

        3)降雨結(jié)束后一段時間內(nèi),邊坡的孔隙水壓力隨著降雨的入滲繼續(xù)增加直至穩(wěn)定狀態(tài)。這說明降雨效應(yīng)具有一定的滯后性,往往滑坡也就發(fā)生在低強(qiáng)度、長持時降雨后期或結(jié)束之后,或強(qiáng)降雨結(jié)束之后。

        4)降雨作用下該類蠕滑邊坡前緣位移大于中后部位移,往往發(fā)生牽引式滑坡。

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