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        干濕循環(huán)與降雨對黃土邊坡穩(wěn)定性的影響研究

        2020-09-04 08:55:40杜京房仝飛
        廣西大學學報(自然科學版) 2020年4期
        關鍵詞:弱化降雨量安全系數(shù)

        杜京房,仝飛

        (太原理工大學土木工程學院,山西太原030024)

        0 引言

        在山西地區(qū),降雨誘發(fā)的地質(zhì)災害占地質(zhì)災害總數(shù)的75 %以上,且主要發(fā)生在6~9月份期間,最常見的是降雨誘發(fā)的滑坡事故[1-4]。降雨會直接導致邊坡淺層土體含水率急劇增加,從而引發(fā)土體變形特性和強度特性的改變[5-6],同時降雨—蒸發(fā)循環(huán)作用也會引起土體強度參數(shù)的弱化,導致邊坡抗滑能力下降,從而誘發(fā)滑坡事故。因此,研究降雨與干濕循環(huán)作用對邊坡穩(wěn)定性的影響是有必要的。

        近年來,不少學者研究了降雨對邊坡安全性的影響:李兆平等[7]通過計算機建模分析了降雨持續(xù)時長、降雨強度、初始含水量、滲透系數(shù)等對邊坡安全性的影響;林鴻州等[8]通過對比高強度短歷時降雨與低強度長歷時降雨對于土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響,提出采用降雨強度和降雨累積量作為雨量預警參數(shù);常金源等[9]基于Green-Ampt入滲模型,提出了淺層滑坡的概念模型,并建立了邊坡安全系數(shù)與降雨時間關系表達式;石振明等[10]對不同強度和歷時降雨研究發(fā)現(xiàn),高強度短歷時降雨易誘發(fā)淺層滑動,低強度長歷時易誘發(fā)深層滑動。從中可以發(fā)現(xiàn),在研究降雨對邊坡穩(wěn)定性影響時,很少考慮干濕循環(huán)的影響。

        強度折減法是分析邊坡穩(wěn)定性的常用方法之一,ZIENKIEWICZ等[11]最早提出了有限元強度折減法。唐芬等[12]認為傳統(tǒng)強度折減法采用相等的折減系數(shù)不能反映c、φ各自的安全儲備,提出了雙強度折減方法。袁維等[13]提出了改進強度折減法,認為抗剪強度參數(shù)折減時應該同時對其他強度參數(shù)及變形參數(shù)進行折減。文章選擇了改進強度折減法和傳統(tǒng)強度折減法兩種方法計算邊坡穩(wěn)定系數(shù),并對兩者計算結果做出了對比。

        目前,降雨對邊坡穩(wěn)定的影響研究主要考慮的是滲流場的作用,并未考慮到降雨—蒸發(fā)形成的累積弱化作用,且傳統(tǒng)強度折減法只考慮了粘聚力和內(nèi)摩擦角兩個參數(shù)的折減?;谝陨锨闆r,本文以太原市某黃土邊坡為研究對象,基于修正的Mein-Larson入滲模型,研究在給定的降雨強度及時長下,浸潤鋒上部土體抗剪強度參數(shù)在降雨與干濕循環(huán)作用下的弱化規(guī)律,并使用改進的強度折減法分析降雨、干濕循環(huán)以及兩者綜合考慮三種情況對邊坡穩(wěn)定性的弱化作用,研究結果可為邊坡工程的防護和加固提供參考。

        1 研究方法

        本文的研究方案是,基于Mein-Larson修正模型確定不同降雨持時下的入滲深度,并通過試驗模擬土體抗剪強度隨降雨、干濕循環(huán)的弱化規(guī)律,最后通過改進強度折減法分析只考慮降雨、只考慮干濕循環(huán)以及兩者綜合考慮三種情況下的邊坡安全系數(shù)。

        1.1 浸潤鋒深度確定方法

        本文基于Mein-Larson修正模型來計算浸潤鋒深度,修正后的Mein-Larson模型包括以下兩種情形[14-16]:

        ①降雨強度r大于滲透系數(shù)K時。

        假設在某時刻入滲量達到I0時開始積水,可求出I0:

        (1)

        式中:S為浸潤鋒處平均基質(zhì)吸力;Δθ為飽和含水率θS與初始含水率θi之差。

        積水時長t1為:

        (2)

        各時段累計入滲量分別為:

        (3)

        式中:t0為從開始積水到累計入滲量達到I0時所用時長,計算公式:

        (4)

        經(jīng)過斜坡修正浸潤鋒深度計算公式如下:

        (5)

        ②當降雨強度r小于滲透系數(shù)K時。

        降雨強度較小時,雨水全部入滲,經(jīng)過坡度修正后。雨水入滲量為:

        I=rtcosα,

        (6)

        浸潤鋒深度為:

        (7)

        1.2 改進強度折減法簡介

        傳統(tǒng)強度折減法在分析邊坡安全系數(shù)時,通過調(diào)整折減系數(shù)對土體內(nèi)摩擦角和粘聚力進行折減,進而找到一個臨界的折減系數(shù),使得邊坡恰好失穩(wěn),此時的折減系數(shù)就是邊坡安全系數(shù)。但只對c、φ值進行折減顯然不符合實際情況,c、φ值弱化的同時土體的其他參數(shù)也在變化,例如泊松比、彈性模量、抗拉強度等,這些參數(shù)都會直接影響到邊坡的穩(wěn)定。因此,對抗剪強度參數(shù)折減時也應對其他強度參數(shù)及變形參數(shù)進行折減。為了研究其他參數(shù)對邊坡穩(wěn)定性的影響,袁維等[13]研究了抗拉強度、彈性模量、泊松比與抗剪強度參數(shù)之間的關系,并建立關系式如下:

        (8)

        式中:φn、cn、ftn、En、vn分別是第n折減步的內(nèi)摩擦角、粘聚力、抗拉強度、彈性模量、泊松比;α、β、γ為引入的常數(shù),計算方法如下:

        (9)

        式中:φ、c、ft、E、v分別是初始的內(nèi)摩擦角、粘聚力、抗拉強度、彈性模量、泊松比。

        2 工程案例分析

        2.1 工程概況

        以山西省太原市迎澤區(qū)黃土邊坡為例,驗證本文提出的干濕循環(huán)和降雨綜合作用對邊坡穩(wěn)定性影響及使用改進強度折減法分析邊坡穩(wěn)定的合理性。該邊坡高度為7 m,放坡系數(shù)為1∶1,通過室內(nèi)試驗測得邊坡不同深度土體性質(zhì)。見表1,可見不同深度土體性質(zhì)非常接近,因此本文將該邊坡視為單層均質(zhì)土體。

        表1 土體物理力學參數(shù)Tab.1 Property parameters of soil

        2.2 邊坡穩(wěn)定性分析

        2.2.1 確定浸潤鋒深度

        滑坡事故多是由強降雨引發(fā)的,太原市年均降雨量僅有423.3 mm,且主要降雨集中在6~9月份,采用平均降雨量不能反映出強降雨對邊坡穩(wěn)定的影響,因此本文以太原市2016年7月的某次強降雨作為研究背景,此次降雨持續(xù)時長為32 h,累計降雨量達到189 mm,降雨強度為5.9 mm/h。為研究不同降雨量下,干濕循環(huán)和降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響,在該降雨強度下擬定了6個不同的降雨時長:10、20、25 、30、35、40 h。不同降雨時長下浸潤鋒深度計算結果見表2。

        表2 浸潤鋒深度計算結果Tab.2 Infiltration calculation result

        圖1 試驗方案示意圖Fig.1 Test scheme

        2.2.2 室內(nèi)試驗

        為研究降雨、干濕循環(huán)以及兩者疊加作用這3種情況下土體粘聚力和內(nèi)摩擦角的弱化規(guī)律,取深度為6.7 m土體作為研究對象,制定如圖1所示試驗方案:以初始含水率増濕至飽和含水率模擬降雨的影響,然后風干至初始含水率完成1次干濕循環(huán),再次増濕至土樣飽和后完成1次干濕循環(huán)和降雨的疊加作用,本次試驗擬定模擬5次干濕循環(huán)作用和5次干濕循環(huán)降雨疊加作用。増濕過程通過噴霧均勻増濕土樣至飽和實現(xiàn),蒸發(fā)過程通過自然風干實現(xiàn),試驗中通過質(zhì)量控制含水率。

        圖2所示為土體抗剪強度參數(shù)與干濕循環(huán)次數(shù)的關系曲線。可見:粘聚力、內(nèi)摩擦角均隨循環(huán)次數(shù)增加以指數(shù)函數(shù)形式弱化,且首次弱化程度最明顯,隨后弱化程度逐漸減小,最后趨向于殘余值。相較于粘聚力,內(nèi)摩擦角弱化幅值則較小,從初始值到最終殘余值弱化幅值不超過3°。相較于初始含水率,飽和土樣弱化幅值和速度更小一些。

        (a) 粘聚力

        (b) 內(nèi)摩擦角

        2.2.3 建立模型

        根據(jù)表2中浸潤鋒深度計算結果,確定不同降雨時長下邊坡浸潤面。如圖3所示,根據(jù)浸潤面的位置和邊坡特征,建立邊坡模型。邊坡模型中約束條件為:左右兩側(cè)約束水平向位移,底部約束豎向位移。強度折減法計算降雨、干濕循環(huán)以及疊加作用三種情況下邊坡穩(wěn)定系數(shù)時,需要對整個邊坡模型參數(shù)進行強度折減。試驗測得邊坡模型參數(shù)見表3。

        圖3 浸潤鋒位置示意圖Fig.3 Rainfall infiltration locations

        表3 邊坡模型參數(shù)Tab.3 Model parameters of slope

        2.2.4 邊坡安全系數(shù)計算結果

        本文分別用傳統(tǒng)強度折減法、改進強度折減法兩種方法計算干濕循環(huán)、降雨、降雨干濕循環(huán)疊加作用三種情況下的邊坡安全系數(shù)。使用強度折減法時,需要對整個邊坡的強度參數(shù)進行折減。使用改進強度折減法計算安全系數(shù)時,首先需要根據(jù)式(9)計算參數(shù)α、β、γ的值,折減過程中,通過式(8)計算每個折減步強度參數(shù)和變形參數(shù)的值,然后將彈性模量和泊松比換算為剪切模量和體積模量。

        ①干濕循環(huán)對邊坡穩(wěn)定性的影響。

        圖4所示為干濕循環(huán)作用下邊坡安全系數(shù)隨降雨時長的變化曲線。可見,隨著降雨時長增加,干濕循環(huán)對邊坡穩(wěn)定性影響逐漸增加。邊坡安全系數(shù)在降雨量達到118~147.5 mm發(fā)生了突變,在20 h(降雨量118 mm)之前,安全系數(shù)變化趨勢平緩,說明降雨量小于118 mm時,干濕循環(huán)對邊坡穩(wěn)定性影響不明顯。相同的降雨時長下,隨著循環(huán)次數(shù)的增加,邊坡安全系數(shù)不斷衰減,說明干濕循環(huán)累積作用明顯,且降雨時長越長,不同循環(huán)次數(shù)下安全系數(shù)之間差值越大。因此,干濕循環(huán)對邊坡穩(wěn)定性的影響主要和次數(shù)累積及降雨量有關。

        (a) 傳統(tǒng)強度折減法

        (b) 改進強度折減法

        ②降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響。

        圖5所示為降雨作用下安全系數(shù)隨降雨時長變化曲線??梢?,安全系數(shù)隨著降雨時長增加而衰減,降雨量小于118 mm時安全系數(shù)變化均勻且緩慢,超過118 mm時衰減速度突然增加。隨著降雨量增加,浸潤鋒深度不斷增加,邊坡安全系數(shù)在降雨量達到236 mm開始小于1,此時浸潤鋒深度達到1.17 m。因此,降雨對邊坡穩(wěn)定影響的大小與浸潤鋒深度密切相關。相較于傳統(tǒng)強度折減法,改進后強度折減法的計算結果始終較小,即改進強度折減方法計算結果更安全。

        圖5 降雨作用下安全系數(shù)隨降雨時長變化曲線Fig.5 Curve of safety factor over rainfall time under rainfall

        ③降雨和干濕循環(huán)疊加作用對邊坡穩(wěn)性的影響。

        圖6所示為疊加作用下邊坡安全系數(shù)隨降雨時長的變化曲線??梢?,降雨量小于59 mm(10 h)時,不同循環(huán)次數(shù)下安全系數(shù)非常接近,累積作用不明顯,說明小降雨量形成的干濕循環(huán)對邊坡整體穩(wěn)定性影響較小,分析時可以忽略。在1次干濕循環(huán)疊加降雨作用下,邊坡在降雨量達到177 mm(30 h)時被破壞,隨著循環(huán)次數(shù)的增加,邊坡安全系數(shù)突變時間和破壞時間逐漸提前。在五次干濕循環(huán)和降雨作用疊加下,邊坡降雨量達到124 mm(21 h)時發(fā)生破壞,說明干濕循環(huán)的累積作用對邊坡穩(wěn)定性影響較大。因此,分析邊坡穩(wěn)定性時,當降雨量超過一定范圍,干濕循環(huán)作用就應與降雨作用綜合考慮。

        (a) 傳統(tǒng)強度折減法

        (b) 改進強度折減法

        ④三種情況對比分析。

        圖7所示為三種情況下的邊坡安全系數(shù)隨降雨時長變化曲線??梢姡蓾裱h(huán)對邊坡穩(wěn)定性影響相較其他兩種情況影響較小,干濕循環(huán)單獨作用下邊坡基本不會失穩(wěn);相較于干濕循環(huán),降雨作用下的安全系數(shù)較小,且兩者差值隨著降雨量的增加而增大,當降雨量達到236 mm時,降雨作用下的安全系數(shù)比干濕循環(huán)作用下的安全系數(shù)小43 %;與只考慮降雨作用相比,疊加作用下邊坡安全系數(shù)更小,且兩者差值在降雨量達到147.5 mm時最大,疊加作用下安全系數(shù)比降雨作用下小47 %。因此降雨量超過一定范圍時,降雨作用與干濕循環(huán)作用對邊坡穩(wěn)定性的影響都不能被忽略。

        (a) 傳統(tǒng)強度折減法

        (b) 改進強度折減法

        ⑤安全系數(shù)大小與邊坡滑動面位置關系。

        為研究安全系數(shù)與滑動面位置之間的關系,選取降雨量為147.5 mm時的3個安全系數(shù)所對應的最大剪應變增量云圖進行對比分析,圖8所示是安全系數(shù)為1.78(只考慮5次干濕循環(huán))、1.36(只考慮降雨)、0.72(兩者疊加)所對應的最大剪應變增量云圖。可見,安全系數(shù)減小時,邊坡滑動面發(fā)生了變化。當安全系數(shù)從1.78衰減到1.36時,滑動面位置發(fā)生了突變,這是由于降雨使淺層土體抗剪強度迅速下降導致的。當安全系數(shù)從1.36衰減到0.72時,滑動面進一步減小,且有向坡頂移動的趨勢。因此,安全系數(shù)的減小與滑動面的變化有著密切的關系。

        (a) 安全系數(shù)為1.78

        3 結論

        ①本文基于Mein-Larson降雨入滲模型,結合改進強度折減法分析了降雨和干濕循環(huán)對黃土邊坡穩(wěn)定性的影響。分析結果表明:考慮降雨和干濕循環(huán)疊加作用的影響時,邊坡發(fā)生破壞的時間提前,所需降雨量也大幅下降,且改進強度折減法計算結果更安全合理,該研究方法可用于分析降雨作用下黃土邊坡穩(wěn)定性。

        ②黃土內(nèi)摩擦角和粘聚力與干濕循環(huán)次數(shù)之間滿足指數(shù)函數(shù)關系。兩者均隨著循環(huán)次數(shù)的增加而減小,首次循環(huán)弱化幅值最大,隨后逐漸減小,最終趨向殘余值。與粘聚力相比,內(nèi)摩擦角弱化速度和幅值更小。與天然含水率黃土相比,飽和黃土隨干濕循環(huán)弱化速度更慢,幅值更小。土體強度參數(shù)殘余值可以為邊坡設計和防護工程提供參考。

        ③相比僅考慮降雨作用,考慮干濕循環(huán)和降雨疊加作用時,邊坡安全系數(shù)發(fā)生突變的降雨量減少,邊坡破壞時所需降雨量也大量減少。相同的降雨量下,考慮兩者疊加作用時,安全系數(shù)最多減小47 %。因此,在研究降雨對邊坡穩(wěn)定性影響時,超過一定降雨量的干濕循環(huán)作用也應該被考慮在內(nèi)。

        ④通過工程案例分析表明:改進強度折減法計算得到的安全系數(shù)與傳統(tǒng)強度折減法相比較更小,更接近實際情況。

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