趙欣桐

(中鐵第六勘察設(shè)計院集團有限公司， 天津 300308)

根據(jù)相關(guān)文獻資料，大量土質(zhì)邊坡失穩(wěn)發(fā)生在強降雨之后，表明土質(zhì)邊坡的失穩(wěn)與降雨之間存在十分密切的聯(lián)系。近年來，隨著公路、鐵路建設(shè)的大力發(fā)展，降雨引起土質(zhì)邊坡失穩(wěn)破壞的問題越來越受到廣大學(xué)者的重視。降雨引起土質(zhì)邊坡失穩(wěn)的主要原因在于降雨入滲導(dǎo)致土體內(nèi)部基質(zhì)吸力消失，暫態(tài)飽和區(qū)孔隙水壓力暫時升高。從有效應(yīng)力角度分析，在孔隙水壓力升高的條件下，邊坡土體內(nèi)有效應(yīng)力降低是導(dǎo)致土體抗剪強度降低的最主要原因。暫態(tài)飽和區(qū)暫態(tài)附加水荷載作用比穩(wěn)態(tài)水荷載量大，也常成為邊坡失穩(wěn)的控制因素。

目前對降雨作用下土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的研究主要考慮長時間降雨引起地下水位上升對邊坡穩(wěn)定性的影響，較少對短時強降雨作用下邊坡穩(wěn)定性進行深入研究。雖然在短時強降雨作用下雨水的入滲深度未達(dá)到邊坡初始地下水位，地下水位沒有顯著提高，但工程資料顯示這種類型的降雨引起的邊坡失穩(wěn)時常發(fā)生，給社會帶來巨大損失。鑒于此，該文基于二維飽和-非飽和滲流理論，對短時強降雨作用下滲流場進行計算，分析這種特殊氣候條件下邊坡暫態(tài)水壓力分布及變化對土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響，為工程實踐提供參考。

1 飽和-非飽和滲流數(shù)學(xué)模型

邊坡中地下水流動問題可近似概化為剖面二維流動，邊坡潛在滑動面以下視為下部不透水邊界，因大氣降雨引起的地下水流成為潛水二維流動問題。降雨條件下雨水的入滲滿足達(dá)西定律水流均衡原理，可將滲流方程描述為邊坡剖面二維不穩(wěn)定流動問題的滲流模型，微分方程及邊界條件如下：

(1)

h|t=0=h0(x,z)

(2)

h|B1=h1(x,z) (x,z)∈B1

(3)

(4)

式中：S為比儲水系數(shù)；h為水頭；k為滲透系數(shù)；B為含水飽和度；B1、B2分別為第一、二類邊界條件，將兩側(cè)取為第一類邊界條件，底部和上部取為第二類邊界條件。

2 降雨入滲穩(wěn)定性分析方法

在考慮非飽和土的穩(wěn)定性時，較常采用加拿大學(xué)者Fredlund提出的線性非飽和土抗剪強度公式：

τf=c'+(σa-ua)ftanφ'+(ua-uw)ftanφb

(5)

式中：τf為土的抗剪強度；c'、φ'分別為飽和土的有效黏聚力和有效內(nèi)摩擦角；(σa-ua)f為破壞面上的靜法向應(yīng)力；(ua-uw)f為破壞面上的基質(zhì)吸力；ua、uw分別為孔隙氣壓力和孔隙水壓力；φb為相對于基質(zhì)吸力的剪切摩擦角。

從式(5)來看，基質(zhì)吸力的存在加大了土體的抗剪強度，計算中假設(shè)φb為常量，這樣抗剪強度是吸力的線性函數(shù)，隨著基質(zhì)吸力的增減呈線性變化。由式(5)推導(dǎo)的邊坡安全系數(shù)Fs為：

Fs=

(6)

式中：α為坡角；zw為土條中心線的垂直高度。

3 邊坡暫態(tài)非飽和滲流分析算例

基于飽和-非飽和滲流理論，利用有限元軟件計算短時強降雨入滲條件下邊坡飽和-非飽和滲流場及安全系數(shù)的變化，圖1為典型土質(zhì)邊坡有限元網(wǎng)格圖。該邊坡高10 m，坡比為1∶1，模型底部設(shè)置剛性約束，兩側(cè)設(shè)置水平約束。模型材料選用莫爾-庫侖彈塑性材料，屈服準(zhǔn)則采用莫爾-庫侖準(zhǔn)則，以最大不平衡力趨近于10-5為收斂準(zhǔn)則。假設(shè)邊坡土體主要由紅黏土組成，邊坡體內(nèi)地下水主要為受大氣直接補給的孔隙水且埋藏較深，地表水受大氣直接補給且具有明顯的季節(jié)性變化特點。邊坡土體有限元計算參數(shù)見表1，假設(shè)參數(shù)為固定值，不隨外界因素影響而變化。

圖1 邊坡典型坡面有限元網(wǎng)格圖

表1 邊坡紅黏土有限元計算參數(shù)

邊坡初始時刻的滲流場采用穩(wěn)定滲流狀態(tài)下的飽和滲流場(見圖2)。將圖2所示飽和滲流場代入有限元計算程序，可基于飽和-非飽和滲流計算原理分析算例邊坡在降雨過程中滲流場隨時間的變化。圖3為降雨停止時邊坡孔隙水壓力分布等勢線。由圖2可知：降雨開始前，邊坡地下水位以上區(qū)域孔隙水壓力為負(fù)值，在這個區(qū)域內(nèi)土體為非飽和狀態(tài)，由地下水位線向上，孔隙水負(fù)壓隨著高程的升高逐漸增大。由圖3可知：降雨10 h后，邊坡表面孔隙水壓力為零，表明邊坡表面形成了自由水面，邊坡表面以下土體內(nèi)基質(zhì)吸力逐漸降低，由降雨前的-80 kPa變?yōu)?40 kPa。說明隨著降雨的持續(xù)，雨水入滲到土體中，使處于非飽和狀態(tài)的土體逐漸趨于飽和，基質(zhì)吸力逐漸降低甚至消失。同時，由于雨水入滲，地下水位明顯升高。根據(jù)非飽和抗剪強度理論，基質(zhì)吸力降低或消失對邊坡穩(wěn)定性極為不利。

圖2 降雨前邊坡孔隙水壓力分布(單位：kPa)

圖3 降雨停止時邊坡孔隙水壓力分布(單位：kPa)

圖4、圖5為降雨前后穩(wěn)定性計算邊坡潛在滑動面。由圖4、圖5可知：降雨前后邊坡潛在滑動面有所不同，但變化不大；邊坡安全系數(shù)由降雨前的1.178變?yōu)榻涤旰蟮?.023，這是土體在降雨入滲作用下邊坡土體荷載增大與基質(zhì)吸力消失共同作用的結(jié)果。

圖5 降雨停止時邊坡潛在滑動面及安全系數(shù)

圖4 降雨前邊坡潛在滑動面及安全系數(shù)

圖6為降雨過程中邊坡安全系數(shù)隨降雨持續(xù)時間的變化。由圖6可知：隨著降雨入滲，邊坡安全系數(shù)隨降雨時間的延長顯著降低；降雨剛開始時邊坡安全系數(shù)降低速率大于降雨后期，說明降雨開始時雨水入滲量較大，邊坡土體內(nèi)水荷載增重較明顯。降雨后期安全系數(shù)降低主要是由雨水持續(xù)入滲導(dǎo)致基質(zhì)吸力降低與前期雨水入滲所引起。

圖6 邊坡安全系數(shù)隨時間的變化

4 結(jié)論

(1) 降雨入滲將導(dǎo)致邊坡內(nèi)土體基質(zhì)吸力降低甚至消失，導(dǎo)致邊坡抗剪強度減小。同時雨水入滲會增大入滲區(qū)域暫態(tài)水荷載。

(2) 在基質(zhì)吸力降低與暫態(tài)水荷載增大的雙重作用下，土質(zhì)邊坡安全系數(shù)明顯下降。

(3) 短時強降雨天氣下土質(zhì)邊坡容易發(fā)生失穩(wěn)，在這些季節(jié)進行邊坡施工應(yīng)特別注意對邊坡進行及時支護及監(jiān)測。