魏 巍

(貴州有色地質(zhì)工程勘察公司，貴州 貴陽 550005)

1 概述

影響邊坡穩(wěn)定的因素較多，其中水對(duì)邊坡巖土體穩(wěn)定性的影響是多方面的，且非?；钴S，通常水會(huì)加速甚至誘發(fā)巖土體的變形與破壞[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，90%土坡是因?yàn)樗脑驅(qū)е率Х€(wěn)。巖土體中水的作用主要表現(xiàn)為：物理作用，諸如軟化和泥化作用、潤(rùn)滑作用、結(jié)合水的強(qiáng)化作用等[2,3]；化學(xué)作用，如離子交換作用、水解作用、溶解作用、溶蝕作用、水化作用、氧化還原作用、滲透作用及沉淀作用等；力學(xué)效應(yīng)，包括孔隙動(dòng)水壓力作用和孔隙靜水壓力作用。物理作用和化學(xué)作用通常改變巖土的物質(zhì)成分或結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改變其粘聚力和內(nèi)摩擦角[4]，孔隙靜水壓力作用能夠降低巖土體的有效應(yīng)力，孔隙動(dòng)水壓力能夠在巖土體中產(chǎn)生一個(gè)剪應(yīng)力從而降低其抗剪強(qiáng)度[5]。以上三種作用在巖土體受力過程中相互耦合，產(chǎn)生復(fù)雜影響[6]。邊坡形態(tài)不同會(huì)引起局部滲透率不同，同時(shí)對(duì)邊坡破壞機(jī)理產(chǎn)生影響[7,8]?；诖?，本文以貴州省財(cái)政學(xué)校新校區(qū)工程邊坡支護(hù)為例，模擬降雨對(duì)不同形態(tài)邊坡產(chǎn)生的影響。通過對(duì)比不同坡比及不同開挖寬度下孔隙水壓、水平位移、邊坡穩(wěn)定性等方面，對(duì)降雨作用下工程地質(zhì)條件相似的邊坡支護(hù)提供參考。

2 工程概況

2.1 邊坡形態(tài)及降雨特征

貴州省財(cái)政學(xué)校新校區(qū)位于清鎮(zhèn)市老胡寨北側(cè)，趙五寨東側(cè)，距老胡寨大約2 km，距趙五寨大約1 km。擬建的龍鳳大道與騰龍路從擬建項(xiàng)目場(chǎng)地東西兩側(cè)通過，場(chǎng)地交通方便。擬建校區(qū)內(nèi)中部偏西南方向有山體，頂點(diǎn)高程1 349.8 m。邊坡總長(zhǎng)233.9 m，最大高度33.9 m，屬超規(guī)范一級(jí)邊坡，分為DX段和XE兩段。邊坡巖體為強(qiáng)風(fēng)化硅質(zhì)砂泥巖及中風(fēng)化灰?guī)r。DX段邊坡上部采用1∶1放坡，下部采用擋墻支護(hù)；XE段上部分階放坡，坡率為1∶0.5，平臺(tái)寬度2 m。

2.2 滑坡物質(zhì)結(jié)構(gòu)及土體參數(shù)

經(jīng)綜合分析后，確定c,φ,γ值，取值結(jié)果見表1。

表1 清鎮(zhèn)市老胡寨巖土計(jì)算參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

3 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

3.1 計(jì)算模型及土體參數(shù)

結(jié)合工程實(shí)例采用非飽和滲流有限元法結(jié)合折減強(qiáng)度進(jìn)行模擬[8]，根據(jù)貴州省財(cái)政學(xué)校新校區(qū)邊坡情況設(shè)計(jì)并確定參數(shù)取值。

為了分析降雨入滲條件下，邊坡坡率對(duì)整體穩(wěn)定性的影響，坡率為1∶1.5,1∶1,1∶0.75,1∶0.5下邊坡整體的穩(wěn)定性(見圖1)。開挖后邊坡穩(wěn)定性與開挖臺(tái)階寬度關(guān)系較大。如圖2所示，建立平臺(tái)寬度為4 m，8 m，12 m，16 m，20 m五組模型，其中AE面處于水面處，毛孔細(xì)水壓力為0。

3.2 模擬結(jié)果分析

3.2.1不同坡比的影響

為分析邊坡在不同坡比下降雨滲入條件對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，采用非飽和滲流有限元法結(jié)合折減強(qiáng)度模擬了坡比為1∶1.5,1∶1,1∶0.75和1∶0.5的四種邊坡在相同降雨條件下，邊坡的孔隙水壓力、流速矢量以及位移增量的變化趨勢(shì)。

降雨初期，雨水主要從坡頂、坡面處滲入；隨后雨水在向土體深處滲入的同時(shí)向坡腳處聚集。圖3為降雨20 h后四種邊坡的孔壓分布云圖。不同坡比下，邊坡土體的孔隙水壓力變化趨勢(shì)幾乎相同，說明不同坡比下的邊坡穩(wěn)定性變化趨勢(shì)基本相同。

降雨20 h時(shí)邊坡流速矢量圖如圖4,圖5所示，降雨條件相同的情況下，不同坡比邊坡流速矢量變化相似。坡比越大時(shí)坡中降雨滲透率有較明顯的減小。坡率不同導(dǎo)致坡中接收雨水時(shí)折角不同，坡比較大會(huì)減小坡面實(shí)際接收到的降雨強(qiáng)度，間接影響坡中入滲率。坡比越大，坡中降雨入滲深度越淺，越容易形成表面徑流。

邊坡土體破壞的本質(zhì)是剪應(yīng)力大于土體本身所能承受的強(qiáng)度，在降雨入滲過程中，在水浸潤(rùn)下粘聚力、內(nèi)摩擦角等抗剪強(qiáng)度指標(biāo)均減小，土體自重增加使下滑力增大。提取計(jì)算結(jié)束時(shí)的位移的總變化量，得到位移增量云圖來定性的分析位移變化趨勢(shì)及受損程度，如圖6,圖7所示。邊坡位移變化規(guī)律基本一致，均在坡腳處向臨空面水平位移最大，坡比越小坡腳處的水平位移相對(duì)較大；隨著坡比的增大，邊坡整體水平位移變大，坡面向臨空方向發(fā)展的水平位移量增大。

3.2.2不同平臺(tái)寬度的影響

邊坡的開挖平臺(tái)在一定程度上相當(dāng)于減小邊坡高度從而達(dá)到提高邊坡穩(wěn)定性的效果。然而，降雨條件下大平臺(tái)與坡頂處雨水入滲率均較大。為了研究不同平臺(tái)寬度在降雨入滲作用下對(duì)邊坡安全性的影響，在相同降雨條件下對(duì)平臺(tái)寬度分別為4 m，8 m，12 m，16 m和20 m的四種邊坡進(jìn)行降雨入滲分析，采用折減系數(shù)法計(jì)算邊坡安全系數(shù)。

不考慮裂縫入滲，圖8，圖9為降雨30 h平臺(tái)寬度為8 m和12 m時(shí)的孔壓云圖，當(dāng)平臺(tái)寬度較大時(shí)，平臺(tái)表面孔隙水壓力小于其深層孔壓。這是由于隨降雨量不斷增加，坡面雨水匯入使平臺(tái)處容易形成積水層雨水入滲率較快，坡腳處入滲速率比平臺(tái)處更快，地表水經(jīng)過該處入滲至坡體內(nèi)部，導(dǎo)致邊坡平臺(tái)處寬度為16 m比8 m的孔壓更高，土體發(fā)生軟化基質(zhì)吸力降低、抗剪能力降低。隨著入滲深度逐漸增加，飽和土體的區(qū)范圍向邊坡內(nèi)部擴(kuò)散，當(dāng)飽和區(qū)面積積累到一定程度后邊坡發(fā)生破壞。

邊坡不同寬度的開挖平臺(tái)，均使平臺(tái)上部體積減小自重荷載減輕，平臺(tái)下坡腳處受邊坡荷載相對(duì)減小，坡腳和坡面處的位移均減小。開挖平臺(tái)寬度8 m的邊坡在降雨72 h后的位移增量云圖如圖10所示，開挖平臺(tái)上部坡面處水平位移相比未設(shè)平臺(tái)變化較小，坡腳處出現(xiàn)應(yīng)力集中導(dǎo)致局部變形量較大，如圖11所示。

在邊坡破壞過程中，坡腳處先發(fā)生局部剪切變形，隨后向上發(fā)展逐漸擴(kuò)大成連續(xù)的破壞面。開挖平臺(tái)處土體減少，使局部應(yīng)力得到釋放，阻礙塑性區(qū)發(fā)展，增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性。在不考慮降雨影響時(shí)，開挖平臺(tái)對(duì)下部坡體的穩(wěn)定性有積極影響并阻礙連續(xù)破壞面的形成。考慮降雨入滲時(shí)，平臺(tái)處雨水易沿平臺(tái)上部坡腳處入滲，土體抗剪強(qiáng)度降低，加劇上部坡腳的破壞程度。當(dāng)平臺(tái)距邊坡坡腳較近時(shí)，平臺(tái)下部自重減輕量大，但平臺(tái)上部坡腳處破壞加劇對(duì)穩(wěn)定不利。在考慮降雨影響時(shí)，應(yīng)控制平臺(tái)位置高于正常開挖位置，減弱上部坡腳的破壞程度。此外，開挖平臺(tái)處應(yīng)做好排水措施，避免雨水大量滲入。

3.2.3安全系數(shù)

通過對(duì)不同坡比和平臺(tái)寬度下，降雨和未降雨條件下邊坡安全系數(shù)，分析坡比、平臺(tái)寬度在降雨時(shí)對(duì)邊坡的影響，為多雨地區(qū)邊坡支護(hù)提供參考。邊坡的安全系數(shù)隨坡比增大呈現(xiàn)線性遞減，坡比越大，降雨對(duì)邊坡的影響越大，安全系數(shù)下降比例越大。不考慮降雨影響時(shí)，邊坡的安全系數(shù)隨開挖平臺(tái)寬度增加呈線性正相關(guān)遞增。在考慮降雨入滲情況下，當(dāng)平臺(tái)寬度增大到一定程度后，由于平臺(tái)處入滲率較高，更多地表水從該處入滲至坡體內(nèi)部，平臺(tái)下部土體自重增大且抗剪能力降低。這使開挖寬度增大時(shí)邊坡安全系數(shù)的增長(zhǎng)率降低(見圖12，圖13)。

4 結(jié)語

本文以貴州省財(cái)政學(xué)校新校區(qū)工程邊坡為研究背景，建立降雨入滲條件下邊坡數(shù)值模型，分析邊坡形態(tài)對(duì)入滲機(jī)理和邊坡穩(wěn)定的影響，可為降雨作用下工程地質(zhì)條件相似的邊坡支護(hù)提供參考。

隨坡比增大，邊坡整體向臨空方向的水平位移量增大，穩(wěn)定性降低。降雨條件下，坡頂?shù)娜霛B速率大于坡中入滲速率。坡比越大坡中的入滲速率越小，入滲深度越淺，易形成表面徑流。

邊坡開挖平臺(tái)可減弱坡腳處的破壞變形，有效釋放坡中局部應(yīng)力，阻礙塑性區(qū)的發(fā)展，有效提高邊坡穩(wěn)定性，增大整體安全系數(shù)。非降雨條件下，增大臺(tái)階寬度可線性提高安全系數(shù)；降雨作用下，平臺(tái)寬度越寬安全系數(shù)提升幅度越小。