韓國(guó)盛， 王 超

(安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

近年來(lái)，隨著眾多大型基建工程的施工，施工過(guò)程中產(chǎn)生大量棄土，棄渣場(chǎng)的邊坡穩(wěn)定問(wèn)題時(shí)有發(fā)生，雨季棄渣場(chǎng)邊坡穩(wěn)定問(wèn)題尤為突出。降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響機(jī)制有很多，如降雨入滲，會(huì)導(dǎo)致棄渣場(chǎng)內(nèi)部孔隙水壓力增大，土體有效應(yīng)力指標(biāo)降低，抗剪強(qiáng)度降低；降雨入滲，會(huì)對(duì)棄渣場(chǎng)內(nèi)部裂隙產(chǎn)生劈裂作用，使裂隙進(jìn)一步擴(kuò)大，破壞邊坡完整性[1]；降雨入滲，還會(huì)導(dǎo)致土體內(nèi)含水率增加，邊坡土體容重增加，棄渣場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性也會(huì)降低。近年來(lái)，隨著對(duì)非飽 和滲流研究的深入，對(duì)于雨水入滲對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響機(jī)制有了更深一層的認(rèn)識(shí)，人們認(rèn)識(shí)到降雨入滲將導(dǎo)致土體內(nèi)基質(zhì)吸力的喪失，進(jìn)而影響土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。學(xué)者們開(kāi)始嘗試使用土水特征曲線來(lái)模擬土體內(nèi)體積含水率與基質(zhì)吸力之間的關(guān)系，進(jìn)而研究非飽和土滲流問(wèn)題。本文使用Fredlund&Xing模型擬合砂土、粉質(zhì)黏土及黏土的土水特征曲線，進(jìn)一步研究三種土質(zhì)棄渣場(chǎng)在降雨作用下水力特性及穩(wěn)定性變化規(guī)律。

1 非飽和土滲流理論

非飽和土中體積含水量分布受土的應(yīng)力歷史、顆粒尺寸、級(jí)配及黏粒含量等因素影響[2]。由非飽和土的土水特征曲線可以確定非飽和土基質(zhì)吸力與體積含水量之間關(guān)系，然后根據(jù)非飽和土抗剪強(qiáng)度理論，可確定非飽和邊坡穩(wěn)定性。

1.1 非飽和土的土-水特征曲線

本文借助Fredlund&Xing模型擬合砂土、粉質(zhì)黏土及黏土的土水特征曲線，其表達(dá)式為[3]：

(1)

式中：θw為體積含水率；Cφ為修正參數(shù)，本文中取1；θs為飽和體積含水率；a為進(jìn)氣值；m為控制殘余含水量；n為基質(zhì)吸力大于進(jìn)氣值后，水流出孔隙的速率；e為自然對(duì)數(shù)。

滲透系數(shù)變化曲線借用如下公式擬合[3]：

kw=ksSl

(2)

式中：kw為非飽和土滲透系數(shù)；ks為飽和土滲透系數(shù)；S為非飽和體積含水量與飽和體積含水量比值；l為擬合參數(shù)。

1.2 非飽和邊坡抗剪強(qiáng)度理論

本文在對(duì)非飽和邊坡進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算時(shí)采用簡(jiǎn)化Bishop法，抗剪強(qiáng)度公式采用Fredlund提出的非飽和土抗剪強(qiáng)度公式，其表達(dá)式如下所示[4]：

τ=c′+(σn-ua)tanφ′+(ua-uw)tanφb

(3)

式中：τ為抗剪強(qiáng)度；c′為有效黏聚力；φ′為有效內(nèi)摩擦角；σn-ua為凈法向應(yīng)力；ua-uw為基質(zhì)吸力；φb反映基質(zhì)吸力對(duì)內(nèi)摩擦角的影響。

2 降雨對(duì)邊坡水力特性及穩(wěn)定性影響分析

2.1 渣場(chǎng)基本特征

本文以引江濟(jì)淮工程棄渣場(chǎng)為例進(jìn)行計(jì)算，渣場(chǎng)尺寸、邊界條件及網(wǎng)格劃分如圖1所示，為研究棄渣場(chǎng)內(nèi)部孔隙水壓力變化規(guī)律，在斷面1上間隔2 m取特征點(diǎn)，并在棄渣場(chǎng)內(nèi)取1號(hào)及2號(hào)滑面，以研究不同土質(zhì)棄渣場(chǎng)深淺層穩(wěn)定變化規(guī)律。特征點(diǎn)及滑面分布如圖2所示。

圖1 棄渣場(chǎng)邊界條件及網(wǎng)格劃分

圖2 棄渣場(chǎng)內(nèi)特征點(diǎn)及滑面分布

2.2 降雨條件及計(jì)算參數(shù)

本文用Fredlund&Xing模型擬合三種土質(zhì)的土-水特征曲線，如圖3所示，其中黏土、粉質(zhì)黏土、砂土的飽和體積含水量分別為0.85、0.6、0.4：

圖3 三種土質(zhì)土-水特征曲線

本文的降雨類(lèi)型選取均勻型降雨，其中前5 d為降雨期，日降雨量為72 mm，后5 d為停雨期。三種土質(zhì)棄渣及地基的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 棄渣及地基力學(xué)參數(shù)

2.3 渣場(chǎng)內(nèi)水力特性分析

三種土質(zhì)棄渣場(chǎng)斷面1處特征點(diǎn)孔隙水壓力在降雨過(guò)程中的變化規(guī)律如圖4～圖6所示。

圖4 黏土棄渣場(chǎng)降雨過(guò)程中孔隙水壓力變化規(guī)律

圖6 砂土棄渣場(chǎng)降雨過(guò)程中孔隙水壓力變化規(guī)律

對(duì)比三種土質(zhì)棄渣場(chǎng)在降雨過(guò)程中孔隙水壓力變化規(guī)律，可以發(fā)現(xiàn)，黏土棄渣場(chǎng)內(nèi)部孔隙水壓力變化受降雨入滲影響最大，粉質(zhì)黏土棄渣場(chǎng)次之，砂土棄渣場(chǎng)最弱。由于粘性土保水性強(qiáng)，棄渣場(chǎng)內(nèi)部含水量增加較大，孔隙水壓力大幅增加。同時(shí)黏性土降雨入滲的滯后性比較明顯，淺層土含水量增加幅度較深層土大，降雨停止后，渣場(chǎng)淺層土體內(nèi)的水繼續(xù)入滲，因此渣場(chǎng)深層土體的孔隙水壓力在降雨停止后仍然上升，這種現(xiàn)象在圖中表現(xiàn)為變化曲線的帶寬在5～10 m處仍然較寬；粉質(zhì)黏土由于保水性相對(duì)較差，渣場(chǎng)內(nèi)含水量增加較小，孔隙水壓力變化幅度較小，降雨入滲滯后性沒(méi)有黏土棄渣場(chǎng)表現(xiàn)明顯，因此在5～10 m范圍內(nèi)，孔隙水壓力變化曲線帶寬較窄；砂土保水性最差，雨水排泄較快，因此棄渣場(chǎng)內(nèi)部孔隙水壓力變化不明顯。由以上分析可知,黏土質(zhì)棄渣場(chǎng)內(nèi)部水力特性受降雨影響最明顯，尤其是黏土棄渣場(chǎng)的淺層土體含水量增加幅度較大。

2.4 渣場(chǎng)穩(wěn)定性變化規(guī)律分析

由于降雨過(guò)程中三種土質(zhì)棄渣場(chǎng)內(nèi)部孔隙水壓力變化規(guī)律有很大區(qū)別，因此三種土質(zhì)棄渣場(chǎng)的邊坡穩(wěn)定性在降雨過(guò)程中也會(huì)存在較明顯差別，降雨過(guò)程中三種土質(zhì)棄渣場(chǎng)穩(wěn)定性變化規(guī)律如圖7、圖8所示。

圖7 三種土質(zhì)棄渣場(chǎng)滑面1穩(wěn)定性變化規(guī)律

圖8 三種土質(zhì)棄渣場(chǎng)滑面2穩(wěn)定性變化規(guī)律

由圖7、圖8可知，不同土質(zhì)棄渣場(chǎng)，深淺層滑動(dòng)面受降雨影響變化幅度不同。黏土棄渣場(chǎng)滑面1在降雨期安全系數(shù)由2.33降為2.12，降幅為9%，滑面2在降雨期安全系數(shù)由2.23降為2.14，降幅為4.0%；粉質(zhì)黏土棄渣場(chǎng)滑面1在降雨期安全系數(shù)由1.87降為1.78，降幅為4.8%，滑面2在降雨期安全系數(shù)由2.14降為2.04，降幅為4.6%；砂土棄渣場(chǎng)滑面1在降雨期安全系數(shù)由1.71降為1.64，降幅為4.1%，滑面2在降雨期安全系數(shù)由2.29降為2.18，降幅為4.8%。

對(duì)比可知，黏土棄渣場(chǎng)及粉質(zhì)黏土棄渣場(chǎng)淺層滑動(dòng)面受降雨影響較深層滑動(dòng)面大，砂土棄渣場(chǎng)淺層滑動(dòng)面受降雨影響比深層滑動(dòng)面小，這是由于黏土及粉質(zhì)黏土保水性較強(qiáng)，降雨過(guò)程中淺層土體含水量變化幅度較大，而砂土保水性較差，雨水下滲快，且地基處雨水下滲慢，導(dǎo)致深層土體含水量增加相對(duì)大一些?？偟膩?lái)說(shuō)，黏土棄渣場(chǎng)穩(wěn)定性受降雨影響最大。

3 結(jié)束語(yǔ)

由于不同土質(zhì)棄渣場(chǎng)土水特性存在差別，在降雨過(guò)程中棄渣場(chǎng)內(nèi)部水力特性變化規(guī)律不同，其中黏土棄渣場(chǎng)受降雨影響最大，黏土質(zhì)棄渣場(chǎng)淺層含水量增加幅度最大，內(nèi)部孔隙水壓力變化幅度最大，而砂土棄渣場(chǎng)內(nèi)部水力特性受降雨影響較小。黏土棄渣場(chǎng)穩(wěn)定性受降雨影響最大，尤其是淺層穩(wěn)定受降雨影響最大，因此在工程中應(yīng)格外注意黏土棄渣場(chǎng)的淺層滑坡破壞，并采取相應(yīng)措施。