孟凡星

（長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023）

0 引言

降雨是導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的重要因素之一，而崩塌、滑坡以及泥石流等邊坡失穩(wěn)的現(xiàn)象大多受降雨因素的影響。據(jù)我國統(tǒng)計邊坡失穩(wěn)的數(shù)據(jù)來看，大多數(shù)坡體失穩(wěn)破壞與降雨有關(guān)，因滑坡而導(dǎo)致的失穩(wěn)現(xiàn)象大多發(fā)生在雨季或降雨量較多的地區(qū)。降雨強度較大，降雨歷時較久時，邊坡破壞更加顯著。降雨強度越大，降雨歷時越長，雨水入滲率越快，邊坡失穩(wěn)破壞的可能性越大。

曹輝[1]分析了降雨入滲對滑坡機理的研究；施戈亮等[2]通過尖點理論得出強降雨作用下巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)的判斷依據(jù)；葉萬軍等[3]通過ABAQUS數(shù)值模擬軟件發(fā)現(xiàn)VG模型參數(shù)變化對排水不良土質(zhì)邊坡影響更加顯著；郭釗等[4]運用ABAQUS軟件模擬降雨條件下的三維邊坡應(yīng)力場和滲流場的耦合分析，得出表層土體孔隙水壓力呈現(xiàn)非線性的分布特征，達一定深度后呈現(xiàn)線性分布，孔隙水壓力響應(yīng)的時間與坡面的距離呈正相關(guān)；葉雨柯等[5]利用飽和-非飽和的分析理論對邊坡的水流量進行預(yù)測，為邊坡的降雨入滲提供安全依據(jù)。范崢等[6]得出降雨強度、雨膨脹變形共同影響暫態(tài)飽和區(qū)的時空變化；杜忠原等[7]研究表明降雨強度越大，邊坡的負孔隙水壓力消散的速度越快，導(dǎo)致雨水入滲速度越快，且在相同的計算時間內(nèi)入滲深度也越深，邊坡發(fā)生的破壞形式為在降雨階段以淺層滑動。孫文杰等[8]得出隨著降雨強度和降雨歷時增加，三角形瞬態(tài)孔壓分布函數(shù)法模擬滲流場計算的最小抗滑安全系數(shù)更低且減小的速率較快，對整體穩(wěn)定性影響較大，使其發(fā)生局部或者整體滑坡；馬強等[9]利用非飽和力學(xué)有限元計算軟件得出誘發(fā)山體滑坡的降雨入滲閾值為24h，累計雨量為100mm。黃劍斌等[10]利用不同的降雨工況下邊坡安全系數(shù)和位移的關(guān)系得出殘積土邊坡失穩(wěn)的預(yù)警方法；馬蓓青等[11]通過試驗與模擬相結(jié)合得出降雨歷時較長使土體含水率增加，造成土體的抗剪能力降低，從而引起滑坡。王磊等[12]通過人工模擬降水試驗研究，實現(xiàn)降雨至邊坡開裂的全過程，總結(jié)出邊坡的開裂特征、破壞模式以及隔離槽的工程效應(yīng)；王一兆等[13]研究結(jié)果表明降雨期間，坡腳處孔隙水壓力增大至飽和，坡頂處孔隙水壓力持續(xù)增大接近飽和，停雨后坡頂處孔隙水壓力降幅大于坡腳處，降雨前期各滑動面穩(wěn)定性均持續(xù)減小，降雨后期坡頂滑動面安全系數(shù)趨于收斂，但坡腳滑動面安全系數(shù)仍持續(xù)減小，停雨后淺層滑動面安全系數(shù)均增大，深層滑動面則呈波動狀態(tài)；曾昌祿等［14］通過試驗研究表明不同雨強條件下黃土模型邊坡入滲深度均呈現(xiàn)坡腳最大、坡頂平臺較大、坡中最小的規(guī)律，入滲速率則是坡頂平臺最大、坡腳較大、坡中最小，且隨著深度的增加，雨水入滲的能力逐漸減弱。隨著雨強的增大，降雨入滲的深度越大，入滲速率越快，埋置同一深度處測點的體積含水率和基質(zhì)吸力幅值變化越顯著。

上述學(xué)者對單一影響條件進行分析較多，綜合分析降雨強度與降雨歷時對邊坡影響的較少。鑒于此，本文通過數(shù)值模擬軟件ABAQUS，結(jié)合荊州市邊坡工程實例，著重分析降雨強度與降雨歷時對邊坡穩(wěn)定性的影響。

1 非飽和土滲流基本理論

達西定律最開始是從飽和土中進行推導(dǎo)出來的，在隨后的研究中表明，非飽和多孔介質(zhì)也遵循達西定律。

滲流存在兩種形式即穩(wěn)態(tài)滲流和非穩(wěn)態(tài)滲流。穩(wěn)態(tài)滲流的滲透系數(shù)是不隨時間變化而發(fā)生變化的，而對于非穩(wěn)態(tài)滲流系數(shù)是會隨著時間變化而發(fā)生變化的。

對于非飽和土，其滲透系數(shù)與飽和度有關(guān)，然而飽和度則通常被表述成基質(zhì)吸力的函數(shù)，為了探求飽和度對滲透性能的影響，在ABAQUS內(nèi)部是以一個折減系數(shù)ks來考慮飽和度對滲透系數(shù)的影響。對于非飽和度滲流的出現(xiàn)，ABAQUS會默認當(dāng)飽和度Sr＜1.0時，ks＝（Sr）3；當(dāng)Sr＞1.0時，ks＝1.0。計算中滲透系數(shù)k按照飽和度的不同修正為ks·k0，而非飽和土的孔隙水壓力uw＜0，uw反映了材料的基質(zhì)吸力[15]。

2 強度折減法基本理論

強度折減法是通過不斷地對粘聚力和摩擦角折減，找出土體臨界抗剪強度，此時，邊坡失穩(wěn)的安全系數(shù)就轉(zhuǎn)化成邊坡破壞時的抗剪強度臨界值，這種方法現(xiàn)如今已經(jīng)廣泛用于工程領(lǐng)域，將其計算出的安全系數(shù)作為邊坡失穩(wěn)臨界值的一個重要依據(jù)，其強度折減法公式如下：

式中：

c′，φ′——進行強度折減后的抗剪強度指標；

F r——強度折減系數(shù)。

本文主要通過對不同降雨時刻以及不同降雨強度對降雨后邊坡抗剪強度值進行強度折減，只有當(dāng)邊坡破壞從坡腳貫通到坡頂，此時邊坡發(fā)生破壞。通過所設(shè)定的場變量，找出對應(yīng)發(fā)生臨界失穩(wěn)破壞的場變量值[16]。

3 模型建立及物理參數(shù)

本次模型的建立依據(jù)荊州地區(qū)邊坡工程案例，對于降雨時邊坡的穩(wěn)定性進行分析，其邊界限制邊坡左右兩側(cè)的水平位移以及限制邊坡底部水平和豎向位移。對邊坡施加一個向下的體力數(shù)值設(shè)為10的載荷以及在坡頂、坡間、坡底處設(shè)置一個值為-0.01的表面孔隙流，對其左右10m處設(shè)置孔隙水壓力數(shù)值為1，將坡底孔隙水壓力數(shù)值設(shè)置為0。網(wǎng)格類型采用CPE4平面單元，網(wǎng)格劃分的單元形狀采用四邊形，網(wǎng)格劃分技術(shù)采用結(jié)構(gòu)劃分，網(wǎng)格劃分單元數(shù)為268個。其模型設(shè)置的物理參數(shù)如表1。

表1 模型物理參數(shù)設(shè)置

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.1 降雨時間對邊坡穩(wěn)定性的影響研究

考慮降雨時長對邊坡穩(wěn)定性的影響分析，選取時長為24h、48h、72h以及96h。由于降雨時長與邊坡穩(wěn)定性的影響息息相關(guān)，此次選擇的降雨強度為10mm/h。

在降雨強度一定時，隨著降雨時長的持續(xù)，邊坡土體的孔隙水壓力逐漸增大，使飽和度增加，基質(zhì)吸力降低，邊坡淺層土體出現(xiàn)暫時飽和的趨勢，而對深層土體的影響很小，這樣會造成深層土體的抗剪強度較強，淺層土體的抗剪強度較弱，而且滑裂面會從深層土體向淺層土體進行過渡。

當(dāng)降雨強度為定值時，隨著時長的增加，邊坡的安全系數(shù)逐漸降低，從而導(dǎo)致邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞，如表2所示。

表2 不同時刻邊坡安全系數(shù)

由表2可知，當(dāng)降雨強度為10mm/h時，降雨時長從24～96h時邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)下降了3.57%，說明降雨時長越久，對邊坡安全性構(gòu)成的威脅越大。

從圖1可知，在降雨強度為10mm/h的情況下，各降雨歷時對應(yīng)的安全系數(shù)不同，在降雨歷時為24h的時刻下，對應(yīng)的邊坡安全系數(shù)為1.457，在降雨歷時為48h的時刻下，對應(yīng)的邊坡安全系數(shù)為1.450，在降雨歷時為72h的時刻下，對應(yīng)的邊坡安全系數(shù)為1.426，在降雨歷時為96h的時刻下，對應(yīng)的邊坡安全系數(shù)為1.405。

圖1 降雨強度一定時不同時刻對應(yīng)的邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)

對各個時刻對應(yīng)的邊坡安全系數(shù)進行線性擬合，擬合結(jié)果如圖1所示，其邊坡穩(wěn)定性公式預(yù)測如下：

其中，x代表降雨歷時；y代表邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)，隨著降雨歷時的逐漸增加，邊坡安全性不斷降低，從而會導(dǎo)致邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞。

4.2 降雨強度對邊坡穩(wěn)定性的影響研究

由于降雨強度與降雨時長均對邊坡穩(wěn)定性的影響密切相關(guān)，本節(jié)主要研究降雨強度對邊坡穩(wěn)定性的影響，因此選擇降雨時長為24h，降雨強度分別為10mm/h、20mm/h、30mm/h以及40mm/h進行研究。

隨著降雨強度的增加，降雨入滲影響的深度越深，土體孔隙水壓力響應(yīng)得越早，降雨時孔隙水壓力的增大速率也會越來越快。隨著降雨速率大于土體入滲速率，降雨對土體所產(chǎn)生影響區(qū)域面積的幅度會變得越來越小。降雨結(jié)束后，坡腳處的孔隙水壓力值大于坡中和坡頂處的孔隙水壓力值。

根據(jù)上述模擬結(jié)果進行統(tǒng)計分析，得到不同降雨強度條件下的邊坡安全系數(shù)，如表3所示。

表3 不同降雨強度下的邊坡安全系數(shù)

由表3可知，隨著降雨強度的增加，邊坡的抗剪強度逐漸變?nèi)?，造成邊坡安全系?shù)降低，從而導(dǎo)致邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞。當(dāng)降雨時長一定時，隨著降雨強度從10mm/h上升到40mm/h時，邊坡的安全系數(shù)從1.365下降到1.153，此時邊坡安全系數(shù)下降了15.53%，對比表1中降雨時長從24～96h邊坡的安全系數(shù)下降3.57%來說，降雨強度對邊坡的破壞力度更大。對各個降雨強度對應(yīng)的安全系數(shù)進行線性擬合，擬合結(jié)果如圖2所示。

圖2 擬合各個降雨強度對應(yīng)的安全系數(shù)

其邊坡穩(wěn)定性公式預(yù)測如下：

其中：x代表降雨強度；y代表邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)，隨著降雨強度的增加，邊坡安全系數(shù)不斷降低，滑裂面塑性區(qū)域從坡腳貫通到坡頂，從而導(dǎo)致邊坡發(fā)生失穩(wěn)性破壞。

5 結(jié)束語

綜上所述，研究不同降雨條件對邊坡穩(wěn)定性的影響，結(jié)論如下：

（1）隨著降雨時長的增加，孔壓有逐漸上升的趨勢，使邊坡基質(zhì)吸力逐漸減少，坡頂抗剪能力降低，從而造成邊坡失穩(wěn)破壞。

（2）隨著降雨強度的增加，孔壓呈現(xiàn)上升趨勢。當(dāng)降雨強度小于土體入滲能力時，其坡頂?shù)幕|(zhì)吸力不會呈現(xiàn)出明顯的變化，當(dāng)降雨強度大于土體入滲能力時，坡頂會暫時呈現(xiàn)出飽和的趨勢，此時坡頂土體的抗剪強度表現(xiàn)出弱性，極易發(fā)生抗剪破壞，邊坡安全系數(shù)大幅降低，從而導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)破壞。

（3）降雨時長越久，對邊坡安全性構(gòu)成的威脅越大。降雨強度對邊坡的影響大于降雨時長。

總之，此次模擬結(jié)果對工程有著實際的指導(dǎo)意義，因此，在以后的基坑工程開挖中，當(dāng)工程進行放坡處理時，要及時進行護坡處理，防止坡面遭到雨水的侵蝕而發(fā)生失穩(wěn)破壞。對于一般的坡面要利用土工膜進行護坡處理，對于大型的開挖坡面應(yīng)利用噴混凝土護坡處理，避免雨水快速入滲土體，造成土體抗剪強度減弱，使邊坡發(fā)生失穩(wěn)性的破壞。