考慮降雨入滲影響的邊坡穩定分析

朱 亭，謝安勇

(九江市公路管理局永修分局)

1 影響邊坡穩定性的主要因素

影響邊坡穩定性的主要因素是邊坡中的滲透水壓力和滲透場分布，最具有破壞邊坡穩定性的莫過于歷時長、強度大的暴雨。最近些年來，由于降雨導致邊坡穩定性的破壞越來越多，備受學者們的關注，他們研究的重點是對非飽和土土力學，對于非飽和土的力學性質影響特別大的就是由于土中氣相的存在引起的，土、水和氣三相交界面上的吸力，這是一項十分復雜的性質。目前我國在非飽和土的強度、變形問題上面已經有了初步的理論，但發展還不夠成熟。土在實際工程中我們見得最多的就是以土粒、孔隙水、孔隙氣形式存在，我們就是借用土—水特征曲線來測定和分析吸力，由于實際性狀跟經典土力學原理不是完全的相符，這也是我們一個有待進步的研究方向。對于滲流與應力的相互作用如果不加以考慮就會帶來一定的誤差，同時如果不考慮地下水位非飽和區土體基質吸力的抗剪強度得到的結果也會有很大的誤差。顯然，只有對降雨入滲過程有效的分析和模擬才能深入的研究公路邊坡性問題。

2 根據飽和土力學理論的邊坡穩定性剖析方式探究

飽和土體Mohr－Coufomb 強度準則的基礎是極限平衡方法，分析土體所受力與內部強度所提供的抗力在臨近破壞狀態下的平衡，著重于計算自身或結構物作用下的穩定性程度，他最大的優點就是對土體破壞瞬間的變形機制，對于力矩平衡和應力邊界有較為深刻的計算，不足之處在于對土體變形過程沒有關心。飽和土力學理論認為降雨入滲是造成坡地內地下水位上升的主要因素，邊坡穩定性降低，甚至出現失穩是由于靜水壓力增大，最開始分析降雨過程中邊坡體內的水壓力運用的就是分段法以及基本拋物線法，后來隨著技術的不斷發展，開始使用飽和滲流模型來模擬降雨作用下邊坡體內的滲流場。

3 根據非飽和土力學理論的邊坡穩定性剖析方式探究

在雨水達到淺水面的時候經歷了一個非飽和到飽和過程的滲流過程，降雨前研究土體處于非飽和狀態的物理性質在邊坡穩定性降低甚至失穩中起著至關重要的作用，隨著土體力學的不斷發展，降雨影響邊坡穩定性提供了一些新的理論基礎。邊坡中處于非飽和狀況的土體物理!力學性質，在降雨入滲過程當中的轉變(見表1)。

表1 幾種土體的非飽和抗剪強度

4 降雨作用下的邊坡穩定分析方法

極限平衡分析方法是工程中應用于邊坡穩定分析最常用的方法，飽和土的有效應力是傳統極限平衡分析法的基礎，在計算邊坡的安全系數的時候就是采用有效抗剪強度參數，其中不考慮地下水位以上非飽和區土體壓力水頭提供的抗剪強度，其中在考慮降水時邊坡穩定，最主要的是考慮土體抗剪強度的降低，然而土體抗剪強度的降低主要是因為降雨入滲坡體內部浸潤面抬高，土體飽和容重增加。其不足之處就是沒有考慮負壓區抗剪參數的降低和非飽和區土體的抗滑作用。人們在不斷實踐的過程中也不斷的進行一些有益的探索和改進，特別是加拿大學者Fredlund，他在非飽和土的研究方面做出了巨大的貢獻，在模擬暫態滲流過程運用有限元法，且運用參數研究邊坡的穩定性，在研究中加入了正負孔隙水壓力，分析暴雨入滲下邊坡的瞬態滲流場和穩定性，得到的結果就是安全系數顯著降低的原因是高強度的降雨，而滲透系數對其影響不大，結果表明在邊坡穩定性中基質吸力起著舉足輕重的作用。

5 兩相流—應力耦合方法

溫度和壓力函數的情況就是顆粒可壓縮、孔隙流體的密度，其就是在兩相流不混溶流體的理論的基礎上推導出兩相流—應力耦合模型，運用Galerkin 經驗公式實現兩相流計算，通過各控制方程在空間域和實踐域離散，逐漸的開發相應的有限元程序，通過其算例的數值模擬可以較為準確的反映非飽和土的溫度與壓力變化時飽和度的規律，其相對滲透率與飽和度Sv 有關。如圖1 所示:

圖1

式中，a、b、c 為常量;Se 為有效飽和度，與水相殘余飽和度有關。毛細壓力定律表達式為:

式中:P0為水的重度;R 為表面張力;k 為固有滲透率;n 為孔隙率。水的重度P0與表面張力R、固有滲透率k、孔隙率n相關，如圖2 所示。

圖2

通過改變有效應力導致應變，耦合任何嵌入的本構模型與兩相流滲流來模擬此效果多孔固體的本構反應增量有如下形式

式中:H 為本構公式的泛函形式;k 為過程參數。由式中可以看出孔隙壓力和飽和度的變化是由體積變化所引起的，數值的計算中，結合附加耦合效應與飽和度增量顯式方程，更新每一個計算過程的結點，準確的計算出流固耦合。

6 模型參數選取

選取云南高速公路具有代表性的殘積土邊坡的土體參數的推薦值，采取van Genuchten 公式插值替代水O 土特征曲線和滲透性函數插值方式，相干計算參數如表2 所示。土體初始飽和度設為假定殘余飽和度為0)，氣相的滲透系數通過式(2)，由水相的飽和滲透系數計算得到。

表2 邊坡土體參數選取表

參照貴州地區氣象條件，以及與我國的氣象部門采用的降雨強度標準進行對比，在實驗中我們假設3 種情況的降雨強度，第一種是強度為100 mm/d，第二種降雨強度為200 mm/d，第三種雨強度為300 mm/d。

圖3 空隙壓力云圖

圖3 中可以看出，4m 以上的區域為毛細水不能達到的區域，該區域必須保持初始的飽和度恒定孔隙水的壓力值。大雨時，持時的增加導致孔隙水壓力和幅度增加。坡腳處孔隙水壓力增加較快，壓力會超過右側壓力，孔壓的區域變得很小。

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