震裂邊坡的降雨穩定性研究

符仁建，王炳輝，李國富

(江蘇科技大學土木工程與建筑學院，江蘇鎮江212003)

地震不僅能引發山體滑坡等直接災害，還能使大量山體出現開裂松動，形成具有潛在災害的震裂邊坡.如2008年汶川大地震后，大量地質災害調查發現，災區存在著大范圍規模比較大的震裂邊坡［1］.震裂邊坡特點表現為裂縫順坡走向延伸且延伸較長，裂縫張開明顯且向坡體深部有延伸趨勢.目前對震裂邊坡的研究較少［2］，特別是結合降雨等外界影響因素.對其存在的潛在危害進行分析評估不僅有重要的工程意義，也具有重要的理論意義.

地震對山體變形的作用常是地震慣性力和超靜孔隙水壓力等影響因素，作用極為復雜，由于研究的方法和手段不同，目前的成果也有諸多不同之處［3-5］.對于普通均質邊坡來說，受地震作用，邊坡表面土體特別是坡肩部位，出現動態變化的張拉應力，導致坡肩土體受旋轉傾倒和正反拉壓力作用，邊坡表面將出現開裂現象.對于降雨引發的邊坡失穩機制，目前較為普遍的認識是降雨入滲使得邊坡體內的地下水潛水面升高，滑面處土體軟化，從而降低邊坡的穩定性，導致滑坡的發生.像汶川這樣的地震災區同樣也屬于降雨較為充分的地區，強降雨天氣也比較常見［6］，地震過后，在降雨作用影響下，產生大量的滑坡災害，此外一些邊坡雖未發生滑坡，但不乏含裂縫的震裂邊坡，地震裂縫和降雨這兩個因素同時存在將會對邊坡的穩定性造成影響.這些震裂邊坡在雨季來臨時穩定性變化如何，有多大的危害是邊坡危險性評估的重要內容之一.

文中主要運用ABAQUS進行有限元數值模擬，分析震裂邊坡在不同裂縫位置、裂縫深度，考慮是否灌水的情況下，其降雨的變形破壞和穩定性變化規律.

1 非飽和土的降雨入滲理論

降雨入滲是一種典型的非飽和流固耦合現象，其對邊坡穩定性的影響主要表現在土體的含水量增加，孔隙水壓力變大，基質吸力減小.對于大多數邊坡而言，其上部分都是非飽和的，因此在分析邊坡滲流問題時，飽和區和非飽和區應該同時都考慮進去.在非飽和土的滲流問題中，文獻［7］中首次引入了達西定律.利用質量守恒定律可以得到連續方程，根據達西定律和連續方程，就能得到描述土體水分運動的基本方程.體積含水率的變化是由法向應力(σua)和基質吸力(ua-uw)共同作用引起的，最終得到飽和—非飽和的滲流控制方程［8］，其公式如下:

式中:kwx，kwy和kwz分別為x，y和z方向上的滲透系數;θw為體積含水率;h為總水頭;ρw為水的密度;mw2為土水特征曲線的絕對值.

2 非飽和滲流邊坡穩定性分析

2.1 非飽和土的抗剪強度理論

1977年，Fredlund和Morgenstern以多相連續介質力學為依據，總結出了非飽和土有效應力的表達式，該表達式凈正應力(σ-ua)和基質吸力(uauw)用兩個相互獨立的狀態變量來建立.1978年，Fredlund在Bishop的非飽和土抗剪強度公式的基礎上，根據以上兩個應力狀態變量，創建了非飽和土的抗剪強度表達式［9］:

式中:τf為非飽和土抗剪強度;c′為有效內凝聚力;φ′為有效內摩擦角;φb為與基質吸力有關的剪切內摩擦角.

2.2 強度折減法

在進行邊坡穩定性的分析時，最常用方法可以分為極限平衡法和有限元分析法.其中極限平衡法的評價邊坡穩定性的安全系數十分簡單和直觀;而強度折減法通過有限元分析，不僅可以直接獲得一個安全系數，還保持了有限元的復雜問題的模擬能力.強度折減法是在外荷載保持不變的情況下，對坡體的抗剪強度參數進行折減，直至達到極限破壞狀態，其表達式為:

式中:c和φ為土體所能夠提供的抗剪強度;cm和φm是折減后實際抗剪強度;Fr是強度折減系數，在一定程度上體現邊坡的穩定安全系數，后文中的安全系數即為該系數.

對于強度折減法在非飽和滲流問題上的應用，文獻［10］中對非飽和非穩定滲流的基本方法進行了研究，將應用強度折減法得到的計算結果和應用極限平衡法得到的計算結果進行比較，發現強度折減法適合分析非飽和非穩定滲流問題.

3 基于ABAQUS的震裂邊坡穩定性分析

以文獻［11］中的典型均質土邊坡分析算例為基礎進行研究，邊坡為一理想邊坡，坡角為40°，坡高為30m，初始地下水位位于坡腳處，土體彈性模量為10 MPa，泊松比為0.3，干密度為1.3 g/cm3，粘聚力為18 kPa，摩擦角為30°，飽和滲透系數取0.018 m/h.根據汶川地震現場調查和大量的室內試驗結果顯示［12］，地震裂縫在坡體上的分布有很大的規律，其主要發生在陡緩變化部位，尤其是坡頂靠近坡肩部位，如果坡頂面較寬，那么距坡肩3～5m最易發生變形，5～10m次之，10～20m也有發育，20m以外發育最少.文中模型是理想的均質邊坡，故僅對邊坡頂部20m以內分布裂縫的情況加以分析，裂縫位置距離坡肩設置為3，6，9，12，16m;裂縫的發展總體上為垂直向下，上寬下窄，向下逐漸尖滅，頂部張開寬度一般不大，平均為0.3 m，文中邊坡面的地震裂縫采用V形縫隙，忽略裂縫下錯因素，降雨強度控制為0.02m/h，歷時72h.均質土震裂邊坡坡形示意圖如圖1.

圖1 均質震裂邊坡坡型Fig.1 Homogeneous soil cracked slope induced by an earthquake

3.1 裂縫位置對穩定性安全系數的影響

當裂縫深度分別為1，2，3 m時，進行有限元模擬得到安全系數與裂縫距坡肩距離的關系，結果如圖2.

圖2 降雨前后裂縫位置與安全系數關系Fig.2 Relationship between the crack location and safety coefficient before and after the rain

從圖2可見，無論是降雨前還是降雨后，隨裂縫距坡肩距離的增加，邊坡的安全系數都是先降低，后稍增加，在12 m以后趨于不變，裂縫在距離坡肩9 m左右，邊坡的安全系數最低.從降雨前后安全系數線之間的距離變化可見，降雨給震裂邊坡穩定性安全系數改變量的影響也呈現先降后增，再逐漸趨于穩定.綜合上述結果，裂縫對邊坡穩定性有明顯影響的位置在距坡肩6～12m之間，而邊坡失穩潛在滑移面的上部正處于這段區域(圖3)，所以震裂邊坡裂縫出現在邊坡失穩潛在滑移面附近對邊坡穩定性的影響比裂縫出現在距離潛在滑裂面較遠時大.

圖3 邊坡降雨失穩潛在滑裂面位移云圖Fig.3 Slope′s potential sliding surface displacement nephogram after the rain

3.2 裂縫深度對穩定安全系數的影響

當裂縫位置距離坡肩6，9，12 m時，其他條件保持不變的情況下，分別對裂縫深度為1，2，3，4，5m 進行有限元模擬，模擬結果如圖4.

由圖4可見降雨前和降雨后邊坡安全系數隨裂縫的深度先增加后降低，在2 m以內，出現裂縫的邊坡安全系數大于完整坡的安全系數.由圖中降雨前后安全系數曲線距離的變化可見，降雨對邊坡穩定安全系數的改變隨裂縫深度的增加而變大.因此，對于本文的邊坡模型，在不考慮裂縫灌水和裂縫擴張的情況下，裂縫超過2 m深度以后才對邊坡的穩定性造成破壞，并隨著深度的增加，破壞加大.

圖4 降雨前后裂縫深度與安全系數關系Fig.4 Relationship between the crack depth and safety coefficient before and after the rain

3.3 降雨強度、降雨歷時和土體滲透系數對穩定安全系數的影響

當裂縫深度為3m，距坡肩距離為9m，其他條件保持不變時，分別對降雨強度為5，10，15，20mm/h的情況進行有限元模擬，得到不同降雨強度下震裂邊坡的安全系數隨時間的變化關系圖，結果如圖5;當裂縫深度為3 m，距坡肩距離為9 m時，分別對土體飽和滲透系數為180，100，18，15mm/h的情況進行有限元模擬，得到不同土體滲透系數時震裂邊坡的安全系數隨時間的變化趨勢圖，結果如圖6.

由圖5可以看出，各個曲線的變化規律基本上是一致的，震裂邊坡的安全系數隨著降雨歷時增加而不斷減小，由于開始階段降雨強度較小而土體的入滲能力較大，安全系數的降低幅度最大;降雨歷時一定時，隨著降雨強度的增加，雨水入滲量越多，基質吸力減小導致邊坡的安全系數隨之減小，而且降雨強度越大，在相同的降雨時間內震裂邊坡安全系數的降低幅度越大.

圖5 不同降雨強度下安全系數與時間的變化關系Fig.5 Relationship between the time and safety ciefficient under different rainfall intensities

圖6 不同滲透系數下安全系數與時間的變化關系Fig.6 Relationship between the time and safety coefficient under different permeability coefficient

由圖6可以看出，在降雨歷時相同時，土體的滲透系數越大，震裂邊坡的安全系數也就越大，而且滲透系數越小，安全系數下降的幅度越大:當滲透系數大于降雨強度時，土體的滲透能力比較強，雨水滲入到較深部位的飽和區，對上部土體的孔隙水壓力不會造成太大的影響，這種情況下邊坡的安全系數有所下降，但是下降幅度不大;當滲透系數小于降雨強度時，此時降雨強度相對較大，雨水在土體的上部來不及下滲，會導致上部土體快速的接近或者飽和，上部土體基質吸力減小，土體的抗剪強度降低，穩定性降低的較快，所以在滲透系數相對比較小的情況下，安全系數的下降幅度更大.

4 結論

文中采用ABAQUS有限元分析軟件，對不同情況下的震裂邊坡降雨穩定性變化規律進行分析，得出以下結論:

1)震裂邊坡裂縫位置位于邊坡潛在滑移面附近時相比裂縫位于距離潛在滑裂面較遠時對邊坡穩定性影響大，此時邊坡的穩定性在降雨過程中下降也最大.

2)在一定的位置和深度之下，震裂邊坡的安全系數隨裂縫深度的增加而減小，并且隨著深度的增加，降雨過程中邊坡的穩定性下降得越快.

3)震裂邊坡的安全系數隨著降雨歷時和降雨強度的增加不斷減小，而且降雨強度越大，在相同的降雨時間內震裂邊坡安全系數的降低幅度越大.

4)震裂邊坡的安全系數隨著土體的滲透系數的變小而減小，而且滲透系數越小，安全系數下降的幅度越大.

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