降雨入滲對坡積土邊坡滲流特征及穩定性的影響

2016-11-29 08:49:53康津軍

公路與汽運 2016年5期

康津軍

（湖南省新化公路橋梁建設工程有限公司，湖南婁底 417600）

康津軍

（湖南省新化公路橋梁建設工程有限公司，湖南婁底 417600）

基于非飽和滲流及抗剪強度理論，采用有限元數值模擬方法對降雨條件下邊坡滲流特征及安全系數變化規律進行計算。結果表明，降雨開始后，降雨入滲影響區內土體的孔隙水壓力、體積含水率逐漸升高，暫態飽和區自坡面往內逐漸擴展，邊坡安全系數不斷降低；降雨停止后，坡面附近土體的孔隙水壓力、體積含水率持續降低，暫態飽和區自坡頂往坡腳附近迅速消散，邊坡安全系數緩慢升高；降雨期間，坡面附近土體的孔隙水壓力、體積含水率、暫態飽和區面積、邊坡安全系數均與降雨強度成正比。

公路；坡積土；孔隙水壓力；體積含水率；暫態飽和區；安全系數

降雨是引起邊坡失穩的主要外部因素之一，雨水滲入邊坡后，一方面，坡面附近土體的基質吸力逐漸喪失，邊坡的抗滑力持續降低，坡體的安全儲備減小；另一方面，降雨入滲影響區內土體的飽和度持續增大，重度也增大，邊坡的下滑力不斷增大，坡體的安全儲備進一步減小。對于坡積土邊坡，由于坡積土土顆粒之間較為松散，土體的孔隙較大，滲透性較好，其穩定性受降雨入滲的影響更為顯著。由于降雨入滲是引起坡積土邊坡失穩的關鍵因素，對降雨條件下坡積土邊坡滲流特征及穩定性變化規律的研究顯得十分緊迫。

目前已有的針對降雨條件下邊坡滲流特征的研究大多只分析了降雨過程中邊坡孔隙水壓力、飽和度的變化，如夏瓊等分析了不同降雨模式下邊坡孔隙水壓力與入滲深度的變化規律，李濤等研究了強降雨對路堤邊坡孔隙水壓力及體積含水率的影響，但較少對降雨過程中邊坡暫態飽和區的形成與消散進行分析；針對降雨條件下邊坡穩定性的研究大多只考慮了土體軟化及重度變化的影響，如蔣中明等考慮了極端長時間降雨條件下巖體軟化對邊坡穩定性的影響，夏元友等運用水氣兩相流-應力耦合計算方法分析了入滲影響區內土體重度變化對邊坡穩定性的影響，但鮮有考慮坡體內土體的非飽和抗剪強度。鑒于此，該文基于非飽和滲流理論，對降雨條件下坡積土邊坡的孔隙水壓力、體積含水率及暫態飽和區的變化規律進行探討，并結合非飽和抗剪強度理論對降雨過程中坡積土邊坡安全系數的變化規律進行研究。

1 非飽和滲流及抗剪強度理論

1.1非飽和滲流理論

降雨入滲條件下路堤內部非飽和區土體中水分的遷移規律與飽和區土體中水分的遷移規律一致，都是自發地從高水勢處流向低水勢處。因此，路堤內部非飽和區滲流與飽和區滲流一樣符合達西定律及其連續性方程：

式中：v為土中水的流速；k（θ）為與體積含水率有關的土的滲透系數；θ為土的體積含水率；H為總水頭；W為源匯項；mw為比水容量；ρw為水的密度；t為時間。

非飽和滲流初始條件為：

數值計算結合以下邊界條件進行：

式中：Γ1為水頭邊界；Γ2為流量邊界；q為單位流量；n為邊界Γ2所對應的外法線單位向量。

非飽和區土體的滲透系數、體積含水率與基質吸力之間的關系采用Van Genuchten模型進行擬合，模型表達式如下：

式中：θs為飽和體積含水率；θr為殘余體積含水率；m、n、α均為Van Genuchten模型擬合參數，m=1 -1/n；ψ為基質吸力；Ks為飽和滲透系數。

1.2非飽和抗剪強度理論

大量邊坡失穩現象表明，邊坡失穩破壞以剪切破壞為主。庫侖最早提出了描述土體抗剪強度的摩爾-庫侖破壞準則，該準則雖然反映了土體正應力與抗剪強度之間的關系，但沒有體現非飽和土中基質吸力的影響。因此，D.G.Fredlund等于1978年提出了可考慮非飽和土中基質吸力影響的非飽和土抗剪強度計算公式：

式中：τ為非飽和土抗剪強度；c為粘聚力；σ為正應力；φ為與正應力相關的摩擦角；φb為與基質吸力相關的摩擦角。

2 數值模型與參數

為研究坡積土邊坡在降雨條件下的滲流特征及穩定性，以汝郴（汝城—郴州）高速公路某典型坡積土邊坡為研究對象，建立圖1所示數值模型，并在邊坡坡面中點及過中點的水平線上設置一個特征點和一條特征截面。

圖1　數值模型網格、特征點及特征截面示意圖（單位：m）

（1）滲流邊界條件。模型兩側及底部設置為零流量邊界，模型頂部設置為單位流量邊界。

（2）滲流初始條件。在模型兩側設置總水頭為7 m的水頭邊界，并進行穩態滲流計算，得到初始時刻邊坡滲流場（見圖2）。

圖2　初始時刻邊坡滲流場（單位：kPa）

（3）計算參數。在現場取原狀坡積土土樣進行室內變水頭試驗，測得坡積土的飽和滲透系數為0.009 35 m/h。同時開展土水特征試驗，得到坡積土滲透系數、體積含水率與基質吸力的關系曲線（見圖3）。坡積土的力學參數通過三軸抗剪強度試驗得到（見表1）。

圖3　滲透系數與土水特征曲線（單位：m）

表1　坡積土力學參數

（4）分析方案。為了分析降雨強度對坡積土邊坡滲流特征及穩定性的影響，設計表2所示3種降雨分析方案。

3 降雨條件下邊坡滲流特征與穩定性分析

3.1降雨入滲對邊坡孔隙水壓力的影響

圖4為降雨條件下特征點孔隙水壓力隨時間的變化。由圖4可知：降雨開始后36 h內，不同方案下特征點孔隙水壓力均迅速升高，此后（降雨36～96 h內）其升高速率逐漸放緩；降雨停止后，特征點孔隙水壓力持續降低。此外，降雨強度越大，同一時刻特征點的孔隙水壓力越大。

表2　降雨分析方案

圖4 不同方案下特征點孔隙水壓力變化規律

圖5（a）、（b）分別為降雨條件下特征截面孔隙水壓力的三維變化和分布規律示意圖。由圖5可知：降雨開始后，坡面附近土體的孔隙水壓力依次升高，距離坡面越近，其孔隙水壓力響應的時間越早，增長幅度也越大；降雨停止后，降雨入滲影響區內土體的孔隙水壓力逐漸降低，降雨入滲影響區外一定范圍內土體的孔隙水壓力則繼續增長。此外，降雨過程中，同一時刻特征截面孔隙水壓力與降雨強度成正比。

3.2降雨入滲對邊坡體積含水率的影響

圖6為降雨條件下特征點體積含水率隨時間的變化。降雨條件下坡面附近土體的體積含水率很難完全飽和，一般情況下，當土體體積含水率達到飽和體積含水率的85%時，則認為已進入飽和狀態。對于坡積土邊坡，當體積含水率為0.307 7時即認為已達到飽和狀態。由圖6可知：降雨開始后36 h內，不同方案下特征點體積含水率均迅速升高，此后（降雨36～96 h內）其升高速率逐漸放緩；降雨停止后，特征點體積含水率持續降低。此外，降雨強度越大，同一時刻特征點的體積含水率越高，達到暫態飽和區所需的時間越短。

圖5　不同方案下特征截面孔隙水壓力變化規律

圖6 不同方案下特征點體積含水率變化規律

圖7為降雨條件下特征截面體積含水率的三維變化和分布規律示意圖。由圖7可知：降雨開始后，坡面附近土體的體積含水率依次升高，距離坡面越近，其體積含水率響應的時間越早，進入暫態飽和區的時間越早，增長幅度越大；降雨停止后，降雨入滲影響區內土體的體積含水率逐漸降低，降雨強度越小，暫態飽和區消散的速率越快，降雨入滲影響區外一定范圍內土體的體積含水率則繼續增長。此外，降雨過程中，同一時刻特征截面體積含水率及進入暫態飽和區的長度均與降雨強度成正比。

圖7　不同方案下特征截面體積含水率變化規律

3.3降雨條件下邊坡暫態飽和區變化規律

圖8為不同降雨強度下邊坡暫態飽和區的變化。由圖8可知：降雨開始后，邊坡暫態飽和區自坡面往內逐漸擴展，降雨強度越大，邊坡暫態飽和區擴展速率越快，所形成的暫態飽和區面積越大；降雨停止后，邊坡暫態飽和區自坡頂往坡腳附近迅速消散，降雨強度越大，邊坡暫態飽和區消散速率越慢。此外，在降雨強度0.006 61 m/h條件下，由于降雨停止后邊坡暫態飽和區內體積含水率較高、面積較大，降雨停止后邊坡暫態飽和區面積先小幅度擴展、后迅速消散。

3.4降雨條件下邊坡安全系數變化規律

基于非飽和滲流及抗剪強度理論，結合極限平衡法對坡積土邊坡在降雨過程中的安全系數進行計算，結果見圖9、圖10。

由圖9可知：降雨開始后，隨著雨水的持續入滲，坡面附近土體的基質吸力不斷喪失，體積含水率逐漸升高，土體重度增大，邊坡安全系數隨著降雨過程的持續不斷降低；降雨停止后，邊坡安全系數隨著基質吸力的恢復及雨水的滲出緩慢升高。此外，同一時刻邊坡安全系數與降雨強度成正比。