降雨條件下淺層邊坡穩定性分析

蔡瑞卿

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

?

降雨條件下淺層邊坡穩定性分析

蔡瑞卿

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

分析邊坡土體強度參數在降雨條件下的衰減規律，并在此基礎上研究降雨對淺層邊坡穩定性的影響。研究結果表明：土體黏聚力隨含水量增大的變化規律接近指數減小，土體內摩擦角隨含水量增大的變化規律接近線性減小；降雨持時不變的條件下，邊坡安全系數隨降雨強度的增大而呈非線性減小；降雨強度不變的條件下，邊坡安全系數隨降雨持時的增大而接近線性減小。

降雨滑坡 穩定性強度 參數有限元

在降雨對邊坡穩定性影響方面，國內外已有大量的研究成果。唐棟[1]等在研究邊坡穩定性問題時考慮前期降雨的影響，并結合三峽降雨資料進行分析，研究發現滲透系數越低的邊坡，其穩定性受前期降雨的影響越明顯。許建聰[2]等在工程實踐的基礎上，結合室內試驗較深入研究了滑帶的強度指標和滑體飽水面積對淺層邊坡穩定性的影響。李煥強[3]等通過建立不同坡腳的模型，并分別進行人工降雨實驗，研究結果表明邊坡含水率、坡體變形、坡前推力隨降雨持續時間而不斷增大，降雨停止后，隨時間的推移而逐漸減小。汪益敏[4]等以實際工程為例進行降雨對邊坡穩定性的影響研究，結果表明降雨過程中土體吸水不斷軟化，土體強度不斷降低，當土體強度降低到一定程度時，邊坡失穩破壞。陳善雄[5]等提出一種新的邊坡穩定性計算方法，認為在分析降雨條件下堆積體滑坡的穩定性時，滲透力是不可忽略的因素，并進一步推導出了考慮滲透力的傳遞系數法，通過工程實例，驗證了該方法的正確性和可靠性。黃新智[6]等通過降雨對黃土邊坡穩定性的分析研究，發現邊坡隨降雨持續時間的增加而降低，降雨前12 h安全系數降低速度較快，降雨25～40 h期間安全系數降低速度較慢。彭永良[7]基于京九線鐵路工程項目，較深入地研究分析了該地區非飽和粉土的強度特性，結果表明該地區非飽和粉土黏聚力隨著含水量增大的變化規律接近線性減小，內摩擦角隨含水量的增大而降低的幅度相對較小。張社榮[8]等對降雨條件下飽和—非飽和邊坡穩定性進行分析，研究結果表明安全系數與降雨強度呈反比關系，降雨強度從12 mm/h增大到36 mm/h，邊坡安全系數降低17%。吳李泉[9]等以浙江武義平頭村山體滑坡為研究對象，通過有限元進行邊坡失穩分析，結果表明持續降雨24 h情況下，淺層邊坡土體內部含水量不斷增加，邊坡表層首先出現飽和區，并且零壓面不斷向邊坡內部推移，到達一定程度時邊坡失穩。徐晗[10]等通過修正的Mohr-Coulomb破壞準則，結合非飽和土的水土特征曲線建立有限元模型，對非飽和土邊坡穩定性進行分析，結果表明降雨入滲時，邊坡表層較容易先發生塑性變形，并由邊坡坡趾逐漸向上延伸，最終導致滑坡。

現有研究成果多是根據模型試驗及數值模擬對降雨條件下邊坡穩定性進行分析，作者認為，降雨誘導邊坡失穩的根本原因是在降雨過程中土體含水量隨降雨過程不斷變化，從而導致邊坡土體強度不斷衰減，衰減到一定程度導致邊坡失穩破壞，現有成果對此研究尚有不足，本文將在此方面進一步深入研究。

1 邊坡地質條件

畢威高速公路K86+680～K86+980段邊坡長度約300 m，最大高度約60 m。邊坡表層為粉質黏土，含少量風化巖碎屑，下伏石灰巖(如圖1所示)。

圖1 邊坡整體

依據現場調查和鉆探資料，邊坡從上至下地層如下所示。

(1)粉質黏土：黃褐色-紅褐色，硬塑-堅硬，該地層厚5～15 m，含少量風化巖碎屑。

(2)石灰巖：強風化，灰黑色-灰褐色，層厚3～8 m，巖體裂隙發育，結構較破碎。

(3)石灰巖：弱風化，灰黑色-灰褐色，層厚>10 m，工程性質較好。

2 邊坡土體強度隨降雨持續時間衰減規律

邊坡土體強度隨降雨過程不斷衰減是邊坡失穩的主要因素，而與邊坡土體強度直接相關的是土體含水量。本節分別研究邊坡含水量隨降雨持續時間的變化規律以及邊坡強度隨含水量的變化規律，從而得到邊坡強度隨降雨持續時間的變化規律。

2.1 邊坡土體含水量隨降雨時間的測定

為準確測量降雨過程中土體含水量變化情況，現場含水量的測定采用EC-5土壤水分傳感器來進行。根據現場地層條件，滑坡主要發生在淺層土層中，故選擇在5 m深度測定土體含水量，每隔4 h記錄一次，記錄結果如表1所示。

表1 不同降雨條件下土壤含水量 %

2.2 土體強度參數隨含水量的變化規律

通過土工試驗得出粉質黏土在不同含水量條件下的強度，如表2所示。

表2 不同含水量條件下土體強度參數

用Origin將土體黏聚力和內摩擦角隨含水量的變化規律擬合出來，如圖2和圖3所示。

圖2 黏聚力隨含水量變化關系

圖3 內摩擦角隨含水量變化關系

通過擬合得到土體強度參數黏聚力隨含水量w的變化關系式為

(1)

內摩擦角φw隨含水量w的變化關系式為

(2)

從圖2和式(1)可以看出，土體黏聚力隨含水量增大的變化規律接近指數減小，從圖3和式(2)可以看出，土體內摩擦角隨含水量增大的變化規律接近線性減小。

3 有限元模型建立與分析

3.1 有限元模型建立

根據現場邊坡尺寸及地層情況建立有限元模型，邊坡尺寸及地層信息如圖4所示。

圖4 邊坡尺寸及地層情況(單位：m)

各地層物理力學參數如表3所示。

表3 各地層物理力學參數

3.2 結果分析

(1)降雨強度對邊坡穩定性影響

依據氣象部門對降雨強度標準劃分，降雨強度參數取值為小雨0.4 mm/h，中雨1 mm/h，大雨2 mm/h，暴雨5 mm/h。不同降雨強度下降雨24 h后邊坡穩定性的計算結果如表4所示。

表4 安全系數隨降雨強度變化情況

將表4中不同降雨強度條件下邊坡安全系數的變化規律用曲線圖表示出來(如圖5所示)。

圖5 安全系數隨降雨強度的變化關系

從圖5得出降雨持時不變(24 h)的條件下，邊坡安全系數隨降雨強度的變化規律：邊坡安全系數隨降雨強度的增大而呈非線性減小，當降雨強度較小時，安全系數隨降雨強度的增大而減小的速率相對較大，當降雨強度較大時，安全系數隨降雨強度的增大而減小的速率相對較小，當降雨強度為大雨(即2 mm/h)時，經過24 h降雨，邊坡安全系數小于1，邊坡失穩。

邊坡自然條件下的安全系數為1.45，暴雨條件下邊坡安全系數為0.66，暴雨條件下邊坡安全系數減小了54.48%，由此可見，強度大的降雨對邊坡穩定性的影響巨大。

(2)降雨持續時間對邊坡穩定性影響

分析大雨(2 mm/h)條件下，邊坡安全系數隨降雨持時的變化規律，計算結果如表5所示。

表5 邊坡安全系數隨降雨持時的變化情況

將表5不同降雨持時條件下邊坡安全系數的變化規律用曲線圖表示出來(如圖6所示)。

圖6 安全系數隨降雨持續時間的變化關系

從圖6得出降雨強度不變(2 mm/h)的條件下，邊坡安全系數隨降雨持續時間的變化規律：邊坡安全系數隨降雨持續時間的增大而接近線性減小。

邊坡在自然條件下安全系數為1.45，大雨條件下持續降雨24 h后，安全系數減小到0.99，邊坡安全系數減小了31.72%，由此可見，持續時間長的降雨對邊坡穩定性的影響也是巨大的。

4 結束語

通過分析不同降雨條件下土體強度的衰減規律和降雨條件對淺層邊坡穩定性的影響，得出以下幾點結論：

(1)土體黏聚力隨含水量的增大的變化規律接近指數減小，土體內摩擦角隨含水量增大的變化規律接近線性減小。

(2)降雨持時不變的條件下，邊坡安全系數隨降雨強度的增大而呈非線性減小，當降雨強度較小時，安全系數隨降雨強度的增大而減小的速率相對較大，當降雨強度較大時，安全系數隨降雨強度的增大而減小的速率相對較小，當降雨強度為大雨(2 mm/h)時，經過24 h降雨，邊坡安全系數小于1，邊坡失穩。邊坡自然條件下的安全系數為1.45，暴雨條件下邊坡安全系數為0.66，暴雨條件下邊坡安全系數減小了54.48%。

降雨量不變的條件下，邊坡安全系數隨降雨持時的增大而接近線性減小。邊坡在自然條件下安全系數為1.45，大雨條件下持續降雨24 h后，安全系數減小到0.99，邊坡安全系數減小了31.72%。

[1] 唐棟，李慶典，周創兵，等.考慮前期降雨過程的邊坡穩定性分析[J].巖土力學，2013，34(11)：3239-3248

[2] 許建聰，尚岳全，陳侃福，等.強降雨作用下的淺層滑坡穩定性分析[J].巖石力學與工程學報，2005，24(18)：3246-3251

[3] 李煥強，孫紅月，孫新民，等.降雨入滲對邊坡形狀影響的模型試驗研究[J].巖土工程學報，2009,31(4)：589-594

[4] 汪益敏，陳頁開，韓大建，等.降雨入滲對邊坡穩定影響的實例分析[J].巖石力學與工程學報，2004，23(6)：920-924

[5] 陳善雄，許錫昌，徐海濱.降雨型堆積層滑坡特征及穩定性分析[J].巖土力學，2005，26(增刊)：6-10

[6] 黃新智，劉俊俊.基于SEEP/W的降雨條件下黃土邊坡穩定性分析[J].鐵道勘察，2015(5):41-44

[7] 彭永良.京九線濟南局段非飽和粉土的應力應變關系及強度特性規律研究[J].鐵道勘察，2009(2)：28-31

[8] 張社容，譚堯升，王超，等.強降雨特性對飽和-非飽和邊坡失穩破壞的影響[J].巖石力學與工程學報，2014，33(z2)：4102-4112

[9] 吳李泉，張鋒，凌賢長，等.強降雨條件下浙江武義平頭村山體高邊坡穩定性分析[J].巖石力學與工程學報，2009，28(6)：1193-1199

[10]徐晗，朱以文，蔡元奇，等.降雨入滲條件下非飽和土邊坡穩定性分析[J].巖土力學，2005，26(12)：1956-1962

Shallow slope stability analysis under the condition of rainfall

CAI Ruiqing

2016-07-11

蔡瑞卿(1987—)，男，2014年畢業于西南交通大學巖土工程專業，工學碩士，助理工程師。

1672-7479(2016)05-0056-03

P642.2

A