降雨入滲對非飽和黃土邊坡穩(wěn)定性的影響分析

李 雪 浩

(山西省交通規(guī)劃勘察設計院，山西 太原 030012)

降雨入滲對非飽和黃土邊坡穩(wěn)定性的影響分析

李 雪 浩

(山西省交通規(guī)劃勘察設計院，山西 太原 030012)

開展降雨條件下黃土邊坡的非穩(wěn)態(tài)滲流有限元計算，分析降雨過程中黃土邊坡孔壓分布以及邊坡穩(wěn)定系數的變化規(guī)律，得出以下結論：降雨導致的非飽和黃土邊坡表層土體基質吸力喪失是誘發(fā)淺層滑坡的重要原因。

降雨，非飽和，黃土，基質吸力

1 概述

隨著山西省高速公路的飛速發(fā)展，黃土滑坡成為一種常見的地質災害。降雨是誘發(fā)黃土滑坡的一個重要因素。山西地處黃土高原，黃土分布廣泛，由于常年降雨量偏小，黃土通常處于非飽和狀態(tài)。根據統計結果，山西地區(qū)年降雨量多集中在6月份～9月份，占全年降水量的60%～80%，且以暴雨為主，降水量集中而短暫。而黃土滑坡也主要發(fā)生在6月份～9月份，其間發(fā)生的滑坡數目約占全年的55%。

黃土作為一種特殊土，具有其獨特的細觀結構。黃土土粒多以粉粒為主，孔隙較大，毛細作用明顯，天然狀態(tài)下含水率較低。根據山西地區(qū)的設計經驗，在合適的坡率下，天然狀態(tài)下的黃土邊坡往往呈非飽和狀態(tài)，有足夠的抗剪強度維持坡體的穩(wěn)定狀態(tài)；而一旦降雨入滲，降雨影響范圍內的土體含水量增大，基質吸力減小，同時黃土大孔隙的構造又會增強土體的吸滲能力，使降雨影響區(qū)域加深。斜坡在下滑力增大，抗滑力減小的雙重不利作用下失穩(wěn)破壞[1]。研究降雨入滲對非飽和黃土邊坡的破壞機理是黃土邊坡優(yōu)化設計的理論基礎，對相關的工程設計和施工有一定的指導和借鑒意義。

2 非飽和土理論

非飽和土是土，水，氣的三相體，孔隙中氣壓與孔壓之差稱為基質吸力[2]。一般若空氣連通時，基質吸力大小等于孔壓的負值，負孔壓的增大意味著基質吸力的減小，基質吸力對土體強度有增強作用。隨著土體中含水量增加，土體飽和度增大，滲透系數增大，基質吸力逐漸消失，土體的強度下降[2,3]。

2.1 非飽和土滲流理論

非飽和土中孔隙水的流動仍然服從達西定律。不同的是：1)飽和土中的孔壓為正值，而非飽和土中為負值；2)飽和土中滲透系數可以看做是常量，而非飽和土滲透系數為變量，隨著含水率的增加而增大。一維狀態(tài)下土體的滲流方程如下：

2.2 非飽和土抗剪強度理論

非飽和土的強度準則需要考慮基質吸力的影響，最常用的是Fredlund等提出的非飽和土雙應力變量強度準則。

τf=c′+σtanφ′+ustanφb′。

其中，us為基質吸力;φb為us引起的等效內摩擦角，隨著基質吸力的變化而變化。

3 非飽和黃土邊坡在降雨過程中的狀態(tài)變化

3.1 模型建立

結合一個均質黃土邊坡模型分析降雨過程中邊坡的狀態(tài)變化。由于降雨常常在大范圍內進行，采用模型水平長度為60 m，高度為25 m，坡率為1∶2。水位線位于地下5 m，初始基質吸力在水位線以上5 m范圍內隨深度呈線性分布，再向上則不再變化。黃土的體積含水量和滲透系數隨基質吸力的變化見圖1,圖2。考慮到強降雨和持續(xù)降雨往往會引起滑坡，降雨量采用100 mm/d，持續(xù)24 h，并考察在降雨結束后144 h時長內的邊坡狀態(tài)變化。

3.2 土體孔壓變化

分析坡肩部位不同時刻孔隙水壓力隨深度變化的曲線可知(見圖3)，與初始條件相比，降雨后邊坡表層范圍土體孔壓變化較大，并且逐漸由負孔壓向正孔壓轉變。在降雨初期，坡體表面下2 m范圍內孔壓增大尤為明顯；降雨達16 h時，孔隙水壓力增加了33 kPa。隨著降雨的進行，降雨影響深度逐漸加深，當降雨進行到20 h時，坡面下3 m范圍內的孔壓出現增大。降雨達24 h時，表層土體孔壓達到-10 kPa，土體的非飽和區(qū)大大縮小。孔隙水壓力的增加意味著基質吸力的喪失，隨著降雨的進行，表層土體的基質吸力迅速減小，并且降雨影響范圍也逐漸向下延伸。基質吸力的減小使得邊坡表層土體的抗剪強度快速下降，最終導致淺層滑坡的發(fā)生。從圖3b)中可以看出，在降雨完成后，由于缺乏雨水補給，表層土體的基質吸力又逐漸增加，但由于模型沒有考慮蒸發(fā)效應，基質吸力的增加較為緩慢。這表明降雨結束后，隨著水分的蒸發(fā)，土體的基質吸力又逐漸恢復，抗剪強度增加。

3.3 邊坡內部孔隙水壓力分布變化

從圖4中可以看出，在初始狀態(tài)下，水位線以上土體為非飽和狀態(tài)，水位線4 m以上范圍內基質吸力表現為負孔壓，大小為-40 kPa。在降雨達3 h時，由于雨水沿坡面的徑流，坡腳處孔壓率先增大到-20 kPa，坡腳土體基質吸力逐漸喪失，向飽和土轉變。在降雨達24 h時，坡面1 m范圍的土體孔壓增大到-20 kPa，-40 kPa的非飽和區(qū)明顯縮小，表層土體逐漸趨于飽和。在降雨后144 h，由于沒有雨水補給，表層土體轉變回非飽和狀態(tài)，并且由于雨水在坡體內部持續(xù)滲流，-40 kPa的非飽和區(qū)繼續(xù)縮小。

可以看出，坡腳處土體對降雨的響應最為明顯，該處土體強度的降低對邊坡穩(wěn)定性的影響很大，所以坡腳處的防護排水尤為重要。此外，坡面表層土體基質吸力變化亦較為明顯，隨著降雨進入表層土體經歷了由非飽和到飽和再到非飽和的動態(tài)變化過程[3,4]，這個過程中基質吸力的逐漸喪失是非飽和土坡在降雨工況下發(fā)生淺層滑坡的重要原因，所以坡面排水設施的布置至關重要。

3.4 邊坡穩(wěn)定系數隨降雨歷時變化

在降雨產生的滲漏場基礎上，采用極限平衡理論計算邊坡的穩(wěn)定性。從邊坡穩(wěn)定系數隨降雨歷時的變化曲線可以看出(見圖5)，在降雨發(fā)生的24 h內，邊坡穩(wěn)定系數迅速下降；在降雨結束后，隨著雨水向土坡內部的滲流，邊坡穩(wěn)定系數緩慢下降。實際工程中，降雨結束后，蒸發(fā)作用會使得邊坡內土體含水量減小，基質吸力逐漸恢復，邊坡穩(wěn)定系數不會無休止的下降，而是在降雨結合后一段時間出現上升[5]。

4 結語

結合降雨情況下非飽和黃土邊坡的有限元計算結果，分析了降雨對黃土邊坡的影響機制，得到了以下結論:

1)降雨使得非飽和黃土邊坡土體含水量增大，基質吸力喪失，從而使得土體抗剪強度降低，邊坡在下滑力增大和強度降低的雙重作用下發(fā)生滑動。

2)降雨對邊坡的影響主要集中在表層土體，表層土體孔壓響應強烈，基質吸力喪失迅速，這也是降雨多誘發(fā)淺層滑坡的原因。坡面排水設施的合理布置對減少滑坡發(fā)生至關重要。

3)降雨停止后，邊坡內部雨水繼續(xù)下滲，邊坡安全系數在降雨結束后的一定時間持續(xù)降低。所以，滑坡往往發(fā)生在雨后。

[1] 吳俊杰，王成華，李廣信.非飽和土基質吸力對邊坡穩(wěn)定的影響[J].巖土力學，2004，25(5)：732-736，744.

[2] 殷宗澤.土工原理[M].北京:中國水利水電出版社,2007.

[3] 李國榮，陳文婷，李進芳，等.黃土邊坡降雨入滲規(guī)律及其對邊坡穩(wěn)定性的影響[J].中國水土保持,2014(8)：36-39.

[4] 李 萍，李同錄，付昱凱，等.非飽和黃土中降雨入滲規(guī)律的現場監(jiān)測研究[J].中南大學學報(自然科學版)，2014,45(10):3351-3360.

[5] 孔郁斐，宋二祥，楊 軍，等.降雨入滲對非飽和土邊坡穩(wěn)定性的影響[J].土木建筑與環(huán)境工程,2013,35(6):17-21.

Stabilityanalysisforunsaturatedloessslopesufferingfromrainfallinfiltration

LiXuehao

(TheCommunicationsPlanningSurveyingandDesigningInstituteofShanxiProvince,Taiyuan030012,China)

In order to study the influence of rainfall infiltration on slope stability. The FEM is used to the calculate unsaturated infiltration in unsaturated loess soil. It is found that the factor of safety of engineering slope would obviously decrease due to the matrix suction decreasing.

rain, unsaturated, loess soil, matrix suction

TU441.35

：A

1009-6825(2017)24-0077-02

2017-06-12

李雪浩(1989- )，男，碩士，助理工程師