殘積土邊坡穩定性分析

郭宏瑞 張 超

(云南坦盛巖土工程有限公司，云南 昆明 650228)

1 殘積土邊坡穩定性的特性

殘積土邊坡穩定性的原則與一般沉積土邊坡基本一致，但它又有自己的特性[1]，如下：

1)穩定狀態的殘積土邊坡通常能比一般沉積土邊坡更陡峭，坡角45°或者更陡的邊坡并不少見；

2)殘積土邊坡失穩時，一般不會發生深層破壞，滑面一般都相對較淺，經常稍微彎曲或呈平面，但滑坡體依然可能會很大；

3)在高于地下水水位的殘積土邊坡中，負孔隙水壓力對抗剪強度的提高，起著重要作用；

4)殘積土邊坡中存在的不連續面及滲流條件對邊坡穩定性有著重要影響；

5)通常殘積土邊坡的失穩是由暴雨及暫時的孔隙水壓力增加而導致的；

6)實際上，許多殘積土滑坡是由于人類活動導致的，比如對自然坡體的亂挖亂堆，坡體表面森林的亂砍亂伐及對大自然排水和滲流的擾動。

2 非解析方法分析邊坡穩定性

非解析法也是自然邊坡穩定性分析的必要手段。這些方法看起來雖然原始，但是還是非常有效的[2]。

1)野外踏勘；2)邊坡及周邊地區地質評價；3)航拍照片調查；4)查看土質相同的相似邊坡。

對邊坡進行詳細踏勘，并輔以專業地質知識，可以很好的指導邊坡的穩定性評價，如圖1所示，坡線相對平緩的邊坡一般都是風化侵蝕形成的，沒有滑動過。相反，坡線不規則的邊坡基本都是滑動過的。

3 解析法的局限性

解析法主要受限于殘積土邊坡的滲流條件和土體抗剪強度的不確定，但恰是這兩個因素對邊坡穩定性的分析至關重要。根據邊坡均勻性特征，邊坡可被劃分為三種類型，如下：

1)均勻且各向同性的邊坡；2)含有明顯連續的軟弱結構面的邊坡；3)不均勻且沒有明顯軟弱結構面的邊坡。

3.1 勻質邊坡

這種邊坡利用傳統的圓弧滑動法可以計算得出合理的安全系數。但是某些參數的不確定是不可以被簡單的忽略的：土體剪切強度；坡體滲流條件和孔隙水壓力狀態。

關于剪切強度，需注意如下幾點：

1)內摩擦角φ可通過常規試驗測得，如三軸試驗；

2)內聚力c同樣重要，但測得的可靠性，相比φ值要低一些,需要在精密的低圍壓三軸試驗下，方能測得相對準確的c值[3]；

3)殘余強度很可能接近峰值強度，特別是在含有高嶺石和水鋁英石的黏土中。

3.2 具有明顯連續軟弱結構面的邊坡

許多殘積土邊坡穩定性是由其中隨機且不連續存在的軟弱結構面所決定的。這些結構面多由于巖土體在地質構造和剪切作用下形成，使得邊坡失穩模式，土體剪切指標難以確定，因此降低了計算分析邊坡穩定性的可靠性。坡體內存在的不連續面形式如圖2所示。

3.3 土質不均勻且沒有明顯軟弱結構面的邊坡

火成巖(如花崗巖)風化不會形成明顯的軟弱結構面，土體中包含了部分風化不完全的原巖和風化殘積土，通過傳統試驗方法確定強度參數是相當困難的。

4 降雨影響

殘積土邊坡可以在陡峭的狀態下保持穩定，一個主要的原因就是其地下水位埋藏較深，水位以上的土體中常形成負孔隙水壓力，這樣就加大了滑動面上的有效應力，從而提高了邊坡穩定性。強降雨可以使土體中的負孔隙水壓力逐漸升為0，若水位繼續上升的話，則孔隙水壓力會變為正值，因此恰是負孔隙水壓力的減少會導致邊坡失穩。

以云南某地殘積黏性土邊坡為例，通過研究降雨引起土體中孔隙水壓力變化，確定其對邊坡穩定性造成影響。該邊坡地下水埋深較深，土質基本各向同性，局部小范圍內可能存在不均勻，但從工程研究角度，可視為勻質邊坡，見圖3。

采用軟件Seep/W(2007)進行地下水滲流模擬分析。在均質各向同性介質中，地下水滲流微分方程可表達為[4]：

(1)

(2)

其中,θ為體積含水率；u為孔隙水壓力。

對于完全飽和土中，mw=mv(mv為土體積壓縮系數)，Q=0。

上述表達式可簡化為：

(3)

轉換可得：

(4)

觀察可知，上式形式上與太沙基固結方程極為相似[5]，只不過是二維表達式。因此太沙基方程是滲流方程的一種特殊情況。

計算模擬過程中所采取土體各物理力學指標如表1所示。

表1 土體各物理力學指標

圖4顯示圖3中選取的截面a—b的孔隙水壓力隨時間變化的曲線。然而最終平衡狀態不是靜水平衡而是滲流平衡狀態，因此孔隙水壓力低于靜水壓力值。

這些等勢線形狀說明了水位變化的過程。它不是勻速上升，相反，先緩慢上升，然后在最后階段迅速上升。同時水位到達地表僅用2.7 d，而孔隙水壓力達到平衡狀態則用時20 d。

圖5還顯示了安全系數隨時間的變化，詳見表2。考慮負孔隙壓力，初始安全系數值為2.14。大約3 d后，它開始勻速下降，持續20 d下降達到0.81穩定。如果使用傳統的理論分析計算該邊坡的平衡，安全系數值僅為0.11。

表2 不同階段的安全系數

5 結語

1)通過研究表明，3 d的連續強降雨可使殘積土邊坡安全系數下降到勻速，直至滑坡；2)地下水位達到地表時，采用傳統理論計算分析，可得出安全系數僅為0.11的結果。事實上，該河岸(即本文研究邊坡)幾十年來都一直保持穩定狀態。故傳統計算結果并不合理；3)因此在以后的殘積土邊坡分析過程中，應充分考慮邊坡中孔隙水壓力及滲流對邊坡穩定性的影響，以計算出合理的安全系數；4)本文僅對勻質邊坡進行了模擬分析，其他兩種類型的邊坡穩定性分析有待其他學者進一步進行分析研究。

參考文獻：

[1] 林 威.花崗巖殘積土結構性與邊坡穩定分析[D].福建：福州大學，2014：12-26.

[2] 《工程地質手冊》編委會.工程地質手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，2012：141-162.

[3] SL 237—1999，土工試驗規程[S].

[4] 薛禹群.地下水動力學[M].北京：地質出版社，1997：28-43.

[5] 李廣信，張丙印，干玉貞.土力學[M].第2版.北京：中國建筑工業出版社，2005：104-107.