降雨條件下輸電塔基失穩機理研究

岳靈平 蔡 煒 樓 平 程 鵬 韋舒天

(1.國網浙江省電力有限公司湖州供電公司，浙江 湖州 313000；2.南瑞集團有限公司，江蘇 南京 211000； 3.國網電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司，湖北 武漢 430074)

0 引言

降雨入滲是誘發地基失穩的主要因素之一，據統計大量的典型工程地基失穩案例，其中絕大多數地基失穩發生在雨季。

降雨入滲為非飽和滲流過程，一方面，雨水入滲使土體的三相平衡被改變，降低土體的強度參數，導致地基的抗剪強度降低。當土體抗剪強度小于外荷載作用的剪切強度時，坡體內部會出現貫通滑動面；另一方面，滑動面含水率增加，地基穩定性降低。

Lumb[1]依據飽和度和抗剪強度的關系，研究降雨滲流對邊坡穩定性的影響。Fredlund[2]發現在強降雨條件下，土壤安全系數明顯降低，土體基質吸力對邊坡穩定性有重要的影響。Alonso[3]對地基滲流進行二維滲流模擬并利用極限平衡法進行組合分析發現，土體越松散，在強降雨條件下，邊坡安全系數呈現出累進性衰減，導致坡體容易出現破壞和松動。劉子振[4]將非飽和—飽和土邊坡極限平衡理論和雨水滲流理論相結合，研究土體含水率、黏聚力、基質吸力、坡體高度等參數對安全系數的影響度。李兆平等[5]通過設定邊坡的穩定性計算過程，得到在降雨情況下坡體的瞬時安全系數。

為了研究降雨條件下地基內的基質吸力和滲流力對土體力學參數的作用，通過土體極限平衡條分法與強度折減理論，推導出在降雨入滲下邊坡穩定性分析的計算公式，并對坡體滲流力和坡體的安全性系數進行驗算。

1 黏土體極限平衡條分法計算原理

視非飽和黏土體為剛體，對滑動面垂直劃分n個條塊，每個條塊設定為單位寬度，對其進行力學平衡分析。按土體含水率以及水位線的位置來分析滑體條塊的臨界力學狀態。條塊受力分析如圖1所示。

1.1 水位線位于第i條塊滑動面上的臨界平衡公式

1)由條塊滑動面中心法向與切向受力平衡可知：

(1)

其中，Ti,Ni分別為條塊滑動面中心處切向與法向反作用力；Xi,Yi分別為條塊間法向、切向應力；Jui,Jdi分別為條塊上方與下方滲流力；Gi為條塊自重力；di為水平方向寬度；q為條塊所受均布荷載；Qi為地震作用力。

2)由底部中心Oi力矩平衡公式可知：

(2)

其中，hir,hil分別為前、后法向作用應力；Xi,Xi-1為與底部中心Oi豎直距離；hJdi,hJui分別為條塊上、下層滲流力；Jdi,Jui為到底部中心Oi豎直距離。

3)由第i條塊間合力到相鄰條塊中心Oi豎直距離關系可知：

(3)

4)由第i條塊上層滲流力、下層滲流力到條塊的中心Oi豎直距離關系可知：

(4)

1.2 水位線位于條塊滑動面下的臨界平衡公式

當水位線位于滑動面下時，孔隙水壓力為0(Upi=0)，滑面上有基質吸力。

1)第i條塊滑動面切向、法向作用力平衡分析可知：

(5)

2)由第i條塊底面中心Oi的力矩平衡可知：

(6)

3)第i條塊滑動面為非飽和狀態，由此可得滑動面切向作用力為：

(7)

2 土體安全系數

分析土體條塊間相互作用力參數λ和土體安全系數fs，如圖2所示。

Mi(i=1,2,3,…,n)為第i條塊所受作用力對滑動面中心Oi的力矩;Δfs,Δλ分別為力、力矩計算滑動面安全系數和條塊間合力系數的差值；ε為公式的差值許可量。土體安全系數求解步驟為：從滑動面劃分的第1條塊最外側開始計算，h11=0,X0=0，按力的極限平衡方程求解至第2,…,第n條塊的各項參數，求得土體安全系數fs。

3 案例分析

湖州某地區公路沿線的黏土質邊坡，在邊坡進行人工開挖后，遭遇降雨影響，邊坡土體含水率增加，抗剪強度降低。坡體的各項參數如表1所示。黏土邊坡模型如圖3所示。邊坡模型為非飽和狀態，含水率19.8%，模型縱向寬度取1 m。設定某段時間降雨之后，坡體的抗剪強度折減，力學性能減弱。經過地質勘查取樣，獲得邊坡處于極限平衡狀態下的c,φ值。飽和黏聚力c=22.1 kPa，內摩擦角φ=15°。

表1 邊坡模型各項參數

邊坡模型以坡頂降雨入滲與坡腳組成滑動面、坡中段降雨入滲與坡腳組成滑動面兩種情況來進行計算。兩種情況下的邊坡模型如圖4，圖5所示。在持續降雨入滲條件下，邊坡穩定系數隨雨水滲入的深度變化而改變，如圖6所示。

從圖6可以看出，坡頂降雨達390 cm、中段降雨達460 cm時，邊坡失穩；在邊坡處于即將失穩狀態時，考慮滲流力比不考慮滲流力的安全系數降低約15%。降雨情況下黏土邊坡條塊間水平力與垂直力間的作用系數如圖7所示。

雨水入滲條件下，非飽和土邊坡的條塊間作用力系數會隨入滲深度的增加而減小。并且加入了邊坡滲流的條塊間作用系數變化明顯大于不加入邊坡滲流的作用系數。根據施工規范，在降雨條件下，安全系數fs=1.05可定為坡體失穩的判斷依據，坡體出現不穩定時間與降雨強度關系如圖8所示。

由圖8可知，在降雨強度在2 mm/s之前，邊坡處于穩定狀態。當降雨強度到達3.7 mm/s后，邊坡出現不穩定的時間一致。在降雨強度達到預警界限時，必須加強對不穩定坡體的監控。

4 結語

文章重點研究了邊坡的降雨入滲特征對斜坡地基穩定性的影響，得出以下結論：

1)考慮滑面受力和彎矩下的條塊極限平衡方程，推導出非飽和黏土邊坡的極限平衡法計算式，并根據計算式確定邊坡安全系數。

2)根據具體案例結果分析，降雨入滲深度越大，則滲流作用力的影響越小；滑動面條塊間作用力系數隨雨水入滲程度的增加而減少。

3)當邊坡處于即將失穩狀態時，考慮滲流力的邊坡安全系數比不考慮滲流力的邊坡安全系數低15%左右。