考慮基質吸力的降雨型滑坡物理力學機制分析

卞明智

（林同棪國際工程咨詢（中國）有限公司，重慶市 401121）

0 引 言

大氣降雨造成的山體滑坡稱為降雨滑坡。在地質災害種類中，降雨誘發的滑坡分布最廣、頻率最高、危害最大，是造成自然界山體及新填路基滑坡的主要類型。降雨型滑坡是在降雨入滲影響下土體內部力學平衡受損而引起的滑動現象，包括緩慢的、長期的坡度變形和突然的、急劇爆發的滑坡。降雨型滑坡集中分布在久雨區、暴雨區和江河沖刷嚴重的沿岸地區[1-2]。降雨與滑坡在時間上具有良好的一致性（小概率情況下略有滯后性）。根據數理統計結果，山體滑坡數與年降雨總量、年降雨頻數、年降雨強度等因子具有相關性。這表明降水是滑坡的重要觸發因素。

1 降雨型滑坡發生的力學原因

滑坡的發生是土體內部力場平衡條件破壞的結果，這可以通過坡體的應力條件來解釋。由于滑坡總是沿著一定的滑動面移動，因此可以用斜坡體受力示意圖表示（見圖1）。沿著滑動面將巖土體自身重量P分為兩個部分：土體的驅動滑動力T（主要動力）和垂直滑動表面的正壓力N（主要阻力），當滑動面的驅動力大于滑動表面阻力時，滑坡開始觸發。

圖1 計算模型簡圖

2 降雨型滑坡發生的力學機制

降雨因子引起滑坡的力學機制為：降雨入滲使坡體地下水位線提升，滑坡體表面土體軟化，內部單位體積含水量增加并逐漸飽和，隨著時間增加，滲流過程降低了邊坡的穩定性，導致滑坡發生。滲流過程根據單位體積含水率可分為：飽和帶、過渡帶、傳導層和濕潤峰四個階段。典型的含水量分布曲線如圖2所示。

2.1 降雨對斜坡體抗剪強度的影響

非飽和土的抗剪強度公式可用獨立的應力狀態變量來表達[3]。1978年，Fredlund等人提出了考慮孔隙水壓力即基質吸力的抗剪強度公式，采用法向應力和吸力作為變量。該應力狀態變量已被國際巖土界證明是實際應用中最有利的組合。使用這兩個

圖2 滲流過程中典型含水率剖面圖

應力變量表示的剪切強度公式如式（1）所示。

τff=c'+（σf-μa）ftan?'+（μa-μw）ftan?b（1）式中：τff為非飽和土土體的抗剪強度；c'為有效粘聚力；σf為土體破壞時，破壞面上的凈法向應力值；μa為土體破壞時，破壞面上的孔隙氣壓力；?'為與凈法向應力狀態變量有關的內摩擦角；μw為土體破壞時，破壞面上的孔隙水壓力；?b為反應抗剪強度隨基質吸力變化而增大的速率。

2.2 對基質吸力的影響

在自然界中存在很多天然陡坡,工程界中也存在路基邊坡等人工填坡，這些非飽和土體邊坡在干旱年份保持長期穩定，極小概率下發生旱滑坡，但在降雨條件下，特別是降雨強度、降雨持時、降雨總量等降雨因子激發下逐漸趨于欠穩定狀態。這是土體顆粒之間的負孔隙水壓力（基質吸力）發生變化，它對非飽和土體邊坡的穩定性起著重要作用。

負孔隙水壓力是由毛細管水帶中水-氣界面的彎液面和表面張力引起的，具有粘連相鄰土壤顆粒的“黏合”作用，在工程實踐中對土壤邊坡穩定性具有重要貢獻。單位體積含水率與基質吸力之間的關系曲線如圖3所示。

圖3 含水率與基質吸力關系曲線圖

2.3 對強度參數值的影響

由圖3可知單位體積含水率與基質吸力大致呈反比，降雨的入滲導致土體單位體積含水率增高并趨于飽和，基質吸力下降，土體的抗剪強度參數有效內聚力c'和有效內摩擦角?'下降，內部力學平衡場破壞從而觸發滑坡。

另外雨水可以使粘土中的粘土礦物水化，粘土中鹽基、堿基的交換相當于洗去易溶膠結物，弱化顆粒間的結合力，降低內聚力、降低內部摩擦系數，即整體抗剪強度減少，隨著時間推移，斜坡體內的弱表面和弱土可能發育成滑帶土，為滑坡的形成創造了充分的條件。

3 降雨型滑坡發生的物理機制

降雨入滲導致斜坡上的土石層逐漸飽和，水份積聚在斜坡下部的含水層中使地下水位線上升，甚至進入滑坡后緣的裂縫及危險巖土體的裂縫中并將裂縫充滿形成水劈作用。水在裂縫上施加較大的側向壓力，導致滑坡開始，如圖4所示。

圖4 暴雨中裂縫水劈作用示意圖

此外，對于特殊土體如膨脹土和失陷性黃土，降雨入滲導致原始非飽和土層垂直擴展，土壤隨含水率增高膨脹軟化或濕陷，也會導致土體抗剪強度下降;在橫向壓力約束下，膨脹土膨脹力的形成將直接導致坡面土壤水平應力的增加，導致土壤剪切強度降低。

4 結 語

降雨入滲從物理方面講，單位體積含水率增高，導致土體自身重力加大，或雨水入滲裂隙破壞邊坡整體穩定性，或在地表聚集形成地面徑流等破壞土體穩定性；從力學角度講，雨水入滲導致內部含水量增加，基質吸力減小，抗剪強度參數減小，內部平衡場被破壞從而觸發滑坡。