降雨作用下土石混合體邊坡力學參數(shù)弱化規(guī)律與穩(wěn)定性分析

劉明揚， 宋頂峰， 付曉東， 田 寧,4， 張振平,4

(1.中建國際投資(湖北)有限公司， 武漢 430071； 2.中國建筑國際集團有限公司， 香港 999077； 3.中國科學院 武漢巖土力學研究所， 巖土力學與工程國家重點實驗室， 武漢 430071； 4.中國科學院大學， 北京 100049)

降雨是誘發(fā)土石混合體邊坡地質(zhì)災害的關鍵因素，其對邊坡的災變行為可以總結(jié)為對坡體的增重、弱化、沖刷潛蝕和動靜水壓力等方面[1]。其具體影響效果主要體現(xiàn)在以下3個方面：①在強降雨作用下，非飽和邊坡內(nèi)部初始負孔隙水壓力(即基質(zhì)吸力)發(fā)生降低甚至達到0[2]，從非飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)化為飽和狀態(tài)，結(jié)合非飽和抗剪強度公式可以得到基質(zhì)吸力的降低直接導致材料抗剪強度的降低；②降雨入滲作用導致材料內(nèi)部含水量增加，造成坡體吸水重量增加，間接促進滑體向下發(fā)生滑動；③坡體材料的力學參數(shù)受到粒徑分布、孔隙比、顆粒幾何形態(tài)及含水量多項因素共同影響制約，其中含水量的增加有助于顆粒內(nèi)部發(fā)生滑動和錯動，必然導致黏聚力和內(nèi)摩擦角的降低和弱化。在以往研究中對非飽和邊坡穩(wěn)定性的研究多停留在坡體材料由非飽和到飽和狀態(tài)的變化，僅圍繞孔隙水壓力影響進行研究[3-4]。地表淺層材料多為松散堆積物質(zhì)，內(nèi)部含有粉質(zhì)黏土等親水土體材料，在降雨作用下礦物成分發(fā)生水解游離，和細小顆粒一起被滲流帶出，材料參數(shù)弱化現(xiàn)象極為明顯。因此，同時考慮降雨入滲與參數(shù)弱化對于土石混合體邊坡穩(wěn)定性分析具有重要作用。

針對上述問題，建立土石混合體強度參數(shù)隨含水率劣化的經(jīng)驗估算公式；以西南地區(qū)典型土石混合體邊坡為研究對象，將參數(shù)劣化估算公式用于降雨過程中材料參數(shù)的弱化處理，得到不同降雨條件下土石混合體邊坡穩(wěn)定性演化規(guī)律。

1 不同含水率條件下土石混合體抗剪強度參數(shù)弱化規(guī)律

不同含水率條件下土石混合體力學性質(zhì)試驗相關研究目前已有很多，部分研究結(jié)果如圖1[5-9]所示。通過分析可以得到：①在含水率升高的條件下，土石混合體的黏聚力及內(nèi)摩擦角均呈非線性下降趨勢；②對于不同組構成分或塊石含量的土石混合體，天然含水率狀態(tài)下強度參數(shù)均不同，強度參數(shù)隨含水率的衰減程度也有所不同；③黏聚力的衰減前后最大比例為4.3∶1，內(nèi)摩擦角的衰減前后最大比例為2.92∶1，說明黏聚力對含水率變化更為敏感。

圖1 黏聚力和內(nèi)摩擦角隨含水率分布

現(xiàn)階段得到的參數(shù)折減公式包括拋物線、線性、冪函數(shù)及對數(shù)函數(shù)幾類，見式(1)～式(8)[10-14]。考慮到土石混合體材料自身力學性質(zhì)受到含石量、顆粒粒徑、材料成分等多因素影響，因此基于含水率(ω)擬合得到的土石混合體強度折減公式具有較大局限。

c=0.025ω2-0.79ω+5.585

(1)

φ=-0.093ω2-0.735ω+22.93

(2)

c=-0.263ω2-3.18ω+44.35

(3)

φ=0.318ω2-3.735ω+23.97

(4)

c=-3.7835ω2+37.563ω+28.934

(5)

φ=-1.7523ω+35.157

(6)

c=4.09ω-0.85

(7)

φ=8.72ω-0.44

(8)

c=c0x-0.089(x2-5.93x+12.56)

(9)

(10)

式中：c0為天然含水率條件下混合體的黏聚力；φ0為天然含水率條件下土石混合體的內(nèi)摩擦角。

為了對式(9)、式(10)的準確性進行驗證，對國內(nèi)外已有文獻中不同含水率條件下混合體力學試驗結(jié)果進行搜集[5-12, 14-30]。將試驗結(jié)果與擬合公式的計算值進行比對后如圖2所示。結(jié)果顯示，黏聚力實測值與預測值的相關性較好，決定系數(shù)達到0.947，數(shù)據(jù)點基本上緊密分布于y=x數(shù)據(jù)線兩側(cè)，部分數(shù)據(jù)位于±15%誤差區(qū)域外，但總體上與實測值差距較小。

圖2 黏聚力和內(nèi)摩擦角預測值與實測值對比

相比于黏聚力值，內(nèi)摩擦角的預測效果相對較差，位于±15%誤差區(qū)域以外的數(shù)據(jù)點數(shù)量相對較多。這一現(xiàn)象說明，混合體的內(nèi)摩擦角在發(fā)生遇水劣化時并不僅隨含水率的變化而發(fā)生規(guī)律性變化。已有研究也表明，受到混合體組分性質(zhì)及含石量的影響，混合體內(nèi)摩擦角對含水率變化的敏感性有所不同。因此，在后續(xù)研究中應當適當考慮含石量等其他物性指標對內(nèi)摩擦角遇水劣化效應的分析。

2 考慮抗剪強度參數(shù)弱化的邊坡穩(wěn)定性分析流程

在對典型堆積體邊坡進行穩(wěn)定性分析時，利用商業(yè)二維軟件Geostuidio開展相關數(shù)值模擬工作。該軟件為研究人員提供了較為完善的非飽和滲流計算模塊SEEP/W及基于極限平衡理論計算邊坡安全系數(shù)的SLOPE/W模塊。

在SEEP/W模塊中，基于軟件提供的樣本函數(shù)可以對非飽和材料的水力滲透性能進行定義，確定材料的水土特征曲線及滲透系數(shù)變化曲線。基于飽和-非飽和土體滲流的達西定律，求解滲透方程后即可獲得關鍵時步各節(jié)點的孔隙水壓力；隨后利用非飽和強度理論對該條件下材料的非飽和強度進行計算，根據(jù)潛在滑移面位置對邊坡安全系數(shù)進行求解。

雖然Geostudio軟件中對于滲流和安全系數(shù)的計算已經(jīng)較為成熟，但并未考慮到參數(shù)存在遇水劣化特性時對邊坡穩(wěn)定性的影響。基于此，通過商業(yè)軟件Geostudio的SEEP/W和SLOPE兩個獨立模塊進行滲流場和安全系數(shù)的計算。可以通過該方法實現(xiàn)兩個模塊間的引用：利用SLOPE模塊本構材料設置中提供的空間mohr-coulomb參數(shù)選項，通過提供區(qū)域內(nèi)不同節(jié)點坐標及對應強度參數(shù)值，使用線性差值方法對區(qū)域內(nèi)力學強度性質(zhì)進行描述。具體計算流程如圖3所示。

圖3 計算流程

3 典型土石混合體邊坡模型與分析方案

選取西南地區(qū)某公路典型土石混合體邊坡為研究對象，坡體巖土地層依次為粉質(zhì)黏土、強風化砂礫巖、泥質(zhì)粉砂巖及基巖，其中強風化砂礫巖內(nèi)部呈碎塊及碎石土狀。結(jié)合地質(zhì)鉆孔及勘測資料搭建的分析模型高度為103.6 m，長為220 m，如圖4所示。考慮降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響，各巖土地層的力學參數(shù)見表1，強風化區(qū)域材料的滲流力學參數(shù)如圖5所示。

圖4 計算模型

表1 巖土力學參數(shù)

圖5 強風化砂礫巖及粉質(zhì)黏土的滲流力學參數(shù)

在考慮土石混合體力學參數(shù)弱化的基礎上，邊坡穩(wěn)定性分析圍繞降雨因素進行。降雨強度分為10、15、20、25 mm/d 4種，降雨持時分為5、10、15 d 3種，共開展12個降雨強度與降雨持時條件下的邊坡響應計算。

4 土石混合體邊坡穩(wěn)定性分析

為了考察不同降雨條件對土石混合體邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律，重點開展以下5種降雨方案的分析：10 mm/d，15 d(方案1)；15 mm/d，10 d(方案2)；20 mm/d，15 d(方案3)；25 mm/d，15 d(方案4)；25 mm/d，5 d(方案5)。

對不同深度點孔隙水壓力進行監(jiān)測，孔壓變化圖6所示。方案1、3和4分別在15 d降雨持時條件下，設置強度為10、20、25 mm/d的降雨。在相同持時條件下，孔壓變化深度和變化值均隨強度的增加而增加，以地表淺層1.2 m處為例，方案1中降雨最終時刻孔壓為-83.65 kPa，對于其余兩種方案下孔壓為-34.27 kPa和-27.46 kPa。降雨過程中濕潤鋒逐漸向下運移，材料內(nèi)部水分進行補給，負孔隙水壓力發(fā)生降低。降雨強度由10 mm/d升高至25 mm/d時，濕潤鋒的最遠運移深度也從3.6 m上升至6 m。對于相同降雨強度不同降雨持時作用下，如方案4和5，可以明顯看出降雨持時較短直接導致降雨量降低，因此孔壓變化幅度偏小。對于同一深度降雨持時擴大5倍的條件下，降雨最終時刻孔壓約降低1/10～2/5。對于方案2和方案3，兩者降雨量均為150 mm，雖然降雨持時不同但是不同深度孔壓較為接近，尤其地表區(qū)域基本保持一致。但在15 d降雨持時作用下，其負孔壓降低程度稍大。

圖6 不同方案下不同深度孔壓變化

不同降雨方案下邊坡安全系數(shù)的變化趨勢如圖7所示。其中明顯可以看到方案1、3、4三種降雨強度所對應的最低安全系數(shù)分別為1.331、1.33和1.283，隨強度的增加順次降低。方案5與方案4中前5天安全系數(shù)基本相同，說明降雨持時只是主要影響滲流的入滲持時，并不影響入滲量。方案1和方案2在降雨結(jié)束時刻安全系數(shù)相差較小，說明降雨量是控制安全系數(shù)變化的重要因素，在降雨完全入滲的前提下，相同降雨量下對邊坡穩(wěn)定性的影響相同。

圖7 不同方案下的邊坡安全系數(shù)

針對所有15個計算方案，將不同降雨持時及強度作用下坡體安全系數(shù)繪制于三維圖表，如圖8所示。可以發(fā)現(xiàn)，降雨強度及持時與安全系數(shù)整體呈現(xiàn)負相關關系，隨降雨持時的增加，降雨強度的變化對安全系數(shù)的擾動作用更大。降雨強度從 10 mm/d 擴大到25 mm/d的過程中，3種降雨持時對應安全系數(shù)的降低依次為0.014、0.021和0.046。

圖8 邊坡安全系數(shù)與降雨強度及持時的關系

降雨量與安全系數(shù)的定量變化關系如圖9所示，結(jié)果顯示降雨量與安全系數(shù)呈明顯的線性關系，擬合曲線為y=-0.000 2x+1.361 2。結(jié)合規(guī)范[31]，降雨條件下邊坡安全系數(shù)下降至1.2發(fā)生破壞，依據(jù)本研究獲得的擬合公式可知在降雨量達到800 mm時該邊坡可能發(fā)生局部破壞。

圖9 不同降雨量下安全系數(shù)分布

5 結(jié)論

1)結(jié)合國內(nèi)外土石混合體試驗數(shù)據(jù)，建立了土石混合體強度參數(shù)隨含水率的非線性演化關系，該表達式可以較好地反映實際工程中降雨作用下土石混合體邊坡強度力學參數(shù)的弱化效應。

2)降雨持時相同時，降雨強度的增加直接引起入滲降雨量增加，導致邊坡安全系數(shù)持續(xù)降低，坡體內(nèi)部孔壓變化深度也隨之增大；在降雨完全入滲的條件下，降雨持時的改變只是原降雨過程中某一時刻的值的體現(xiàn)，對邊坡穩(wěn)定性影響不大；降雨量相同時邊坡響應情況基本一致，邊坡安全系數(shù)與降雨量密切相關，且呈明顯的負相關線性關系。