不同降雨速率對紅黏土邊坡穩(wěn)定性的影響

李繼民

摘 要：降雨入滲是邊坡工程中的一個常見物理現(xiàn)象，也是許多邊坡工程事故的主要誘發(fā)因素之一。文章以某高速公路紅黏邊坡工程為研究對象，建立了降雨入滲條件下滲透場和應力場的耦合控制方程，結果表明，降雨速率對邊坡的穩(wěn)定性影響很大，容易引發(fā)邊坡更深土體的強度降低，造成黏土邊坡表層失穩(wěn)。

關鍵詞：降雨速率;紅黏土;邊坡穩(wěn)定性;影響

中圖分類號：TU446;U213.1+3 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1001-5922（2021）10-0144-04

Influence of Different Rainfall Rates on the Stability of Red Clay Slope

Li Jimin

（Shenzhen Guanghuiyuan Environment Water Co.， Ltd.， Shenzhen 518000， China）

Abstract：Rainfall infiltration is a common physical phenomenon in slope engineering， and it is also one of the main inducing factors of many slope engineering accidents. Taking a red-sticky slope project of an expressway as the research object， this paper establishes the coupling control equation of the seepage field and the stress field under the condition of rainfall infiltration， and the results show that the rainfall rate has great influence on the stability of the slope， which is easy to cause the strength of deeper soil of the slope to decrease， and cause the instability of the surface of the clay slope.

Key words：rainfall rate; red clay; slope stability; impact

0 前言

高速公路建設過程中往往會遇到一些特殊的地基土，紅黏土就是其中的一種，這種地基土的物理力學性質(zhì)同一般黏土相比較有較大的不同，其自身具備孔隙大以及含水量高等特點。工程建設過程中，通常會涉及到挖填方邊坡工程[1]，在這種地基土上開展施工活動時，因為紅黏土具備的特殊性質(zhì)，會對邊坡工程產(chǎn)生一定的影響，若紅黏土邊坡的坡率在1∶1.5之下，邊坡會在降雨影響下發(fā)生破壞，在應用圓弧滑動分析方法進行分析時，最終得到的分析結果并不具備較高的準確性，主要原因在于：紅黏土的滲透強度及滲透系數(shù)會隨含水率的變化而發(fā)生變化，當發(fā)生降雨時，隨著雨水的不斷滲入，紅黏土中的含水率逐漸提升，最終轉化為飽和土，該過程中紅黏土的安全系數(shù)也呈現(xiàn)出不斷下降的狀態(tài)。張海德等人對降雨條件下非飽和土路基邊坡的穩(wěn)定性進行詳細分析[2]，將細粒土邊坡以及粗粒土邊坡作為研究對象，分析不同降雨強度下兩種土質(zhì)的穩(wěn)定性情況，最終得出：與細粒土邊坡相比，降雨強度對粗粒土邊坡的影響更大。李庚等人對降水入滲的紅黏土邊坡穩(wěn)定性進行分析[3]，實際研究中通過應用基本力學參數(shù)展開實驗分析，得出紅黏土基本力學參數(shù)。本文研究中，將具體工程作為實際研究對象，對不同降雨速率情況下紅黏土邊坡穩(wěn)定性變化進行分析，具體如下。

1 降雨入滲導致的暫態(tài)滲流場及強度場

分析土坡穩(wěn)定性過程中，若地下水位埋藏較淺，飽和及非飽和位置處的地下水運動存在一定的聯(lián)系，因此需要統(tǒng)一進行兩者的滲流分析，簡單而言就是同時分析飽和以及非飽和流動問題，列出公式：

公式（1）表示的是非穩(wěn)態(tài)滲流的偏微積分方程式，其中，γω表示水的容重;mω表示水體積變化系數(shù);kx表示x方向的滲透系數(shù);ky表示y方向的滲透系數(shù)，對于各向同性的土而言，由于水的滲透系數(shù)相同，可另式中kx=ky=k（ua-uω）。處于飽和區(qū)時，水的滲透系數(shù)會與飽和滲透系數(shù)ks相等，并且mω也會無限接近水的體積變化系數(shù)mv;處于非飽和區(qū)時，k=k（ua-uω），得到基質(zhì)吸力函數(shù)。

將各個已知系數(shù)代入公式（1）中進行求解后，可以得到坡體內(nèi)的滲流場，這一環(huán)節(jié)可以通過Seep/W軟件求解公式（1）。關于邊界條件可以這樣理解：若降雨強度超過體滲透系數(shù)，可應用定水頭邊界條件;若降雨強度未超過體滲透強度，則應用流量邊界條件，根據(jù)實際情況選擇即可。

2 滲流場及應力場的基本控制方程

邊坡出現(xiàn)失穩(wěn)破壞情況主要的一個原因就是降雨入滲[4]，在降雨過程中，會加大土體中的含水量，這種情況下，會增大孔隙水壓力、降低土體基質(zhì)吸力，并且降低土體的抗剪強度，最終大大降低了邊坡的穩(wěn)定性。此外，在含水量的逐漸增大下[5]，土質(zhì)邊坡粘聚力會不斷下降，極易造成邊坡失穩(wěn)問題的出現(xiàn)[6]。圖1為降雨環(huán)節(jié)邊坡含水率分布情況，圖2為降雨環(huán)節(jié)邊坡孔隙水壓力分布情況。

通過對圖1以及圖2進行分析，可以得出，降雨剛開始時，地表水會逐漸向土體中滲入，緩緩進入到達土體表面淺層，降雨持續(xù)一段時間逐漸增大后，雨水會繼續(xù)向土體中滲入，上層區(qū)域含水量逐漸飽和。降雨入滲環(huán)節(jié)[7]，由于路基頂面含有碎石料，使得該區(qū)域存在較強的透水性，雨水滲透速度較快，而處于碎石料下方的路基由于滲透性較差，雨水滲透速度則變得較為緩慢，最大入滲深度大概為3m，由此可見，紅黏土路基邊坡降雨入滲存在一定的限制，滲流場偏微分方程如公式（2）：

公式（2）中，kx、ky、kz分別表示在 x軸、y軸、z軸方向土體的滲透系數(shù);hm表示壓力水頭或基質(zhì)勢;hw表示基質(zhì)吸力水頭;Q表示降雨量;t表示降雨時間;ω表示體積含水率。土的總應力公式如公式（3）所示。

在公式（3）中，σ′表示土的總應力;σ表示土的有效應力;uw表示孔隙水壓力。

針對非飽和土而言，其有效應力公式如公式（4）所示。

在公式（4）中，X表示飽和度相關系數(shù)，大小在0～1之間;ua表示空氣壓力;ua-uw表示基質(zhì)吸力，飽和狀態(tài)下，基質(zhì)吸力為0，即ua=uw。

摩爾庫倫準則如公式（5）所示，將公式（4）代入其中，得到公式（6），?′表示有效內(nèi)摩角。

對公式（6）進行分析，不難發(fā)現(xiàn)基質(zhì)吸力會對土體的抗剪強度產(chǎn)生相應影響，即可以這樣認為，在土體含水率發(fā)生變化后，土體的抗剪強度也會發(fā)生相應變化，兩者存在一定的關系。

降雨入滲過程中，若只是單純考慮基質(zhì)對抗剪強度產(chǎn)生的影響或滲流變化是不合理的[8]，隨著雨水的逐漸滲入，非飽和紅黏土會逐漸變?yōu)轱柡停藭r會對土中滲流場及基質(zhì)吸力造成影響，所以，飽和度發(fā)生變化時，土中的應力場也會產(chǎn)生相應變化，基于Biot固結理論可列出公式（7）。

假設ua=0，與公式（2）、（3）、（5）結合得出公式（8）。

如公式（8）所示，其表示降雨入滲條件紅黏土滲流場及應力場控制方程，在得知邊坡初始應力及滲流邊界條件后，可做出實際計算，求出滲流場及應力場控制情況。

3 數(shù)值模型建立及分析

筆者基于實際工程實例下，開展實驗分析，構建出的計算模型如圖3所示。邊坡長度為8m，高為5m，坡腳、坡頂與各邊距離均為3m，土體的物理力學參數(shù)詳如表1所示。

在前文敘述中，已經(jīng)表明土體飽和度與應力場以及滲透場息息相關，通過“土水特征曲線”表示土體基質(zhì)吸力與飽和度兩者的關系，通過“滲透性函數(shù)”表示土體滲透系數(shù)與飽和度兩者間的關系，以上提出的函數(shù)實際目的是描述出土體的實際特征，本文選擇 Van Genuchten 函數(shù)進行模擬，得出公式（9）與公式（10）。

公式（9）中，kw表示任意飽和度下的土體滲透系數(shù);kws表示飽和土體的滲透系數(shù)，本研究中kws的值為2.88×10-3mm/s。

公式（10）中，Se表示最大飽和度;Si表示任意飽和度。

通過軟件模擬得出兩條擬合曲線，圖4表示計算模型土水特征曲線，當飽和度為0.58時，得到基質(zhì)吸力為1.0m;圖4表示計算模型土的滲透性函數(shù)，當基質(zhì)吸力為1.0m時，得到滲透系數(shù)為0.002 mm/s，詳細如圖4、圖5所示。

在本研究中，主要進行兩種不同工況的分析，通過利用模型做出實際模擬，詳細掌握不同情況下的邊坡安全系數(shù)具體數(shù)值，兩種工況的降雨總量一致，均為350mm，將工況1的降雨速率設置為50mm/d，并分為3個階段進行加載，分別為1、2和4d;而將工況1的降雨速率設置為50mm/d，并分為3個階段進行加載，分別為2、5和7d，模擬得出不同情況下的安全系數(shù)值。

4 計算結果分析

如表2所示，工況1降雨速率快，工況2降雨速率慢，通過對兩種不同工況下的邊坡安全系數(shù)進行計算，得出各自的安全系數(shù)以及破壞面深度情況，在降雨量的不斷增加下，兩種工況下的邊坡安全系數(shù)呈逐漸下降趨勢，并且破壞面深度也逐漸降低，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是在雨水不斷滲入下，土體的飽和度逐漸增加，導致基質(zhì)吸力降低，從而使得土體安全系數(shù)逐漸下降。同工況2比較而言，工況1降水速率更快，在達到350mm降水量時，安全系數(shù)為1.0754，破壞面深度為1.05m，均小于工況2的數(shù)值。

土層深度越深，降雨入滲對土體的影響也會逐漸降低[9]，表層土是含水率最大的區(qū)域，所以，這一位置處的基質(zhì)吸力、抗剪強度也會受到降雨的嚴重影響[10]，造成邊坡安全系數(shù)逐漸降低，而降雨速率則會直接影響到邊坡安全系數(shù)的降低速率，對表2進行分析，可以得出：與工況2相比工況1的降雨更快，位移較大，但雨水滲入較淺，工況2 則相反，雨水會滲入到更深層的土壤中，導致深層土體強度降低，最終邊坡破壞程度也會更為嚴重。

5 結論

總而言之，降水速率會對紅黏土邊坡產(chǎn)生影響，在降雨強度處于土體滲透系數(shù)之下時，降雨強度逐漸增大時，邊坡安全系數(shù)會逐漸減小。本文研究中通過具體實驗得出：降雨速率不同時，對紅黏土邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響也不同，降雨速率緩慢的情況下，會促使深層土體強度下降，并且容易發(fā)生淺層滑坡問題，所以，需要對滲流場和應力場的耦合綜合考慮，計算邊坡穩(wěn)定性。

參考文獻

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