土壤含水量對邊坡穩定性的影響研究

2022-12-02 01:52:18王宏

水利科技與經濟 2022年11期

王宏

(上海宏波工程咨詢管理有限公司新疆分公司，烏魯木齊 830000)

1 概述

滑坡是常見的自然災害之一，滑坡是由于邊坡的穩定性被破壞而導致的斜坡成分(土壤、巖石或巖石)沿斜坡下滑的運動[1-2]。一般來說，邊坡的穩定性受多種因素控制，如幾何形狀[3]、地質條件(物理性質和地質結構)[4]、水文地質條件[5]和邊坡成分的工程性質[6]。滑坡易在雨季降雨量大時發生，因為滲入斜坡的雨水會增加斜坡上土壤的飽和度[7]，導致土壤的水壓力增大，抗剪能力降低，含水量長時間大幅度的增加將會導致機械性能(內聚力和內部剪切角)降低，從而使邊坡的穩定性降低[8]。

本文主要研究邊坡土壤含水量與力學性質(內聚力和內部剪切角)之間的關系，并得到安全系數(SF)值，以獲得含水量與SF斜率的相關性。同時，利用多元線性回歸分析對數據進行處理，以獲得邊坡幾何形狀(高度和坡度)、含水量和邊坡的SF等級之間的關系。研究結果可為邊坡的安全建設提供理論依據和設計參考。

2 研究方法

2.1 含水量

地下水是孔隙水壓力的主要來源，這種壓力會降低抗剪強度并導致滑坡。地下水影響邊坡陡度的方式有：①降低巖石或地面強度；②通過化學反應和溶解改變巖石中的礦物元素；③改變巖石或土壤的密度；④導致腐蝕。

地下水的存在將成為影響邊坡穩定性重要因素。同時，這種情況還與外部影響有關，即氣候等因素(以降雨量為代表)會導致地下水位上升，還會降低土壤的物理性質和機械性質。地下水位上升增加了孔隙水壓力，降低了邊坡體的抗剪強度，尤其是在土壤材料上。

2.2 黏聚力(c)

黏聚力(內聚力)提供了土壤顆粒之間的抗拉強度，用單位面積的重量單位表示。黏聚力值越大，抗剪強度就越大，因此邊坡就越穩定或安全。處理不穩定斜坡的方法主要取決于所遇到的土壤性質，一般有害土壤形成類型是由松散片巖或碎片狀軟黏土、破裂硬黏土、含砂或粉砂的黏土以及黏性土體組成的。

2.3 滑動角(φ)

內部滑動角是由巖石材料中的法向應力和剪切應力關系形成的角度。內部滑動角是當巖石受到超過其剪切應力時形成的斷裂角。材料中的剪切角越大，材料在面對施加的外部應力將表現更明顯的彈性行為，從而使邊坡更加穩定或安全。

2.4 安全系數(SF)

斜坡通常出現在一個稱為滑動面的特殊平面上。邊坡的穩定性取決于作用在滑體上的下滑力和抗滑力。抗滑力是支撐以避免滑動的力，而下滑力是引起土壤滑動的力。保持力與移動土壤的力之間的比值稱為安全系數。因此，將比值稱為SF值，也代表邊坡是否穩定。一般認為，SF≥1.25為安全邊坡；SF<1.07為不安全邊坡； 1.07

2.5 簡單和多元線性回歸

回歸分析常用于分析兩類變量之間的關系，即因變量與自變量之間的關系。如果兩個變量之間的關系分析只涉及一個自變量，則稱之為簡單回歸分析。因變量(y)和自變量(x)之間的關系的一般線性模型為：

y=b+ax

(1)

其中，a= 1，2，…，n是回歸系數，這意味著自變量和因變量呈現線性關系。

多元線性回歸與簡單線性回歸相同，只是多元線性回歸中的自變量多于一個自變量。多元線性回歸分析的目的是探究兩個或多個變量之間的關系，并預測x和y的估計值。一般來說，多元線性回歸模型為:

A=b0+b1x1+b2x2+…+bkxk

i=1,2,…,n

(2)

在回歸方程中，因變量與自變量之間關系程度可以通過決定系數(R2)來表示。R2值越大，變量之間的關系越強。R2值的代表意義見表1。

表1 決定系數解釋

3 研究區概況

研究地點位于新疆省某沿線的斜坡上，有5個數據采集點和實驗室測試樣本(SL1至SL5)。研究地點的取樣地圖見圖1。

圖1 取樣位置圖

獲取的斜坡參數數據包括采樣坐標、海拔和坡度。使用平均深度為0.9～1m的鉆孔機進行取樣。研究區域的坡度參數數據見表2。

表2 實驗室試驗取樣邊坡的坐標和幾何形狀

數據收集和實驗室樣品(SL2)的斜坡情況見圖2。在圖2中，斜坡經歷了滑坡，從初始位置開始，土壤材料減少。土壤材料類型是棕褐色黏土，滑坡尺寸為7.5 m，存在多處滲水。

圖2 取樣位置(SL2)

4 結果和討論

4.1 實驗結果分析

實驗室測試包括邊坡樣本的物理和機械特性。測試的物理特性包括土壤樣品的重量、相對密度和含水量。從測試結果中獲得每個參數的平均值，見表3。

表3 物理性能測試結果

通過土的抗剪強度的力學性質測試獲得法向載荷和剪切載荷的數值，然后處理成法向應力和剪切應力。由法向應力和剪切應力關系曲線可以得到內聚力值和剪切角，見表4。在抗剪強度試驗中，通過逐漸向土樣中加水來模擬含水量的影響。每次進行測試時，不斷加入樣品重量2.5%的水進行模擬。測試結果表明，水的加入量最多只能達到樣品重量的10%，超過10%的加入量會導致樣品不能再次模擬，因為樣品條件被加入的水破壞了。表4顯示，模擬的含水量可以在0%～73.74%的范圍內完成。這意味著土樣的最大含水量為73.74%，超過最大含水量時，無法再進行模擬。

表4 機械性能測試結果

4.2 含水量與機械性能的關系

通過將含水量試驗數據和力學性質(內聚力和滑動角)繪制成散點圖，獲得含水量與力學性質的關系，見圖3。

圖3 含水量與機械性能的關系圖(黑色為內聚力，紅色為滑動角)

圖3顯示，含水量與兩種力學性能呈現負相關，且決定系數分別為0.842和0.915，說明含水量和兩種力學性能之間具有較強的線性關系。可以得出結論，土體的含水量越高，內聚力和滑動角越低。

4.3 邊坡安全系數分析

從0%～73.74%的模擬含水率出發，根據各含水率模擬結果的力學性質，得到邊坡安全系數，其處理結果見表5。

表5 安全系數

通過將含水量試驗和SF繪制成散點圖，獲得含水量與SF的關系，見圖4。以圖4可知，含水量與SF斜率值的關系方程為y=2.267-0.024x，其中y是安全系數(SF),x是含水量。經驗方程顯示了非常強的線性關系，其R2值可以達到0.92。結果表明，含水量的增高會導致安全系數降低。當含水量在0%～50%之間時，SF>1.25，邊坡處于安全條件。當含水量從51%增加至60%時，SF值為1.0～1.25，表明邊坡已經處于臨界條件。當含水量大于63.74%，SF<1，此時邊坡不安全，極有可能發生滑坡。