非饱和土边坡稳定性分析的研究

李树忠

(辽宁工程勘察院，辽宁锦州 121000)

1 概述

我国幅员辽阔，地质条件复杂，在膨胀土、残积土等粘土地区的山地或人工边坡由于降雨入渗的影响时常发生位移与滑坡，造成巨大的经济损失。

据统计资料显示:我国有新老滑坡约30万处，其中灾害性滑坡有1.5万处，每年造成的经济损失高达100亿元以上[1]。降雨入渗是引起边坡失稳的主要因素，水的入渗使土体饱和度增大，含水量增加引起土体抗剪强度下降，同时持续降雨还会引起地下水位的上涨或在相对隔水层以上出现暂时性的地下水带。当降雨时间与强度超过一定限度时，可导致边坡失稳乃至滑坡破坏[2-4]。

根据饱和土力学理论，降雨入渗使边坡内潜水面或饱和带地下水压力升高，导致边坡稳定性降低，产生滑移滑坡。Gofar.N等人[5]研究认为降雨造成的边坡失稳的原理由以下因素造成:

1)降雨造成土中渗透力以及渗透侵蚀;

2)非饱和土由于降雨或水位上升，导致土体内吸力丧失而造成抗剪强度急剧降低;

3)非饱和土边坡由于周期性的干湿循环，导致土体开裂出现裂缝进而造成边坡失稳。

在影响非饱和土边坡滑动的各种内在以及外在因素中，降雨入渗是主要的破坏因素。目前研究的难点与关键在于如何计算雨水入渗在边坡土体中引起的渗流，由于暂态渗透是一个非常复杂的问题，是一个多因素相互耦合的过程，其影响因素包括固、液、气三相的体积比，空气压力，土骨架体变，溶质吸力以及温度等，要全面考虑上述因素并建立相关控制方程求解是几乎不可能的。为简化研究条件，Bao Cheng-gang[6，7]提出了非饱和土边坡稳定的研究思路是:含水量→吸力场→抗剪强度场→边坡稳定性分析，方法是在求出抗剪强度的相关参数后，建立土水特征曲线关系，求出吸力，结合边界条件求解稳定性。本文在此基础上利用有限元软件Plaxis，采用修正剑桥模型，分析降雨引起土体饱和度增加而造成吸力丧失。

2 边坡稳定分析

2.1 PlaxisV8有限元软件

Plaxis有限元软件是由荷兰公共事业与水利管理委员会提议，于1987年在代尔夫特科技大学开始研制的，经过20多年的发展，Plaxis已经成为能够高效解决大多数岩土工程问题的通用有限元系列软件，可以用于各种岩土工程问题中变形、稳定性和地下水渗流的分析。

2.2 修正剑桥模型

土体的本构模型采用修正剑桥模型，其屈服函数定义如下:

在p'—q平面上，椭圆的顶部与下列直线相交:

这条线被称为临界状态线(CSL)，它给出了破坏状态(即临界状态)下p'和q的关系。常数M为临界状态线的正切值，确定了极限偏应力q对平均有效应力p'的依赖程度，因此M可以看作是一个摩擦常数。M决定了屈服面的形状(椭圆的高度)，影响了正常固结应力状态下侧向土压力系数KNC0。模型基于五个参数:泊松比vur，膨胀指标k，压缩指标λ，临界状态线的斜率M以及初始孔隙比e0。

2.3 有限元计算

为进一步研究降雨条件下饱和度变化对边坡稳定性的影响，采用Plaxis软件，利用修正剑桥模型对非饱和土边坡进行分析，坡底地基宽度为38m，坡顶宽度为20m，坡高9m，填土分为三层，边坡比为1∶1.5，边坡及网格划分见图1。

3 有限元计算

3.1 计算参数及步骤

模型共包含五个参数，Alomso[8]以及 Q.Wang 等人[9]研究结果表明:土体的回弹参数k以及临界状态线的斜率M几乎不受饱和度变化的影响，压缩参数λ与吸力大小息息相关，随饱和度的增加而逐渐增大。

本文所引用的修正剑桥模型计算中，主要考虑压缩参数λ随饱和度的变化，而其余模型参数不受饱和度变化的影响。模型计算参数通过非饱和土的固结压缩试验以及三轴试验获取，试验土样选取南阳膨胀土，基本力学指标如表1所示，考虑到降雨过程中饱和度变化的情况，设定三个不同的降雨时段对断面进行了稳定性分析，模型计算参数列于表2，模型计算的简要流程图如图2所示。

表1 南阳膨胀土的基本参数

表2 边坡土层计算参数

3.2 计算结果

计算出的不同降雨时段水平向位移如图3所示，对比水平位移的云图可以看出，随饱和度增加，滑动面产生的指向边坡内侧位移越来越大，说明边坡的稳定性逐渐变差，边坡破坏滑移趋势越来越明显，这是由于随着饱和度的提高，土的抗剪强度逐渐降低所引起的，由计算所得出的边坡安全系数所证实。在降雨过程中边坡土层的饱和度不断提高，安全系数逐渐减小，边坡稳定性变差。

4 结语

通过有限元建模，采用修正剑桥模型计算分析降雨过程中不同时段的边坡稳定性，发现随边坡土层饱和度逐渐升高，边坡水平向位移逐渐增大，滑动趋势越来越明显，对应的安全系数逐渐降低，边坡的稳定性变差，这说明，在降雨条件下土体饱和度增加降低了边坡的稳定性，容易造成边坡失稳破坏，必须加强非饱和土边坡的安全监测，采取合理加固措施确保边坡在降雨条件下的稳定性。

本文的研究结果表明，考虑饱和度变化条件下采用修正剑桥模型分析非饱和土边坡稳定是可行的，为非饱和土边坡稳定分析提供了新的研究思路。

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[7]Bao Cheng-gang，Gong.B.W，Zhan.L.T.Properties of unsaturated soils and slope stability for expansive soils[J].Proceedings ofthe 2nd International Conference on Unsatutated Soils，2000(8):71-98.

[8]Alomso.E.G，Gens.A，Josa.A.A constitutive model for partially saturated soils[J].Geotechnique，1990(40):405-430.

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