降雨条件下浅层边坡稳定性分析

2016-12-06蔡瑞卿

铁道勘察 2016年5期

关键词：非饱和安全系数降雨

蔡瑞卿

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

降雨条件下浅层边坡稳定性分析

蔡瑞卿

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

分析边坡土体强度参数在降雨条件下的衰减规律，并在此基础上研究降雨对浅层边坡稳定性的影响。研究结果表明：土体黏聚力随含水量增大的变化规律接近指数减小，土体内摩擦角随含水量增大的变化规律接近线性减小；降雨持时不变的条件下，边坡安全系数随降雨强度的增大而呈非线性减小；降雨强度不变的条件下，边坡安全系数随降雨持时的增大而接近线性减小。

降雨滑坡稳定性强度参数有限元

在降雨对边坡稳定性影响方面，国内外已有大量的研究成果。唐栋[1]等在研究边坡稳定性问题时考虑前期降雨的影响，并结合三峡降雨资料进行分析，研究发现渗透系数越低的边坡，其稳定性受前期降雨的影响越明显。许建聪[2]等在工程实践的基础上，结合室内试验较深入研究了滑带的强度指标和滑体饱水面积对浅层边坡稳定性的影响。李焕强[3]等通过建立不同坡脚的模型，并分别进行人工降雨实验，研究结果表明边坡含水率、坡体变形、坡前推力随降雨持续时间而不断增大，降雨停止后，随时间的推移而逐渐减小。汪益敏[4]等以实际工程为例进行降雨对边坡稳定性的影响研究，结果表明降雨过程中土体吸水不断软化，土体强度不断降低，当土体强度降低到一定程度时，边坡失稳破坏。陈善雄[5]等提出一种新的边坡稳定性计算方法，认为在分析降雨条件下堆积体滑坡的稳定性时，渗透力是不可忽略的因素，并进一步推导出了考虑渗透力的传递系数法，通过工程实例，验证了该方法的正确性和可靠性。黄新智[6]等通过降雨对黄土边坡稳定性的分析研究，发现边坡随降雨持续时间的增加而降低，降雨前12 h安全系数降低速度较快，降雨25～40 h期间安全系数降低速度较慢。彭永良[7]基于京九线铁路工程项目，较深入地研究分析了该地区非饱和粉土的强度特性，结果表明该地区非饱和粉土黏聚力随着含水量增大的变化规律接近线性减小，内摩擦角随含水量的增大而降低的幅度相对较小。张社荣[8]等对降雨条件下饱和—非饱和边坡稳定性进行分析，研究结果表明安全系数与降雨强度呈反比关系，降雨强度从12 mm/h增大到36 mm/h，边坡安全系数降低17%。吴李泉[9]等以浙江武义平头村山体滑坡为研究对象，通过有限元进行边坡失稳分析，结果表明持续降雨24 h情况下，浅层边坡土体内部含水量不断增加，边坡表层首先出现饱和区，并且零压面不断向边坡内部推移，到达一定程度时边坡失稳。徐晗[10]等通过修正的Mohr-Coulomb破坏准则，结合非饱和土的水土特征曲线建立有限元模型，对非饱和土边坡稳定性进行分析，结果表明降雨入渗时，边坡表层较容易先发生塑性变形，并由边坡坡趾逐渐向上延伸，最终导致滑坡。

现有研究成果多是根据模型试验及数值模拟对降雨条件下边坡稳定性进行分析，作者认为，降雨诱导边坡失稳的根本原因是在降雨过程中土体含水量随降雨过程不断变化，从而导致边坡土体强度不断衰减，衰减到一定程度导致边坡失稳破坏，现有成果对此研究尚有不足，本文将在此方面进一步深入研究。

1 边坡地质条件

毕威高速公路K86+680～K86+980段边坡长度约300 m，最大高度约60 m。边坡表层为粉质黏土，含少量风化岩碎屑，下伏石灰岩(如图1所示)。

图1 边坡整体

依据现场调查和钻探资料，边坡从上至下地层如下所示。

(1)粉质黏土：黄褐色-红褐色，硬塑-坚硬，该地层厚5～15 m，含少量风化岩碎屑。

(2)石灰岩：强风化，灰黑色-灰褐色，层厚3～8 m，岩体裂隙发育，结构较破碎。

(3)石灰岩：弱风化，灰黑色-灰褐色，层厚>10 m，工程性质较好。

2 边坡土体强度随降雨持续时间衰减规律

边坡土体强度随降雨过程不断衰减是边坡失稳的主要因素，而与边坡土体强度直接相关的是土体含水量。本节分别研究边坡含水量随降雨持续时间的变化规律以及边坡强度随含水量的变化规律，从而得到边坡强度随降雨持续时间的变化规律。

2.1 边坡土体含水量随降雨时间的测定

为准确测量降雨过程中土体含水量变化情况，现场含水量的测定采用EC-5土壤水分传感器来进行。根据现场地层条件，滑坡主要发生在浅层土层中，故选择在5 m深度测定土体含水量，每隔4 h记录一次，记录结果如表1所示。

表1 不同降雨条件下土壤含水量 %

2.2 土体强度参数随含水量的变化规律

通过土工试验得出粉质黏土在不同含水量条件下的强度，如表2所示。

表2 不同含水量条件下土体强度参数

用Origin将土体黏聚力和内摩擦角随含水量的变化规律拟合出来，如图2和图3所示。

图2 黏聚力随含水量变化关系

图3 内摩擦角随含水量变化关系

通过拟合得到土体强度参数黏聚力随含水量w的变化关系式为

(1)

内摩擦角φw随含水量w的变化关系式为

(2)

从图2和式(1)可以看出，土体黏聚力随含水量增大的变化规律接近指数减小，从图3和式(2)可以看出，土体内摩擦角随含水量增大的变化规律接近线性减小。

3 有限元模型建立与分析

3.1 有限元模型建立

根据现场边坡尺寸及地层情况建立有限元模型，边坡尺寸及地层信息如图4所示。

图4 边坡尺寸及地层情况(单位：m)

各地层物理力学参数如表3所示。

表3 各地层物理力学参数

3.2 结果分析

(1)降雨强度对边坡稳定性影响

依据气象部门对降雨强度标准划分，降雨强度参数取值为小雨0.4 mm/h，中雨1 mm/h，大雨2 mm/h，暴雨5 mm/h。不同降雨强度下降雨24 h后边坡稳定性的计算结果如表4所示。

表4 安全系数随降雨强度变化情况

将表4中不同降雨强度条件下边坡安全系数的变化规律用曲线图表示出来(如图5所示)。

图5 安全系数随降雨强度的变化关系

从图5得出降雨持时不变(24 h)的条件下，边坡安全系数随降雨强度的变化规律：边坡安全系数随降雨强度的增大而呈非线性减小，当降雨强度较小时，安全系数随降雨强度的增大而减小的速率相对较大，当降雨强度较大时，安全系数随降雨强度的增大而减小的速率相对较小，当降雨强度为大雨(即2 mm/h)时，经过24 h降雨，边坡安全系数小于1，边坡失稳。

边坡自然条件下的安全系数为1.45，暴雨条件下边坡安全系数为0.66，暴雨条件下边坡安全系数减小了54.48%，由此可见，强度大的降雨对边坡稳定性的影响巨大。

(2)降雨持续时间对边坡稳定性影响

分析大雨(2 mm/h)条件下，边坡安全系数随降雨持时的变化规律，计算结果如表5所示。

表5 边坡安全系数随降雨持时的变化情况

将表5不同降雨持时条件下边坡安全系数的变化规律用曲线图表示出来(如图6所示)。

图6 安全系数随降雨持续时间的变化关系

从图6得出降雨强度不变(2 mm/h)的条件下，边坡安全系数随降雨持续时间的变化规律：边坡安全系数随降雨持续时间的增大而接近线性减小。

边坡在自然条件下安全系数为1.45，大雨条件下持续降雨24 h后，安全系数减小到0.99，边坡安全系数减小了31.72%，由此可见，持续时间长的降雨对边坡稳定性的影响也是巨大的。

4 结束语

通过分析不同降雨条件下土体强度的衰减规律和降雨条件对浅层边坡稳定性的影响，得出以下几点结论：

(1)土体黏聚力随含水量的增大的变化规律接近指数减小，土体内摩擦角随含水量增大的变化规律接近线性减小。

(2)降雨持时不变的条件下，边坡安全系数随降雨强度的增大而呈非线性减小，当降雨强度较小时，安全系数随降雨强度的增大而减小的速率相对较大，当降雨强度较大时，安全系数随降雨强度的增大而减小的速率相对较小，当降雨强度为大雨(2 mm/h)时，经过24 h降雨，边坡安全系数小于1，边坡失稳。边坡自然条件下的安全系数为1.45，暴雨条件下边坡安全系数为0.66，暴雨条件下边坡安全系数减小了54.48%。

降雨量不变的条件下，边坡安全系数随降雨持时的增大而接近线性减小。边坡在自然条件下安全系数为1.45，大雨条件下持续降雨24 h后，安全系数减小到0.99，边坡安全系数减小了31.72%。

[1] 唐栋，李庆典，周创兵，等.考虑前期降雨过程的边坡稳定性分析[J].岩土力学，2013，34(11)：3239-3248

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Shallow slope stability analysis under the condition of rainfall