斜坡水-土力学作用研究发展与展望

廖忠浈

（广东省地质环境监测总站，广州510510）

斜坡水-土力学作用研究发展与展望

廖忠浈

（广东省地质环境监测总站，广州510510）

从饱和渗流力学作用和非饱和渗流力学作用两个方面阐述了水-土力学作用及其对斜坡稳定性影响的研究历史和现状，加强基质吸力影响因子研究和基质吸力对岩土体抗剪强度贡献的量化研究；考虑到地下水渗流作用与斜坡滑动的紧密关系，深化地下水渗流理论和渗流过程数值模拟技术研究。

水-土力学作用；斜坡稳定性；抗剪强度；地下水渗流

滑坡可能由降雨、地震、火山活动、工程活动或因素的不同组合诱发，其中降雨是最主要、最常见的诱发因素。据统计，我国90%滑坡是降雨诱发所致［1］。

自1925年太沙基提出关于降雨诱发滑坡的机制以来，降雨诱发滑坡机理的研究一直是地质灾害、岩土工程界关注的热点难点之一。而“降雨诱发滑坡”仅是直观说法，实际是降雨入渗转化为地下水及其与斜坡岩土体的复杂作用诱发了滑坡。

根据前人研究，可以将水与岩土体的相互作用概括为物理作用、力学作用和化学作用3种。考虑到水-土力学作用是致使斜坡体发生滑动的重要因素，本文将对斜坡水-土力学作用及其对斜坡稳定性影响的研究现状、存在问题及其未来的研究重点进行分析。

1 国内外相关领域研究进展

斜坡水-土体力学作用主要研究斜坡土体内地下水的渗流过程对斜坡土体的力学作用，包括饱和渗流作用和非饱和渗流作用。饱和渗流作用指的是静水压力和动水压力对斜坡土体的力学作用；非饱和渗流作用指的是地下水渗流过程中孔隙水液面张力引起的土体内吸应力变化。

1.1 斜坡稳定性分析

1.1.1 饱和渗流作用对斜坡稳定性的影响

1.1.1.1 静水压力对斜坡土体破坏影响

基于饱和土力学和渗流理论，最早研究斜坡岩土体内的饱和渗流作用及其对斜坡稳定性影响。20世纪20年代，太沙基［2］首先提出：静水压力的升高是导致斜坡潜在滑动面抗剪强度降低和斜坡体滑动的主要因素。直接揭露了渗流过程中孔隙静水压力升高对斜坡滑动的贡献。

1981年，张倬元等［3］在研究四川盆地暴雨滑坡中指出：高强度降雨入渗导致地下水在斜坡体内产生异常积聚和强烈流动，使得斜坡岩土体内孔隙静水压力升高、潜在滑动面上的有效应力迅速降低，从而诱发大型滑坡。可见早期人们较认同孔隙静水压力的增大是降雨诱发滑坡作用机理的观点。Y Yoshimi等［4］通过进行重复扭转剪切试验研究了斜坡的稳定性，结果表明接近饱和的土砂层在饱和度升高过程中会导致砂土液化和抗剪强度降低。Yoichi Okura等［5］通过倾斜水槽压缩填充砂土，并利用喷洒水模拟降雨，进行观测滑坡运动实验，发现：不排水条件下，突然载荷引起的斜坡滑动由降水渗流带动砂土颗粒向下压实砂层并产生破坏作用、饱和区孔隙水压力大幅度升高、滑体砂土层快速剪切3个过程。黄润秋等在研究四川省境内高强度暴雨作用下大型平缓顺层滑坡机理时发现，地下水在滑坡过程中起到了顶托、楔裂、促动的作用，滑坡的过程：“地下水汇聚-顶托、挤入-楔裂、溃裂-滑动”3个阶段。刘秩等［6］在研究重庆市彭水县沙子口滑坡时分析认为，高强度降雨入渗引起的滑带土强度降低和静水压力是碳酸盐岩地区基岩顺层滑坡的关键诱发因素，当斜坡体潜在滑动面的下滑力增大到大于抗滑力的总和时，坡体就沿前缘临空面产生了突然下滑形成滑坡。张明等［7］采用环形剪切试验对四川省青宁乡滑坡滑带土受剪过程进行了模拟，并在此过程中对试样的高度、剪切位移、静水压力和剪应力进行实时监测，结果表明，试样滑带土体内静水压力与剪切位移变化趋势趋于一致，剪应力随剪切位移值变大呈先增大后减小的趋势。当剪切位移达1000mm时，土样液化特征明显。结合地质模型分析认为土体内静水压力的上升是诱发青宁乡滑坡的主要因素。

1.1.1.2 动水压力对斜坡土体破坏影响

动水压力对斜坡土体的破坏主要有流土和管涌两种破坏模式。目前国内外研究主要集中于库水位变化引起的动水压力作用对斜坡稳定性的影响，降雨引起的动水压力作用研究较少。这可能是由于水库水位变化产生的动水压力作用对斜坡稳定性的影响更为显著。如胡修文等［8］采用物理模型试验研究的方法模拟了三峡库区赵树岭滑坡在不同水位、地震条件下稳定性情况，结果表明库水位从175m骤降到145m时，斜坡稳定性最差；水位变化引起的动水压力和地震扰动是该滑坡发生整体滑动的最可能因素。但是在滑坡地质灾害防治工作中，降雨引起的动水压力对斜坡稳定性的影响亦不容忽视，因为高强度或长持时降雨产生的动水压力易使斜坡土体细颗粒通过较大颗粒形成的孔隙发生运移，使斜坡土体颗粒粘聚力减小、抗剪强度降低，最终导致斜坡土体发生滑动。矫滨田等［9］在野外观测试验中发现，降雨过程中细颗粒逐渐从土体表面和土坡上部向坡角运移，堵塞渗流通路，这样可能使坡体内孔压增加，有效应力降低，土坡强度降低，导致滑坡。后又通过实验研究发现，沿土体深度方向细颗粒表现出下移趋势，中部细颗粒聚集程度最高；沿坡面方向，在离土面相同距离的位置条件下，由前往后细颗粒呈逐渐增多趋势。王志兵等［10］对蒋家沟流域泥石流源区两种不同分散性的风化残积土进行了室内土柱常水头渗透试验，发现土层颗粒的运移较为明显的影响土层的渗透性，靠近渗流入口处土层的渗透性都有增大趋势，而靠近渗流出口处土层的渗透性有减少趋势；而在降雨引发的渗流条件下斜坡土体的渗透性、组成结构与斜坡的稳定关系密切，这说明降雨引发的动水压力在长期作用下对斜坡的滑动有一定贡献。杜光波等［11］以宁夏马家村滑坡为例，研究了残坡积土斜坡的滑动机理。发现坡面裂隙是降雨诱发残坡积土的重要条件，降雨时会在裂隙中产生积水，导致雨水在斜坡中发生有压渗透，增加入渗量，使斜坡土体饱和区不断扩展，饱和区土体抗剪强度降低。同时，斜坡土体中的饱和渗流产生动水压力，增加斜坡下滑力。

上述研究成果为研究地下水饱和渗流作用对斜坡稳定性影响方面提供了重要理论、试验依据。但若将这些成果用于滑坡等地质灾害研究其针对性、可操作性及普适性还有待于提高。以往主要通过小范围野外观测和理想模型试验方法进行研究，其滑坡发生的环境条件与天然滑坡发生过程有很大差距。且各斜坡体各有其水文、工程地质特点，单个斜坡体试样的研究成果难以有效推广到其他滑坡灾害体研究。其次，在研究降雨型滑坡等地质灾害时，应考虑斜坡岩土体在降雨前后期含水量变化情况，事实上，大多数斜坡岩土体在降雨前甚至降雨一段时间之内都处于非饱和状态下，其物理、化学和力学性质会随着降雨的不断入渗产生相应变化，而这对斜坡的稳定性影响巨大，因此还要充分考虑斜坡土体内非饱和渗流力学作用。

1.1.2 非饱和渗流作用对斜坡稳定性的影响

20世纪50年代，研究人员通过改进原有设备制造出第1台非饱和土三轴试验仪，并进行了大量非饱和土力学试验。1978年，Frdelund等［12］得出适用于非饱和土体的双变量Morli-Coulomb抗剪强度公式，表明非饱和土的抗剪强度除了与有效内摩擦角、及法向应力有关外，还与吸力有关。1931年Richard建立了非饱和渗流问题研究的基本理论。1981年，Frdeulnd等提出了广义斜坡稳定性分析方法-普遍极限平衡法。

随着非饱和土力学和非饱和渗流理论的发展，人们逐渐认识到水-土力学作用机理研究中的重要作用，并开展了大量研究。L Lam等［13］系统论述了前人对斜坡土体渗流问题的研究，指出降雨入渗斜坡岩土体的渗流过程是饱和渗流和非饱和渗流的连续体。提出了一种二维有限元模型来模拟复杂地下水流动系统的瞬态渗流，并对边坡稳定性参数进行研究。结果表明，降雨入渗引起的非饱和渗流过程使斜坡土体基质吸力下降，安全系数降低，从而增大滑坡发生的可能性。缪林昌等［14］在非饱和土三轴试验的基础上提出了一种双曲模型来拟合并预测非饱和土的由吸力引起的抗剪强度，简称吸力强度，拟合、预测结果表明：非饱和土的有效凝聚力和有效内摩擦角与吸力无关；吸力内摩擦角随吸力的增加而减小，呈非线性；吸力对非饱和土的抗剪强度有一定贡献。T.T Lim等［15］对新加坡残破积土斜坡在降雨条件下基质吸力分布及变化进行了原位监测试验，试验针对裸露斜坡、有草地的斜坡和表面盖有帆布的草地斜坡进行了比较分析，发现在降雨的过程中斜坡基质吸力变化随土层深度快速减小，且基质吸力变化在裸露斜坡土层中表现最显著，而在覆盖有帆布的草地斜坡上最不明显，这说明基质吸力的变化程度与斜坡土体的渗透率呈正相关关系。詹良通等［16］采用人工模拟降雨的方法，对湖北枣阳非饱和膨胀土挖方边坡进行了原位综合监测试验，结果表明，降雨入渗造成斜坡上部土层中孔隙静水压力和含水率大幅增加，使得斜坡土体基质吸力的减小及土体吸水膨胀软化，从而导致斜坡岩土体抗剪强度的降低。黄润秋等［17］为研究降雨对滑坡基质吸力的影响，对基质吸力进行了观测研究，结果表明，基质吸力不仅与土体含水率的大小有关，而且还与滑体的结构和细颗粒土含量、颗粒组成及有机质含量有关。降雨与基质吸力仅在滑坡体上部存在对应关系，滑坡体中下部对应关系不明显。这也印证了降雨诱发滑坡多为浅层滑坡这一事实。戚国庆等［18］为研究基质吸力变化对斜坡位移的影响，对降雨条件下斜坡体中基质吸力变化产生应变进行讨论，发现斜坡非饱和土体积应变、孔隙比随基质吸力的增大总体呈增大趋势，并存在一定指数函数关系。进一步研究表明，斜坡的位移一方面是由于基质吸力降低引起了斜坡岩土体强度及斜坡稳定性下降，另一方面则是因为基质吸力减小导致了斜坡非饱和岩土体发生应变，从而产生位移。林鸿州等［19］通过压力板仪和直剪仪组合试验，探讨了击实土抗剪强度和基质吸力的关系，试验结果表明：非饱和土凝聚力在饱和度为40%～60%时最大，而内摩擦角则随饱和度增加而减小，且对于黏性和非黏性土来说，基质吸力的变化对抗剪强度参数的影响规律并不一致。张卢明等［20］通过室内模型试验与数值分析的方法，研究了降雨及地下水位变化时滑坡体及滑带土体积含水率与基质吸力的变化规律，结果表明，随着降雨入渗及地下水位的升高，滑坡体及滑带土体积含水率与基质吸力的变化趋势相反，前者逐渐增大，后者则呈减小趋势。滑坡体非饱和带中基质吸力沿深度方向上的分布与体积含水率的大小有关，在滑坡体与滑带土分界附近，基质吸力明显变小。基质吸力对滑带土抗剪强度的贡献受时间和区域影响。

综上所述，水-土力学作用经历了从单纯研究饱和渗流力学作用到饱和-非饱和渗流力学作用并重的过程。经过近百年发展，对斜坡水-土力学作用的认识不断深化，通过理论推导、室内试验和原位监测等方式逐渐找到了关于“静水压力、动水压力和基质吸力”等概念的定性、定量依据，也更深一步研究了应力分布、变化趋势及其对斜坡岩土体抗剪强度的影响，并取得了一些突破性成果。但在实际工作中，其工程应用并不广泛。除上文提到以往研究的样本较为单一，且试验及模拟环境与天然斜坡存在差距外，另外是因为基质吸力的测定技术复杂，其中极有可能存在一定误差，因此单一研究成果有其特殊性，很难有效应用于工程实践中；其次，虽然从这些成果中可以得到有关基质吸力变化的证据，但Fredlund抗剪强度公式中，与吸力相关的内摩擦角较难获得，使斜坡抗剪强度定量变化分析不易展开，因此也无法大量推广到工程应用中。

2 进一步研究展望

水-土力学作用是导致斜坡失稳的直接因素，绝大多数滑坡发生是由于斜坡体某一潜在滑动面的向下滑动力大于总抗滑力，进而导致斜坡体发生滑动。所以有必要加大对水-土力学作用及其对斜坡稳定性影响的研究。目前，普遍认同静水压力和动水压力对斜坡体稳定性的影响机理，并对斜坡滑动机制进行大量推演，但是对于非饱和渗流条件下，基质吸力作用及其对斜坡稳定性的影响仍然存在很多疑问，需进一步分析探讨。

2.1 加强基质吸力对岩土体抗剪强度贡献的量化研究

当前，人们普遍认为基质吸力降低是降雨诱发斜坡表层位移的直接因素，但对于基质吸力对非饱和土抗剪强度的贡献大小尚无定论，其量化研究还处于初始阶段。缪林昌等通过理论推导和试验证明，最终认为基质吸力对非饱和土抗剪强度有一定贡献。而林鸿洲、卢明等学者则认为基质吸力对不同种类、不同区域的滑带土抗剪强度贡献不同，但并未给出具体量化分析方法。考虑到基质吸力变化对斜坡稳定性的重要影响，因此有必要加大基质吸力对岩土体抗剪强度贡献的量化研究力度。

2.2 加强基质吸力大小影响因子研究

基质吸力大小不仅与土壤体积含水率有关，还与岩土体结构和细颗粒土含量等因素有关。目前，仅倾向于研究土体体积含水率与基质吸力的曲线关系，对其他可能因素则研究较少，会影响对土体内应力变化机制的探索。如果能基于非饱和土抗剪强度理论，通过理论推导和试验的方法对基质吸力与体积含水率、土壤性质、颗粒结构等参数关系进行逐一量化验证，即可预测斜坡滑动的力学作用机制，就可为斜坡体稳定性评价提供一个新的定量方法，对地质灾害尤其是滑坡的防治意义重大。

2.3 加强地下水渗流过程研究

无论是降雨诱发滑坡或水库水位变化引起的滑坡，地下水的渗流过程仍然是导致斜坡失稳的主要因素。但目前对于地下水在斜坡体内渗流过程还处于并不成熟的数值模拟阶段，无法有效获得真实的斜坡体内地下水渗流过程。因此在深化渗流理论研究和精确数值模拟技术上下功夫。

3 结语

通过分析饱和渗流力学作用和非饱和渗流力学作用，阐述了水-土力学作用对斜坡稳定性影响的研究，提出了应加强基质吸力影响因子研究和基质吸力对岩土体抗剪强度贡献的量化研究，应深化地下水渗流理论和渗流过程数值模拟技术研究，为滑坡等地质灾害防治工作提供了理论和技术支持。

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（责任编辑：王艳肖）

Development and prospect of the water-soil mechanic reactions in slopes

LIAO Zhong-zhen
（Guangdong Province Geological Environment Monitoring Station， Guangzhou 510510，China）

The water-soil mechanic reactions had great influence on the stability of slope.In this paper， the history and the state of water-soil mechanic reactions in slopes and its influence on slope stability are expounded in the two aspects of saturated seepage mechanics and unsaturated seepage mechanics.This paper proposed to strengthen the research of matrix suction influence factors and the quantization research of the contribution of matrix suction to shear strength of rock and soil mass.Considering the close relationship between groundwater seepage and slope sliding，this paper proposed to deepen the groundwater seepage theory and numerical simulation of seepage process.

water-soil mechanic； slope stability； shear strength； groundwater seepage

TV222

B

1672-9900（2017）03-0011-04

2017-03-30

廖忠浈（1989-），男（汉族），江西吉安人，助理工程师，主要从事地质灾害防治工作，（Tel）18565039895。