降雨入渗非饱和花岗岩残积土边坡稳定性分析

张淑宝

(漳州厦蓉高速扩建工程有限公司 福建漳州 363000)

降雨入渗非饱和花岗岩残积土边坡稳定性分析

张淑宝

(漳州厦蓉高速扩建工程有限公司 福建漳州 363000)

针对福建地区典型边坡，基于非饱和渗流理论以及非饱和土力学理论，分析降雨入渗条件下边坡形态(高度、坡率)、物理力学参数(密度、有效黏聚力、有效内摩擦角)等对边坡渗流场与稳定性的影响机理。结果表明：降雨对矮边坡稳定性的影响明显更强。降雨过程中，天然含水量越大，边坡安全系数下降越快。边坡稳定性随土体有效粘聚力和有效内摩擦角的增大而增大，变化率分别为0.0426/kPa、0.0319/°。粗粒土边坡滑裂面基本为直线，易形成边坡浅部失稳。增大有效粘聚力降低有效内摩擦角，边坡滑裂面逐渐向边坡深部发展，同时滑裂面的形状逐渐由直线转变为曲线型。

路基边坡；降雨；非饱和渗流；力学响应

0 引言

福建地区地处山区，素有“八山一水一分田”之称，境内存在大量降雨型滑坡，据统计，2006年“珍珠”“桑美”等台风特大暴雨，引发了3000多处地质灾害。2009年的“莫拉克”台风导致福建省发生了滑坡共计389处。因此，降雨诱发边坡失稳机理研究始终是工程界的热点。自从考虑非饱和渗流和非饱和土力学理论后，国内外学者对降雨诱发非饱和边坡失稳机理进行了大量研究，获得了较为丰硕的成果[1-5]，这些成果对于进一步认识降雨型滑坡失稳机理具有重要意义。然而，上述成果对于花岗岩残积土研究较少，实际上，福建省境内近30%面积分布广泛花岗岩。基此，本文针对福建省典型花岗岩残积土边坡及降雨特点，采用有限元Geo-Studio软件中的Seep/W和slope模块模拟降雨入渗的过程，分析降雨入渗条件下边坡形态、物理力学参数等对非饱和边坡渗流场和稳定性的影响规律。

1 非饱和土抗剪强度理论

采用Fredlund等1978年提出非饱和强度准则[6]：

τf=c′+σn-ua)tanφ′+(ua-uw)tanθb

(1)

式中，

τf为非饱和土抗剪强度；

c′、φ′分别为有效粘聚力和有效内摩擦角；

φb为吸力内摩擦角；σn为总应力；

ua-uw为土体的基质吸力；

Δc′=(ua-uw)tanφb表示有效凝聚力随(ua-uw)的增量。

2 数值分析算例与及计算工况

2.1 计算模型及参数

数值模拟网格划分如图1所示，边坡坡率为1∶0.75，由上而下分两层，基本物理力学参数如表1所示。土-水特征曲线以及渗透曲线均是含水率的函数，其中土-水特征曲线采用滤纸法测得，并采用V-G模型拟合得到，如图2所示。降雨强度的选取结合台风期降雨强度观测资料，取50mm/d。

图1 数值计算模型(单位：m)

土层γ(kN/m3)E(MPa)ϑ(%)ks(m/s)c′(kPa)φ′(°)φb(°)表层181039．251．588e-6252010下层192039．251．588e-8352613

注：γ为土体的重度，E为土体的杨氏模量，ϑs为土体的饱和体积含水量，ks为土体的饱和渗透系数。

2.2 降雨边界

降雨边界分两种工况：

(1)当降雨强度小于土体入渗能力时，雨水全部入渗，入渗速率取降雨强度，边界条件为Neumann边界[7-10]：

(2)

(2)当降雨强度大于土体入渗能力时，将形成积水模式，入渗速率取饱和渗透系数，边界条件转为Dirichlet边界：

(a)土-水特征曲线

(b)上层土渗透曲线

(c)底层土渗透曲线图2 土-水特征曲线和渗透系数曲线

(3)

3 不同条件边坡的稳定性

3.1 边坡形态的影响

3.1.1路基高度的影响

表2为不同路堑的边坡高度在50mm/d降雨条件下稳定性计算结果。由表2可见，不考虑降雨条件下，边坡高度由6m增加至14m时，其安全系数由1.777下降到1.121，其变化率(安全系数差值与边坡高度差值比)为0.082/m，可见边坡高度对边坡稳定性的影响非常明显。在降雨作用下，矮边坡受到的影响大，如在降雨持续24h时，6m与12m高边坡安全系数分别下降了0.04、0.008，原因是由于边坡较高时，雨水下渗到坡底深处所需要的时间更长。

表2 不同路堑边坡高度的安全系数

3.1.2路基坡率的影响

取0.5、0.75、1、1.5等4种不同坡率，如图3所示，计算边坡在50mm/d降雨强度持续24h时的安全系数，结果如表3所示。由表3可知，不考虑降雨条件下，边坡坡率由0.5增加到1.5时，其安全系数由1.356上升到1.961。而在降雨24h后，各种坡率的边坡安全系数分别下降0.021、0.014、0.026、0.025。由此说明，在降雨持时较短时，表层土体水分未渗入边坡，因而边坡稳定性与坡率的关系不大。

图3 不同坡率模拟模型

坡率持时(h)安全系数0．50．751．01．501．3561．4511．6221．96161．3501．4441．6181．959121．3451．4391．6151．954241．3351．4371．5961．936

3.2 土体的物理力学参数的影响

3.2.1天然含水量的影响

表4为降雨强度为50mm/d时，不同天然含水量边坡安全系数随持时的变化规律。不考虑降雨条件时，边坡的稳定性随土体天然含水量的增大而减小，原因在于当含水量较低时，土坡体比较干燥，基质吸力比较大，在降雨条件下，雨水入渗大部分首先被上部土体吸收，下渗的雨量不多，且速度较慢，除了在接近坡脚的地方有所抬高，深部土体的含水量改变不多。如含水量从30.6%上升到39.2%，边坡安全系数下降了0.254。在降雨过程中，天然含水量越大，边坡安全系数下降越快。原因在于天然含水量越大，坡体的饱和程度越高，雨水的入渗速率快，在相同降雨条件下，水位上升得更快、更高，土体抗剪强度越低。如在降雨持续6h时，30.6%条件下仅下降了0.007，而含水量为39.2%的情况却下降了0.296。

表4 不同天然含水量下边坡的安全系数随持时变化

3.2.2土体重度的影响

降雨强度为50mm/d时，不同土体重度的边坡安全系数在降雨前与降雨后24h的计算结果如表5所示。由表5可知，不考虑降雨的情况下，重度从16kN/m3增至19.5kN/m3时，其安全系数由1.601降至1.387，降幅达0.214；在降雨持续24h后，不同重度对应的边坡，其安全系数变化值不同，如重度为16kN/m3的安全系数下降了0.046，而重度为19.5kN/m3时的安全系数仅下降了0.016。因此，重度越大，其边坡稳定性对降雨的影响越不敏感。

表5 不同重度时路堑边坡的安全系数

3.2.3有效粘聚力的影响

降雨强度为50mm/d时，不同有效粘聚力的边坡安全系数在降雨后24h的计算结果如图4所示。在相同条件下，边坡稳定性随土体有效粘聚力的增大而增大，变化率为0.0426/kPa。党靖[6]等通过试验研究了土体强度参数与含水量的关系表明，强度参数粘聚力和内摩擦角随含水量的增加而减小，当含水量达26%后，粘聚力随含水量增加而减小的趋势减缓。由此可见，雨水入渗，一方面使粘土中的粘土矿物产生水化作用，粘土中产生离子交换作用，即将易溶胶结物带走，颗粒间的结合力减弱，有效粘聚力降低，同时，雨水的润滑作用使得颗粒之间的摩擦力降低。另一方面，坡体含水量增大，离子的浓度逐渐降低，颗粒间扩散层厚度增大，强度降低，即降雨入渗使得边坡土体的有效粘聚力降低。

图5为不同有效粘聚力下的边坡最危险滑裂面的形状示意图。可见，当有效粘聚力接近零时，土体由粗粒组成，如砂或砾石土等，其滑裂面基本为直线，并且滑裂面一般位于边坡浅部，从而易形成边坡浅部失稳；随着有效粘聚力的增大，边坡滑裂面逐渐向边坡深部发展，同时滑裂面的形状逐渐由直线转变为曲线型。

图4 安全系数-有效粘聚力关系曲线

3.2.4有效内摩擦角的影响

图6为在降雨24h(降雨强度为50mm/d)后不同有效内摩擦角的边坡安全系数计算结果。稳定性系数随土体有效内摩擦角与有效粘聚力有相同的变化趋势，其变化率为0.0319/°。图7为不同有效内摩擦角下的边坡最危险滑裂面的形状示意图。当土体有效内摩擦角较大时，其土体粗颗粒较多，因而滑裂面接近一直线，并且位于边坡浅层。当土体有效内摩擦角逐渐较小时，边坡的滑裂面逐渐向边坡深层发展，同时，滑裂面的形状也随之变为曲线型，这与有效粘聚力的变化趋势相反。

4 结论

(a)c′=10kPa

(b)c′=20kPa

(c)c′=35kPa图5 不同有效粘聚力在50mm/d降雨强度作用24h时最危险滑裂面

图6 安全系数-有效内摩擦角关系曲线

(1)在降雨作用下，边坡高度对边坡稳定性的影响非常明显。由于边坡较高时，雨水下渗到坡底深处所需要的时间更长，因而相对于高边坡，矮边坡稳定性受到的影响更大。在降雨持续较短时，表层土体水分未渗入边坡，因而边坡稳定性与坡率的关系不大。

(a)φ′=5°

(b)φ′=15°

(c)φ′=25°

(d)φ′=35°图7 不同有效粘内摩擦角在50mm/d降雨强度作用24时最危险滑裂面

(2)不考虑降雨条件时，边坡的稳定性随土体天然含水量的增大而减小。在降雨过程中，天然含水量越大，边坡安全系数下降越快。边坡重度越大，其边坡稳定性对降雨的影响越不敏感。

(3)有效粘聚力和有效内摩擦角对边坡稳定性影响显著，对滑裂面位置影响较大。在相同条件下，边坡稳定性随土体有效粘聚力和有效内摩擦角的增大而增大，变化率分别为0.0426/kPa、0.0319/°。

(4)土体由粗粒组成，如砂或砾石土等，其滑裂面基本为直线，并且滑裂面一般位于边坡浅部，从而易形成边坡浅部失稳；随着有效粘聚力的增大或有效内摩擦角的降低，边坡滑裂面逐渐向边坡深部发展，同时滑裂面的形状逐渐由直线转变为曲线型。

[1] Sun Y，Nishigaki M，Kohno I.A stusy on stability analysis of shallow layer slope due to raining permeation[C]//In：Proc.of the 1st Int.Conf.on Unsaturated Soil.Rotterdam：Balkema，1995，1135-1141.

[2] Fredlund D G，Xing A.The relationship of the unsaturated soil shear strength to the soil-water characteristic curve[J].Can.Geotech.J.,1996，33：440-448.

[3] 徐晗，朱以文，蔡元奇，等.降雨入渗条件下非饱和土边坡稳定分析[J].岩土力学，2005，26(12):1957-1962.

[4] 魏宁，茜平一，傅旭东.降雨和蒸发对土质边坡稳定性的影响[J].岩土力学，2006，27(5):778-786.

[5] 崔溦，杨建,刘丽.连续降雨作用下非饱和土边坡的稳定性分析[J].水文地质工程地质，2007(3)：55-57.

[6] 党靖，胡李俐，南帅.含水量及天然密度对土体抗剪强度参数的影响研究[J].中国西部科技，2007，9 (5)：14-15.

[7] 唐栋，李庆典，周创.考虑前期降雨过程的边坡稳定性分析[J].岩土力学，2013,34(11)：3240-3248.

[8] 邓福根，金爱兵，李龙福，等.降雨和蒸发对粉质黏土边坡稳定性影响分析[J].采矿工程，2012,5(33)：27-31.

[9] 刘子振，言志信.降雨入渗非饱和黏土边坡稳定性的极限平衡条分法研究[J].岩土力学，2016，37(2)：351-356.

[10] 李庚，陈超，蒋斌，等.降雨入渗的红黏土边坡稳定性分析研究[J].山东交通科技，2017(1)：36-74.

StabilityAnalysisonUnsaturatedGraniteResidualSoilSlopeUndertheRainfallAction

ZHANGShubao

(Xiarong Expressway Expansion Project Limited Company,Zhangzhou 363000)

This paper indicates that the influence mechanism of some factors including slope shape (e.g.height,slope),physical and mechanical parameters (e.g.density,effective cohesion and effective internal friction angle) on slope seepage field and stability for typical slope in Fujian Province based on the unsaturated seepage theory and unsaturated soil theory.The results show that rainfall has greater influence on low slope.The slope with high water content is easy to be instable during the rainfall process.The safety factor of slope increases with the increase of the effective cohesion and effective internal friction angle of the soil,and the change rates are 0.0426 / kPa and 0.0319 /°,respectively.The slippery surface of the coarse-grained soil slope is straight and shallow slope will tend to be instable.With the increase of the effective cohesion or the decrease of the effective internal friction angle,the slope slip surface will locate in the deep of slope and the shape of the sliding surface will tend to curve gradually.

Rainfall; Slope; Unsaturated seepage; Mechanical response

张淑宝(1972- )，男，高级工程师。

E-mail:804298921@qq.com

2017-08-21

U416.1

A

1004-6135(2017)12-0074-05