非饱和黄土边坡稳定性分析及影响参数研究综述

杨 惠，谢婉丽

(西北大学 大陆动力学国家重点实验室，陕西 西安 710069)

0 引言

黄土是在干旱半干旱条件下形成的具有多孔隙结构、柱状节理发育、粉质含量较高的沉积物。我国黄土主要分布于甘肃、陕西、山西等地区，自北向南随着风力运输，黄土颗粒逐渐减小，呈戈壁、沙漠、黄土带状分布［1－3］。由于其厚度差异较大，从十几米到几百米不等，地下水位埋深均较深，加上黄土分布地区降雨量小、蒸发量大，地表黄土往往处于非饱和状态［4－5］。近年来，由于极端天气影响，黄土高原地区地质灾害频发，严重威胁人类生命财产，因此，展开非饱和黄土边坡稳定性研讨具有非常重要的现实意义［6－7］。非饱和土与饱和土的工程特性差异非常大，非饱和土特性的研究包括饱和—非饱和渗流、体积变形以及抗剪强度的变化，其中抗剪强度变化可以通过安全系数来表达［8－10］。基于非饱和土力学研究理论，针对非饱和土边坡，国内外专家做了大量关于边坡稳定性分析的研究探讨。非饱和黄土边坡的稳定性与水有很大关系，在分析时排除埋深较深的地下水位影响，降雨成为影响其稳定性的主导因素［11－12］。降雨入渗导致土体内负孔隙水压增加，基质吸力减小，抗剪强度降低，稳定性系数随之降低［13－14］。目前分析边坡稳定性的方法非常多，除了传统力学计算方法和数值模拟方法外，随着科技进步和发展不断有新技术加入到边坡稳定性分析方法中，但核心内容仍旧是立足于土力学及数学模型［15－16］。基于数值模拟方法对进行稳定性分析时，必须选取合适的抗剪强度参数值，即便是在未进行试验获取参数的情况下，也可以通过反演分析确定合适的参数［17－19］，但是，边坡稳定性不仅仅只取决于抗剪强度参数的取值，还与其它因素有关，比如地形地貌，坡度及坡长，降雨强度及降雨量，人类工程活动等［20－21］。

1 非饱和土基本理论

非饱和土与饱和土特性差异较大，通常饱和土在分析时不需要考虑空气的影响，一旦包含空气，即便占比很小，都必须从非饱和土方向进行相关研究分析。对非饱和土特性的研究从饱和—非饱和渗流理论，即渗流系数的确定、体积变形和抗剪强度变化三方面进行［22］。

1.1 非饱和土有效应力研究

非饱和土被认为具有固体、水和空气三相，以及水气分界面——收缩膜［23］。收缩膜内外应力之差即为基质吸力，主导基质吸力变化的因素为土体含水量的变化，从而导致黄土的力学特性发生改变，为非饱和土特征研究的核心。为了建立含水量与基质吸力之间的关系，学者们将含水量与基质吸力的关系曲线定义为土－水特征曲线［24－29］。土水特征曲线以Van-Genuchten 模型应用最为广泛，确定方法一般为直接测量吸力大小及对应的体积含水量，得出拟合曲线［30－31］。通过图1 可以看出土体含水量变化影响基质吸力的变化，因此，在开展非饱和黄土边坡稳定性分析时，有必要开展不同含水率状态下的力学特性试验。

图1 土水特征曲线Fig．1 Soil-water characteristic curve

一般情况下，随着土体中含水量的增加，基质吸力逐渐减小，土体的抗剪强度随之降低，在一定程度上影响边坡稳定性［32－33］。有效应力决定了土体的强度和变形特性，国内外学者基于饱和土的有效应力概念，先后提出过多种非饱和土有效应力公式。饱和土的有效应力原理为饱和土中除孔隙水可以承担和传递应力之外，还有土体颗粒，当孔隙中的水排出时，孔隙水承担的应力转移到土颗粒上，因此定义土体中的总应力为有效应力与孔隙水压力之和［34］。初期，很多学者尝试采用单值有效应力或应力状态变量对非饱和土有效应力进行定义［35］，后经理论证明可用两个独立的应力状态变量对其进行定义［23］。目前广为人知的为Fredlund 等提出的双应力变量有效应力公式，引入影响净应力和基质吸力的系数［23］。国内外众多学者针对双应力变量有效应力公式中影响系数及参数进行理论分析及验证［36－43］。周学君等基于最小二乘支持向量机模型对非饱和土有效应力参数进行预测及优化［44］;陈正汉等在弹性理论的基础上提出了各向异性多孔介质与非饱和土的有效应力公式，概括了Bishop 和Skenmpton 公式［45］;Lu N 等在应力传递机理分析的基础上提出非饱和土有效应力的表达式［46］，汪时机等在双应力变量理论和VG 模型的基础上提出考虑土体变形和多孔隙的SWCC 方程［47］;周建认为非饱和土本构模型中应力变量应满足Houlsby 功率方程［48］。因此，在非饱和土有效应力关系建立的基础上，我们可以进一步选取合理的应力变量进行非饱和土本构模型的建立，从而进行非饱和土抗剪强度和体积变形的研究。

1.2 非饱和土渗流理论

非饱和土的工程特性相对饱和土来说比较复杂，近年来，针对非饱和土中水分的迁移现象研究日益增多。导致非饱和土灾害的主要因素为降雨，降雨入渗对非饱和土力学特性变化产生非常大的影响，降雨入渗量主要由渗透系数决定，同时，渗透系数也是影响非饱和黄土体积变形和稳定的因素之一［49］。因此，在分析非饱和黄土边坡稳定性时，需要对其渗透系数进行测量并开展理论研究，分析降雨入渗对非饱和黄土边坡稳定性的影响。饱和土与非饱和土的渗流理论都基于达西定律［50］，其中渗透系数为水的流速与水力梯度的比例系数，在一般分析中，饱和土的渗透系数接近常数，但非饱和土的渗透系数往往跟随含水量或基质吸力变化，可以表示为图2 所示的函数曲线，其横坐标可表示为体积含水量或基质吸力［51－52］。

图2 渗透系数曲线Fig．2 Hydraulic conductivity curve

渗透系数与很多因素有关，王铁行等对干密度影响下的非饱和黄土渗透系数变化进行实验分析，结果表明黄土越密实，其渗透系数变化越大［52］;楼平等对非饱和土渗透系数随注水次数变化的关系进行现场试验，得出渗透系数随注水次数增加而逐渐下降［53］;李永乐等证明渗透系数同基质吸力变化成反比，同围压、含水量变化成正比［54］;徐永福等经试验得出压应力会引起非饱和土进气值改变从而影响非饱和土渗透系数［55］。非饱和黄土边坡稳定性分析的基础在于渗透系数选取的合理性，国内外学者经过研究给出了直接测量非饱和土渗透系数的技术方法［56－58］，但考虑到直接测量成本较高，在实际分析非饱和黄土边坡稳定性时，很多学者基于土水特征曲线方程提出推测非饱和渗透系数的方法，并且经实验验证了其合理性［59－62］。

2 非饱和黄土边坡破坏机制

黄土作为典型的非饱和土，具有水敏性和湿陷性，陕西地区黄土层较厚，地下水位埋深较深，因此降雨成为黄土边坡发生破坏的主导因素，有些破坏也可由灌溉导致［63－64］。非饱和黄土边坡破坏机制与其抗剪强度有很大关系，抗剪强度与净法向应力和基质吸力有关，且两种应力变量对抗剪强度的影响均呈正比关系，净法向应力影响更大。一旦土体抗拉强度降低，便会产生不同程度的开裂或裂缝，进一步影响边坡的稳定性;非饱和土抗剪强度也与土体内的矿物组成、土体结构乃至分子间作用力等因素有关。国内外学者提出过很多非饱和土抗剪强度的表达式，基于Bishop抗剪强度表达式和摩尔库伦强度理论［65］。不考虑黄土高原地区地下水条件，影响边坡抗剪强度的外界因素主要为降雨，非饱和黄土边坡的破坏，与孔隙水压力关系很大［66－67］。大量学者基于非饱和土抗剪强度理论进行破坏机制的研究，均得出其与渗透系数和降雨量有关，一旦发生强降雨或连阴雨，降雨入渗土体导致饱和度增加，基质吸力减小并且引起抗剪强度的下降，极易发生边坡失稳，由降雨入渗导致的边坡失稳多数为浅层破坏［68－69］。因此分析非饱和黄土边坡在渗流或降雨作用下的稳定性，必须要考虑降雨入渗导致孔隙水压力的变化情况。

在探讨非饱和黄土边坡变形破坏机制时，必须结合黄土湿陷变形理论考虑体积变形问题，在某种程度上，可尝试将湿陷性转化成土体外荷载或自重产生的体积变形进行研究。高国瑞、雷祥义对黄土湿陷变形结构理论进行总结，阐明了黄土湿陷内外影响机制，其湿陷变形速度不仅与荷载及自重有关，而且很大程度上取决于土骨架的连结形式及孔隙大小［70－71］;陈存礼等对湿陷性黄土增湿减湿变形特性、强度特性进行系统探讨［72］;王娇等对轴平移技术对非饱和重塑黄土的土水特征及湿陷特性进行探讨，验证了V-G 模型，并表明非饱和土的结构屈服压力随吸力呈指数增加关系，而吸力一定、压力增大时，湿陷系数先增大后减小［73］。谢婉丽等从微观层面对黄土增湿变形形态进行研究，提出黄土中的可溶性物质是对湿陷产生起着重要作用［74－76］;付宏渊等研究了影响非饱和土抗剪强度的因素以及总结了用于非饱和土抗剪强度测试的新仪器，提出需要进一步从细观角度、结合工程实例、优化测试方法方面进行非饱和土抗剪强度理论的研究［77］。因此在分析非饱和黄土边坡破坏机制时，不仅需要从孔隙水压影响基质吸力层次进行考虑，还得将黄土的湿陷性考虑入内，国外关于膨胀土的研究很多，湿陷土与膨胀土在体积变形机制上恰恰相反，可借鉴其研究理论开展黄土湿陷研究;在分析阶段将弹性模量随基质吸力的变化考虑入内，则从某种程度上可转化为体积变形，从而构建其与湿陷变形的联系。随着新技术与新仪器的引入，可以从微观、细观角度开展土颗粒之间的分子力作用、结构及变形特征研究，结合宏观抗剪强度理论，结合具体边坡剖面监测数据，进行抗剪强度试验，进行边坡破坏机制及非饱和土抗剪强度理论的研究［78－79］。

3 非饱和黄土边坡稳定性分析方法

对非饱和土特性的研究，大多包含渗流问题、体积变形问题和抗剪强度变化问题。在对非饱和黄土边坡进行稳定性分析时，抗剪强度的变化通过稳定性系数的变化体现，因此必须将降雨入渗对土体内孔隙水压力的影响纳入分析范围内。现有边坡稳定性分析的方法大致分为定性分析和定量分析［80］，定性分析法主要基于野外调查，定量分析法基于数学力学模型［81］。

目前多数学者及岩土工程师采用极限平衡法进行稳定性分析，该方法由于简单、直观性被广泛应用，主要包括圆弧滑动法、条分法、bishop 法、Morgenstern-Price 法等［82－84］。但其在计算时必须假设滑动面位置及形式，不能做到绝对客观。因此随着电子信息技术的发展，大量可应用于模拟边坡稳定性的软件层出不穷，例如GEO-STUDIO、Plaxis、MIDAS/GTS、FLAC 等，其均以定量分析方法为基础，其中以有限元法(FEM)应用最为广泛，对野外勘探获取的已知剖面进行电脑建模，不需要假设滑动面，通过内置或编写的程序算法计算边坡稳定性，并且可以得出滑动面位置及滑动趋势［85－86］。数值模拟方法不仅方便简单，而且研究者可以任意假设外界条件，如地下水、降雨、地震等因子，分析外界因素对边坡稳定性的影响。也有学者建议将极限平衡法与有限元分析相结合进行综合分析，不仅保证结果的合理性，还加快了计算速度［86］。

基于各种数值模拟软件对非饱和土边坡稳定性进行分析时，首先要根据不同土体类型确定不同的渗透系数，结合测量或经验结果，确定土体内的初始孔隙水压力，确保在稳定流分析结束后能达到或接近非饱和状态的初始孔隙水压力;其次进行稳定性分析和非稳定流的分析，进行非稳定流分析时，降雨边界及降雨量的设置必须合理，在分析过程中随着降雨入渗，土体饱和度逐渐上升，基质吸力降低，从而引起边坡的抗剪强度参数变化及应力应变改变，最终输出结果形式为稳定性系数［85－86］。目前已有的数值模拟软件基本可以实现输出位移、应力、应变等变量的改变情况。

近年来，研究学者将数学、计算机、人工智能、统计学等学科与边坡稳定性分析相结合，提出基于模糊数学分析稳定性方法、三维边坡稳定性分析方法、可靠度评价方法、神经网络方法、灰色统计判别法等［87－89］。结合其他学科的提出新型的边坡稳定性研究方法必然也是未来的一个研究热点。

4 基于数值模拟方法对影响边坡稳定性参数的探讨

数值模拟方法分析边坡稳定性固然简单方便、省时省力，但其结果的准确性很大程度取决于抗剪强度参数选取的合理性。众多学者基于非饱和土力学理论、边坡破坏机制及边坡稳定性计算方法确定影响边坡稳定性的参数为黄土的抗剪强度，即为粘聚力c 和内摩擦角φ，并且安全系数随c 值呈现线性增加关系，随内摩擦角φ 呈非线性增加［90］。同时，土体重度变化对安全系数也有一定影响，但相对c、φ 影响来说较小［91］。

抗剪强度参数固然对非饱和黄土边坡稳定性的分析起主导作用，但渗透系数、坡高、坡率、坡体裂缝等外界因素也在不同程度上影响边坡的稳定性，对其进行研究的理论意义在于为边坡后期治理及灾害预防提供支撑。许多学者研究了降雨对边坡稳定的影响，并且提出降雨入渗模型，进行数值模拟的演算，结果表明强降雨导致边坡稳定显著降低，渗流系数对边坡安全系数的影响较小;同时基于数值模拟方法分析边坡稳定性时，边界条件也对安全系数有一定影响［92］。姚海林等对膨胀土边坡进行数值模拟稳定性分析，结果表明由于膨胀土渗透系数很小，降雨仅影响边坡浅表层，若坡体上有裂缝发育，则降雨对其稳定性影响越大，因此，在进行降雨入渗的稳定性分析时，必须要考虑裂缝的影响［93］。王星运等对膨胀土边坡稳定性受坡高、坡率的影响进行探讨，结果表明坡率越小，边坡稳定性越低，坡高对稳定性的影响并不大［94］。卢敦华等分析了结构面强度参数对边坡稳定性的影响，表明在不同结构面下，随着结构粘聚力的增大，边坡稳定性增加［95］。

综上，数值模拟结果的合理性基于选取参数的可靠性，尤其是抗剪强度参数的选取。在具体边坡稳定性案例分析时，必须结合现场监测数据及室内试验结果，选取合理的参数输入分析。分析其它外在因素对边坡稳定性的影响对预测边坡进一步变化趋势和边坡的防治具有重大意义，可根据稳定性结果反推出合理的设计坡率等。在数值模拟结果的基础上提出可能的防治手段，并更改参数设置，重新进行演算，便可提出有效可行的防治措施，具有十分重要的现实意义。

5 结论及展望

通过对非饱和黄土、边坡稳定性破坏机制、稳定性分析方法及影响参数进行分类归纳总结，提出结合现场监测数据与数值模拟相结合的手段对勘察边坡进行发展趋势模拟及稳定性演算的研究方法;在采用数值方法分析黄土边坡稳定性时必须将孔隙水压力的变化及可能由于湿陷导致的体积变形考虑入内，通过试验或反演分析确定合理的抗剪强度参数，从理论上清楚各参数如何影响边坡的稳定性;并且在有条件的情况下从微观层面探讨土骨架变形特征，从而系统地完成边坡稳定性分析。

在未来的非饱和黄土边坡稳定性分析研究中，仍需以非饱和土力学为基础，紧密结合岩土工程与地质工程其他学科，进行交叉研究分析。同时，有必要结合黄土微观结构测试仪器进行非饱和黄土微结构分析，由表及内总结非饱和黄土变形机制，紧密串联室内试验、数值模拟、黄土微结构分析三种方式进行非饱和黄土边坡变形机制研究。在勘察过程中如能采取数值模拟方式对现有坡体进行稳定性分析及变形模拟，并分析其主要影响因素，对其进行提前预防控制，对预防和减少黄土地质灾害均具有非常重要的理论及现实意义。