降雨作用下土石混合体边坡力学参数弱化规律与稳定性分析

刘明扬， 宋顶峰， 付晓东， 田 宁,4， 张振平,4

(1.中建国际投资(湖北)有限公司， 武汉 430071； 2.中国建筑国际集团有限公司， 香港 999077； 3.中国科学院 武汉岩土力学研究所， 岩土力学与工程国家重点实验室， 武汉 430071； 4.中国科学院大学， 北京 100049)

降雨是诱发土石混合体边坡地质灾害的关键因素，其对边坡的灾变行为可以总结为对坡体的增重、弱化、冲刷潜蚀和动静水压力等方面[1]。其具体影响效果主要体现在以下3个方面：①在强降雨作用下，非饱和边坡内部初始负孔隙水压力(即基质吸力)发生降低甚至达到0[2]，从非饱和状态转化为饱和状态，结合非饱和抗剪强度公式可以得到基质吸力的降低直接导致材料抗剪强度的降低；②降雨入渗作用导致材料内部含水量增加，造成坡体吸水重量增加，间接促进滑体向下发生滑动；③坡体材料的力学参数受到粒径分布、孔隙比、颗粒几何形态及含水量多项因素共同影响制约，其中含水量的增加有助于颗粒内部发生滑动和错动，必然导致黏聚力和内摩擦角的降低和弱化。在以往研究中对非饱和边坡稳定性的研究多停留在坡体材料由非饱和到饱和状态的变化，仅围绕孔隙水压力影响进行研究[3-4]。地表浅层材料多为松散堆积物质，内部含有粉质黏土等亲水土体材料，在降雨作用下矿物成分发生水解游离，和细小颗粒一起被渗流带出，材料参数弱化现象极为明显。因此，同时考虑降雨入渗与参数弱化对于土石混合体边坡稳定性分析具有重要作用。

针对上述问题，建立土石混合体强度参数随含水率劣化的经验估算公式；以西南地区典型土石混合体边坡为研究对象，将参数劣化估算公式用于降雨过程中材料参数的弱化处理，得到不同降雨条件下土石混合体边坡稳定性演化规律。

1 不同含水率条件下土石混合体抗剪强度参数弱化规律

不同含水率条件下土石混合体力学性质试验相关研究目前已有很多，部分研究结果如图1[5-9]所示。通过分析可以得到：①在含水率升高的条件下，土石混合体的黏聚力及内摩擦角均呈非线性下降趋势；②对于不同组构成分或块石含量的土石混合体，天然含水率状态下强度参数均不同，强度参数随含水率的衰减程度也有所不同；③黏聚力的衰减前后最大比例为4.3∶1，内摩擦角的衰减前后最大比例为2.92∶1，说明黏聚力对含水率变化更为敏感。

图1 黏聚力和内摩擦角随含水率分布

现阶段得到的参数折减公式包括抛物线、线性、幂函数及对数函数几类，见式(1)～式(8)[10-14]。考虑到土石混合体材料自身力学性质受到含石量、颗粒粒径、材料成分等多因素影响，因此基于含水率(ω)拟合得到的土石混合体强度折减公式具有较大局限。

c=0.025ω2-0.79ω+5.585

(1)

φ=-0.093ω2-0.735ω+22.93

(2)

c=-0.263ω2-3.18ω+44.35

(3)

φ=0.318ω2-3.735ω+23.97

(4)

c=-3.7835ω2+37.563ω+28.934

(5)

φ=-1.7523ω+35.157

(6)

c=4.09ω-0.85

(7)

φ=8.72ω-0.44

(8)

c=c0x-0.089(x2-5.93x+12.56)

(9)

(10)

式中：c0为天然含水率条件下混合体的黏聚力；φ0为天然含水率条件下土石混合体的内摩擦角。

为了对式(9)、式(10)的准确性进行验证，对国内外已有文献中不同含水率条件下混合体力学试验结果进行搜集[5-12, 14-30]。将试验结果与拟合公式的计算值进行比对后如图2所示。结果显示，黏聚力实测值与预测值的相关性较好，决定系数达到0.947，数据点基本上紧密分布于y=x数据线两侧，部分数据位于±15%误差区域外，但总体上与实测值差距较小。

图2 黏聚力和内摩擦角预测值与实测值对比

相比于黏聚力值，内摩擦角的预测效果相对较差，位于±15%误差区域以外的数据点数量相对较多。这一现象说明，混合体的内摩擦角在发生遇水劣化时并不仅随含水率的变化而发生规律性变化。已有研究也表明，受到混合体组分性质及含石量的影响，混合体内摩擦角对含水率变化的敏感性有所不同。因此，在后续研究中应当适当考虑含石量等其他物性指标对内摩擦角遇水劣化效应的分析。

2 考虑抗剪强度参数弱化的边坡稳定性分析流程

在对典型堆积体边坡进行稳定性分析时，利用商业二维软件Geostuidio开展相关数值模拟工作。该软件为研究人员提供了较为完善的非饱和渗流计算模块SEEP/W及基于极限平衡理论计算边坡安全系数的SLOPE/W模块。

在SEEP/W模块中，基于软件提供的样本函数可以对非饱和材料的水力渗透性能进行定义，确定材料的水土特征曲线及渗透系数变化曲线。基于饱和-非饱和土体渗流的达西定律，求解渗透方程后即可获得关键时步各节点的孔隙水压力；随后利用非饱和强度理论对该条件下材料的非饱和强度进行计算，根据潜在滑移面位置对边坡安全系数进行求解。

虽然Geostudio软件中对于渗流和安全系数的计算已经较为成熟，但并未考虑到参数存在遇水劣化特性时对边坡稳定性的影响。基于此，通过商业软件Geostudio的SEEP/W和SLOPE两个独立模块进行渗流场和安全系数的计算。可以通过该方法实现两个模块间的引用：利用SLOPE模块本构材料设置中提供的空间mohr-coulomb参数选项，通过提供区域内不同节点坐标及对应强度参数值，使用线性差值方法对区域内力学强度性质进行描述。具体计算流程如图3所示。

图3 计算流程

3 典型土石混合体边坡模型与分析方案

选取西南地区某公路典型土石混合体边坡为研究对象，坡体岩土地层依次为粉质黏土、强风化砂砾岩、泥质粉砂岩及基岩，其中强风化砂砾岩内部呈碎块及碎石土状。结合地质钻孔及勘测资料搭建的分析模型高度为103.6 m，长为220 m，如图4所示。考虑降雨对边坡稳定性的影响，各岩土地层的力学参数见表1，强风化区域材料的渗流力学参数如图5所示。

图4 计算模型

表1 岩土力学参数

图5 强风化砂砾岩及粉质黏土的渗流力学参数

在考虑土石混合体力学参数弱化的基础上，边坡稳定性分析围绕降雨因素进行。降雨强度分为10、15、20、25 mm/d 4种，降雨持时分为5、10、15 d 3种，共开展12个降雨强度与降雨持时条件下的边坡响应计算。

4 土石混合体边坡稳定性分析

为了考察不同降雨条件对土石混合体边坡稳定性的影响规律，重点开展以下5种降雨方案的分析：10 mm/d，15 d(方案1)；15 mm/d，10 d(方案2)；20 mm/d，15 d(方案3)；25 mm/d，15 d(方案4)；25 mm/d，5 d(方案5)。

对不同深度点孔隙水压力进行监测，孔压变化图6所示。方案1、3和4分别在15 d降雨持时条件下，设置强度为10、20、25 mm/d的降雨。在相同持时条件下，孔压变化深度和变化值均随强度的增加而增加，以地表浅层1.2 m处为例，方案1中降雨最终时刻孔压为-83.65 kPa，对于其余两种方案下孔压为-34.27 kPa和-27.46 kPa。降雨过程中湿润锋逐渐向下运移，材料内部水分进行补给，负孔隙水压力发生降低。降雨强度由10 mm/d升高至25 mm/d时，湿润锋的最远运移深度也从3.6 m上升至6 m。对于相同降雨强度不同降雨持时作用下，如方案4和5，可以明显看出降雨持时较短直接导致降雨量降低，因此孔压变化幅度偏小。对于同一深度降雨持时扩大5倍的条件下，降雨最终时刻孔压约降低1/10～2/5。对于方案2和方案3，两者降雨量均为150 mm，虽然降雨持时不同但是不同深度孔压较为接近，尤其地表区域基本保持一致。但在15 d降雨持时作用下，其负孔压降低程度稍大。

图6 不同方案下不同深度孔压变化

不同降雨方案下边坡安全系数的变化趋势如图7所示。其中明显可以看到方案1、3、4三种降雨强度所对应的最低安全系数分别为1.331、1.33和1.283，随强度的增加顺次降低。方案5与方案4中前5天安全系数基本相同，说明降雨持时只是主要影响渗流的入渗持时，并不影响入渗量。方案1和方案2在降雨结束时刻安全系数相差较小，说明降雨量是控制安全系数变化的重要因素，在降雨完全入渗的前提下，相同降雨量下对边坡稳定性的影响相同。

图7 不同方案下的边坡安全系数

针对所有15个计算方案，将不同降雨持时及强度作用下坡体安全系数绘制于三维图表，如图8所示。可以发现，降雨强度及持时与安全系数整体呈现负相关关系，随降雨持时的增加，降雨强度的变化对安全系数的扰动作用更大。降雨强度从 10 mm/d 扩大到25 mm/d的过程中，3种降雨持时对应安全系数的降低依次为0.014、0.021和0.046。

图8 边坡安全系数与降雨强度及持时的关系

降雨量与安全系数的定量变化关系如图9所示，结果显示降雨量与安全系数呈明显的线性关系，拟合曲线为y=-0.000 2x+1.361 2。结合规范[31]，降雨条件下边坡安全系数下降至1.2发生破坏，依据本研究获得的拟合公式可知在降雨量达到800 mm时该边坡可能发生局部破坏。

图9 不同降雨量下安全系数分布

5 结论

1)结合国内外土石混合体试验数据，建立了土石混合体强度参数随含水率的非线性演化关系，该表达式可以较好地反映实际工程中降雨作用下土石混合体边坡强度力学参数的弱化效应。

2)降雨持时相同时，降雨强度的增加直接引起入渗降雨量增加，导致边坡安全系数持续降低，坡体内部孔压变化深度也随之增大；在降雨完全入渗的条件下，降雨持时的改变只是原降雨过程中某一时刻的值的体现，对边坡稳定性影响不大；降雨量相同时边坡响应情况基本一致，边坡安全系数与降雨量密切相关，且呈明显的负相关线性关系。