不同降雨速率对红黏土边坡稳定性的影响

李继民

摘 要：降雨入渗是边坡工程中的一个常见物理现象，也是许多边坡工程事故的主要诱发因素之一。文章以某高速公路红黏边坡工程为研究对象，建立了降雨入渗条件下渗透场和应力场的耦合控制方程，结果表明，降雨速率对边坡的稳定性影響很大，容易引发边坡更深土体的强度降低，造成黏土边坡表层失稳。

关键词：降雨速率;红黏土;边坡稳定性;影响

中图分类号：TU446;U213.1+3 文献标识码：A     文章编号：1001-5922（2021）10-0144-04

Influence of Different Rainfall Rates on the Stability of Red Clay Slope

Li Jimin

（Shenzhen Guanghuiyuan Environment Water Co.， Ltd.， Shenzhen 518000， China）

Abstract：Rainfall infiltration is a common physical phenomenon in slope engineering， and it is also one of the main inducing factors of many slope engineering accidents. Taking a red-sticky slope project of an expressway as the research object， this paper establishes the coupling control equation of the seepage field and the stress field under the condition of rainfall infiltration， and the results show that the rainfall rate has great influence on the stability of the slope， which is easy to cause the strength of deeper soil of the slope to decrease， and cause the instability of the surface of the clay slope.

Key words：rainfall rate; red clay; slope stability; impact

0 前言

高速公路建设过程中往往会遇到一些特殊的地基土，红黏土就是其中的一种，这种地基土的物理力学性质同一般黏土相比较有较大的不同，其自身具备孔隙大以及含水量高等特点。工程建设过程中，通常会涉及到挖填方边坡工程[1]，在这种地基土上开展施工活动时，因为红黏土具备的特殊性质，会对边坡工程产生一定的影响，若红黏土边坡的坡率在1∶1.5之下，边坡会在降雨影响下发生破坏，在应用圆弧滑动分析方法进行分析时，最终得到的分析结果并不具备较高的准确性，主要原因在于：红黏土的渗透强度及渗透系数会随含水率的变化而发生变化，当发生降雨时，随着雨水的不断渗入，红黏土中的含水率逐渐提升，最终转化为饱和土，该过程中红黏土的安全系数也呈现出不断下降的状态。张海德等人对降雨条件下非饱和土路基边坡的稳定性进行详细分析[2]，将细粒土边坡以及粗粒土边坡作为研究对象，分析不同降雨强度下两种土质的稳定性情况，最终得出：与细粒土边坡相比，降雨强度对粗粒土边坡的影响更大。李庚等人对降水入渗的红黏土边坡稳定性进行分析[3]，实际研究中通过应用基本力学参数展开实验分析，得出红黏土基本力学参数。本文研究中，将具体工程作为实际研究对象，对不同降雨速率情况下红黏土边坡稳定性变化进行分析，具体如下。

1 降雨入渗导致的暂态渗流场及强度场

分析土坡稳定性过程中，若地下水位埋藏较浅，饱和及非饱和位置处的地下水运动存在一定的联系，因此需要统一进行两者的渗流分析，简单而言就是同时分析饱和以及非饱和流动问题，列出公式：

公式（1）表示的是非稳态渗流的偏微积分方程式，其中，γω表示水的容重;mω表示水体积变化系数;kx表示x方向的渗透系数;ky表示y方向的渗透系数，对于各向同性的土而言，由于水的渗透系数相同，可另式中kx=ky=k（ua-uω）。处于饱和区时，水的渗透系数会与饱和渗透系数ks相等，并且mω也会无限接近水的体积变化系数mv;处于非饱和区时，k=k（ua-uω），得到基质吸力函数。

将各个已知系数代入公式（1）中进行求解后，可以得到坡体内的渗流场，这一环节可以通过Seep/W软件求解公式（1）。关于边界条件可以这样理解：若降雨强度超过体渗透系数，可应用定水头边界条件;若降雨强度未超过体渗透强度，则应用流量边界条件，根据实际情况选择即可。

2 渗流场及应力场的基本控制方程

边坡出现失稳破坏情况主要的一个原因就是降雨入渗[4]，在降雨过程中，会加大土体中的含水量，这种情况下，会增大孔隙水压力、降低土体基质吸力，并且降低土体的抗剪强度，最终大大降低了边坡的稳定性。此外，在含水量的逐渐增大下[5]，土质边坡粘聚力会不断下降，极易造成边坡失稳问题的出现[6]。图1为降雨环节边坡含水率分布情况，图2为降雨环节边坡孔隙水压力分布情况。

通过对图1以及图2进行分析，可以得出，降雨刚开始时，地表水会逐渐向土体中渗入，缓缓进入到达土体表面浅层，降雨持续一段时间逐渐增大后，雨水会继续向土体中渗入，上层区域含水量逐渐饱和。降雨入渗环节[7]，由于路基顶面含有碎石料，使得该区域存在较强的透水性，雨水渗透速度较快，而处于碎石料下方的路基由于渗透性较差，雨水渗透速度则变得较为缓慢，最大入渗深度大概为3m，由此可见，红黏土路基边坡降雨入渗存在一定的限制，渗流场偏微分方程如公式（2）：

公式（2）中，kx、ky、kz分别表示在 x轴、y轴、z轴方向土体的渗透系数;hm表示压力水头或基质势;hw表示基质吸力水头;Q表示降雨量;t表示降雨时间;ω表示体积含水率。土的总应力公式如公式（3）所示。

在公式（3）中，σ′表示土的總应力;σ表示土的有效应力;uw表示孔隙水压力。

针对非饱和土而言，其有效应力公式如公式（4）所示。

在公式（4）中，X表示饱和度相关系数，大小在0～1之间;ua表示空气压力;ua-uw表示基质吸力，饱和状态下，基质吸力为0，即ua=uw。

摩尔库伦准则如公式（5）所示，将公式（4）代入其中，得到公式（6），?′表示有效内摩角。

对公式（6）进行分析，不难发现基质吸力会对土体的抗剪强度产生相应影响，即可以这样认为，在土体含水率发生变化后，土体的抗剪强度也会发生相应变化，两者存在一定的关系。

降雨入渗过程中，若只是单纯考虑基质对抗剪强度产生的影响或渗流变化是不合理的[8]，随着雨水的逐渐渗入，非饱和红黏土会逐渐变为饱和，此时会对土中渗流场及基质吸力造成影响，所以，饱和度发生变化时，土中的应力场也会产生相应变化，基于Biot固结理论可列出公式（7）。

假设ua=0，与公式（2）、（3）、（5）结合得出公式（8）。

如公式（8）所示，其表示降雨入渗条件红黏土渗流场及应力场控制方程，在得知边坡初始应力及渗流边界条件后，可做出实际计算，求出渗流场及应力场控制情况。

3 数值模型建立及分析

笔者基于实际工程实例下，开展实验分析，构建出的计算模型如图3所示。边坡长度为8m，高为5m，坡脚、坡顶与各边距离均为3m，土体的物理力学参数详如表1所示。

在前文叙述中，已经表明土体饱和度与应力场以及渗透场息息相关，通过“土水特征曲线”表示土体基质吸力与饱和度两者的关系，通过“渗透性函数”表示土体渗透系数与饱和度两者间的关系，以上提出的函数实际目的是描述出土体的实际特征，本文选择 Van Genuchten 函数进行模拟，得出公式（9）与公式（10）。

公式（9）中，kw表示任意饱和度下的土体渗透系数;kws表示饱和土体的渗透系数，本研究中kws的值为2.88×10-3mm/s。

公式（10）中，Se表示最大饱和度;Si表示任意饱和度。

通过软件模拟得出两条拟合曲线，图4表示计算模型土水特征曲线，当饱和度为0.58时，得到基质吸力为1.0m;图4表示计算模型土的渗透性函数，当基质吸力为1.0m时，得到渗透系数为0.002 mm/s，详细如图4、图5所示。

在本研究中，主要进行两种不同工况的分析，通过利用模型做出实际模拟，详细掌握不同情况下的边坡安全系数具体数值，两种工况的降雨总量一致，均为350mm，将工况1的降雨速率设置为50mm/d，并分为3个阶段进行加载，分别为1、2和4d;而将工况1的降雨速率设置为50mm/d，并分为3个阶段进行加载，分别为2、5和7d，模拟得出不同情况下的安全系数值。

4 计算结果分析

如表2所示，工况1降雨速率快，工况2降雨速率慢，通过对两种不同工况下的边坡安全系数进行计算，得出各自的安全系数以及破坏面深度情况，在降雨量的不断增加下，两种工况下的边坡安全系数呈逐渐下降趋势，并且破坏面深度也逐渐降低，产生这一现象的主要原因是在雨水不断渗入下，土体的饱和度逐渐增加，导致基质吸力降低，从而使得土体安全系数逐渐下降。同工况2比较而言，工况1降水速率更快，在达到350mm降水量时，安全系数为1.0754，破坏面深度为1.05m，均小于工况2的数值。

土层深度越深，降雨入渗对土体的影响也会逐渐降低[9]，表层土是含水率最大的区域，所以，这一位置处的基质吸力、抗剪强度也会受到降雨的严重影响[10]，造成边坡安全系数逐渐降低，而降雨速率则会直接影响到边坡安全系数的降低速率，对表2进行分析，可以得出：与工况2相比工况1的降雨更快，位移较大，但雨水渗入较浅，工况2 则相反，雨水会渗入到更深层的土壤中，导致深层土体强度降低，最终边坡破坏程度也会更为严重。

5 结论

总而言之，降水速率会对红黏土边坡产生影响，在降雨强度处于土体渗透系数之下时，降雨强度逐渐增大时，边坡安全系数会逐渐减小。本文研究中通过具体实验得出：降雨速率不同时，对红黏土边坡稳定性产生的影响也不同，降雨速率缓慢的情况下，会促使深层土体强度下降，并且容易发生浅层滑坡问题，所以，需要对渗流场和应力场的耦合综合考虑，计算边坡稳定性。

参考文献

[1]张德海，白桃.降雨条件下非饱和土路基边坡的稳定性分析[J].中国水运（下半月）， 2015，15（8）： 217-218.

[2]李庚，陈超，蒋斌，等.基于降水入渗的红黏土边坡稳定性分析研究[J].山东交通科技，2017（01）：36-37+74.

[3]刘文华.降雨入渗条件下非饱和土路基渗流分析[J].中外公路，2013，33（2）：15-18.

[4]何松，薛凯喜，常留成，等.不同气候条件下红黏土边坡稳定性分析[J].工程质量，2018，36（05）： 35-39.

[5]张东东，荣华.降雨入渗条件下赣南红黏土边坡稳定性分析[J].甘肃水利水电技术，2020， 056（01）：32-35.

[6]田松何，郑红超，璩泽君.降雨和地震作用下黏土边坡的稳定性分析[J].人民珠江，2017，38（03）：8-12.

[7]蔡欣育，任旭华，张继勋，等.不同降雨类型对边坡稳定性影响的研究[J].三峡大学学报（自然科学版），2020，42（02）：34-39.

[8]李丽华，彭振斌.长时间降雨工况下亚黏土路堤边坡稳定性研究[J].科技视界，2016（007）：3-5.

[9]杨迪惠，李建华.降雨入渗条件下非饱和黏土边坡稳定性分析[J].四川地质学报，2017， 37（03）：475-477.

[10]张冲冲，毛吉成，许广飞.降雨条件下非均质红黏土路基的稳定性分析[J].水利科技与经济，2019， 025（06）：11-14.