土体非饱和渗流特性对边坡稳定性影响

曾 强

(辽宁省沈阳市苏家屯区农业农村服务中心，辽宁 沈阳 110101)

随着人类社会的迅速发展，自然环境受到人类的干扰不断加大，加之极端恶劣天气，致使滑坡问题在边坡工程中日益显著。目前，已有大量学者针对非饱和土边坡的稳定性展开了研究。许方领[1]通过建立二维边坡有限元模型，针对降雨条件下边坡渗流场、应力场和位移场的变化规律进行研究，为非饱和土边坡的工程设计提供参考。柴军瑞[2]通过有限元数值理论，建立非饱和土边坡的渗流-应力数学模型，针对坝体内的渗流场与应力场变化关系进行研究。Sammori T等[3]通过简化毕肖普法建立渗流方程，利用有限元方法对边坡渗流问题进行模拟，并对边坡失稳的诱因进行敏感性分析。陈晓平等[4]以某地工程为研究对象，建立有限元数值模型，对比分析土坝稳定性在渗流场与应力场在耦合作用下的变化规律。李筱艳等[5]通过实地监测，根据实际工程情况，建立理论分析模型，研究分析基坑变形的实测结果与理论推导得到的预测结果是否吻合。陈善雄等[6]采用考虑了土体含水率变化的简布法，将土体抗剪强度视为边坡土体饱和度的函数，研究分析在降雨条件下边坡稳定性的变化规律。Paolo Paronuzzi[7]通过有限元软件，建立渗流-应力边坡模型，并考虑渗流场和应力场的耦合作用，对引发边坡失稳的因素进行研究分析。汤卓等[8]依据实际工况，利用有限元模拟方法建立模型，分析在流固耦合作用下尾矿库渗流场与应力场的相互关系。包承纲[9]通过极限平衡方法，以膨胀土为研究对象，研究分析边坡土体内部的基质吸力在不同浸润条件下的变化规律。

综合上述研究成果，本研究以某地边坡为研究对象，利用有限元模拟软件建立边坡模型，研究不同降雨强度下的边坡土体孔隙水压力、体积含水率以及位移的变化规律，分析非饱和土体渗流特性对边坡稳定性的影响。

1 工程概况

本研究以某地区滑坡工程为依托，该地降雨条件充沛，导致多处边坡发生浅层滑坡，通过颗分试验、直剪试验等室内土工试验，获得以下边坡岩土体物理力学参数，如表1所示。

表1 边坡岩土体物理力学参数

2 模型建立

本研究利用Geo-studio有限元软件，建立非饱和边坡数值模型，其坡度为60°，坡高为10 m，如图1所示。土体采用理想弹塑性材料，并服从摩尔-库伦强度准则，模型的左右边界水头设为5 m、6 m，水头以上部分和边坡底部均为零流量边界，边坡表面则采用单位流量边界，通过改变单位流量来实现雨强大小。模型采用三角形、四边形单元进行网格划分，共包含了2210个节点和1980个单元。

图1 边坡模型示意图(单位：m)

模拟工况的降雨时长为3 d，降雨强度分别为25 mm/d、50 mm/d、75 mm/d和100 mm/d，以此对比研究不同雨强下边坡的体积含水率、孔隙水压力、剪应力和位移的变化规律。

3 模拟结果分析

3.1 边坡孔隙水压力的变化规律

由图2可知，不同雨强下边坡孔隙水压力的变化规律大体相同，在降雨初期边坡浅层土体率先反应，其孔隙水压力随着雨水的入渗不断增大，通过孔隙水压力云图也可以发现边坡内部饱和区域也呈逐渐扩大趋势，而非饱和区域反之缩小。在同一降雨时长下，随着降雨强度的增大，明显发现边坡土体的孔隙水压力变化范围也逐渐增大，基本呈现出100 mm/d>75 mm/d>50 mm/d>25 mm/d 的规律。同时，由于各个工况下降雨时长均为3 d，因此当降雨强度较大时其对应的降雨量也较大，通过观察雨强为100 mm/d的云图可以发现，边坡坡脚处孔隙水压力和地下水位线存在一定程度的抬升现象。

图2 不同降雨强度下边坡孔隙水压力分布图(单位：kPa)

图3为不同降雨强度下边坡孔隙水压力变化曲线图，通过以截面A-A′为研究对象，可以发现整体上与坡面的距离越近其对应的孔隙水压力变化越大，即边坡深处孔隙水压力要比浅层更加稳定。当降雨强度为25 mm/d时，边坡内部受雨水入渗影响的土体孔隙水压力变化高度约为2.5 m，而当降雨强度为100 mm/d时，受雨水入渗影响的土体孔隙水压力变化高度可达到5 m，并且对比其他两个雨强工况下的受影响高度，可以明显发现其影响高度随着雨强的增大而增大。此外，随着降雨强度的增大，对应的孔隙水压力变化幅度也逐渐增大，其中当降雨强度为25 mm/d时，边坡土体孔隙水压力处于-50～-130 kPa范围内浮动，而当降雨强度为100 mm/d时，边坡土体孔隙水压力处于-10～-140 kPa范围内浮动，对比分析可知其变化范围显著增大。

图3 不同降雨强度下边坡孔隙水压力变化曲线图

3.2 边坡体积含水率的变化规律

通过图4可知，整体上，边坡土体的体积含水率与孔隙水压力变化规律相似，在降雨过程中边坡浅层土体反应较大，边坡土体的体积含水率随着降雨强度的增大而增大，可以按照如下排序：100 mm/d>75 mm/d>50 mm/d>25 mm/d。其中，当降雨强度为100 mm/d时，经历降雨历时3 d 后，边坡内部非饱和区域(即浅色区域)的上方形成了近乎饱和的滞水带，并且在边坡坡脚处土体的0.22体积含水率等值线呈逐步抬升趋势，相比较其他降雨条件下更为明显。

图4 不同降雨强度下边坡体积含水率分布图

3.3 边坡剪应力的变化规律

由不同降雨强度下边坡土体剪应力变化云图可知(见图5)，在降雨过程中，受到雨水的不断入渗，边坡坡脚处的应力集中现象显著，随着降雨强度的增大，坡脚处的剪应力分布范围逐步扩散，且剪应力最大值也增大。当降雨为25 mm/d时，边坡剪应力最大值达到75 kPa；当降雨为50 mm/d时，边坡剪应力最大值达到80 kPa；当降雨为75 mm/d 时，边坡剪应力最大值达到85 kPa；当降雨为100 mm/d时，边坡剪应力最大值达到90 kPa。由于剪应力的增大会破坏边坡的稳定性，由此可见坡脚处的破坏极易引发边坡失稳，并且强降雨条件是诱发边坡失稳的主要因素之一，需要重点研究关注。

图5 不同降雨强度下边坡土体剪应力变化图(单位：kPa)

3.4 边坡土体剪应变和位移的变化规律

通过不同降雨强度下边坡土体剪应变云图(见图6)，结合边坡位移变化曲线图(见图7)，可以发现在降雨历时为3 d的工况下，随着降雨强度的增大，边坡浅层土体的剪应变和位移变化也增大，其中当降雨强度为25 mm/d时，边坡剪应变覆盖范围较广，但数值相对较小；当降雨强度逐渐增加至100 mm/d 时，可以明显发现边坡土体剪应变逐步向坡内延拓，尤其在应力集中明显的坡脚处，剪应变的增长会造成边坡失稳的加剧。

图6 不同降雨强度下边坡土体剪应变变化图

图7 不同降雨强度下边坡土体位移变化图

3.5 边坡稳定性的变化规律

针对相同降雨时长而不同降雨强度工况下的边坡稳定性研究，综合上述各个云图，由于降雨强度的增大，相同时间内降雨入渗量对应增大，由于雨水入渗边坡内部，导致边坡非饱和土体的体积含水率逐渐增加，导致其基质吸力降低，基于非饱和土强度理论可知，基质吸力的衰减会在一定程度上减弱土体的抗剪强度，因此其边坡稳定系数会随着降雨强度的增加而降低，并且对应的稳定系数曲线变化幅度也会扩大(见图8)。

图8 不同降雨强度下边坡稳定性变化图

4 结 论

本研究通过Geo-studio有限元数值模拟软件建立模型，研究分析非饱和土体渗流特性对边坡稳定性的影响，主要得出以下几条结论：

(1)在同一降雨时长下，随着降雨强度的增大，明显发现边坡土体的孔隙水压力变化范围和幅度也逐渐增大，基本呈现出100 mm/d>75 mm/d>50 mm/d>25 mm/d的规律。

(2)边坡土体的体积含水率与孔隙水压力变化规律相似，在降雨过程中边坡浅层土体反应较大，边坡土体的体积含水率随着降雨强度的增大而增大，当降雨强度为100 mm/d时，边坡内部非饱和区域上方形成近乎饱和的滞水带，并且在坡脚处土体的体积含水率呈逐步抬升趋势。

(3)在降雨过程中，受到雨水的不断入渗，坡脚处的应力集中现象显著，随着降雨强度的增大，坡脚处的剪应力分布范围逐步扩散，且剪应力最大值也在增大。

(4)随着降雨强度的增大，边坡浅层土体的剪应变和位移变化也越大，边坡土体剪应变逐步向坡内延拓，尤其在应力集中明显的坡脚处，剪应变的增长会造成边坡失稳的加剧。