土壤含水量对边坡稳定性的影响研究

2022-12-02王宏

水利科技与经济 2022年11期

王宏

(上海宏波工程咨询管理有限公司新疆分公司，乌鲁木齐 830000)

1 概述

滑坡是常见的自然灾害之一，滑坡是由于边坡的稳定性被破坏而导致的斜坡成分(土壤、岩石或岩石)沿斜坡下滑的运动[1-2]。一般来说，边坡的稳定性受多种因素控制，如几何形状[3]、地质条件(物理性质和地质结构)[4]、水文地质条件[5]和边坡成分的工程性质[6]。滑坡易在雨季降雨量大时发生，因为渗入斜坡的雨水会增加斜坡上土壤的饱和度[7]，导致土壤的水压力增大，抗剪能力降低，含水量长时间大幅度的增加将会导致机械性能(内聚力和内部剪切角)降低，从而使边坡的稳定性降低[8]。

本文主要研究边坡土壤含水量与力学性质(内聚力和内部剪切角)之间的关系，并得到安全系数(SF)值，以获得含水量与SF斜率的相关性。同时，利用多元线性回归分析对数据进行处理，以获得边坡几何形状(高度和坡度)、含水量和边坡的SF等级之间的关系。研究结果可为边坡的安全建设提供理论依据和设计参考。

2 研究方法

2.1 含水量

地下水是孔隙水压力的主要来源，这种压力会降低抗剪强度并导致滑坡。地下水影响边坡陡度的方式有：①降低岩石或地面强度；②通过化学反应和溶解改变岩石中的矿物元素；③改变岩石或土壤的密度；④导致腐蚀。

地下水的存在将成为影响边坡稳定性重要因素。同时，这种情况还与外部影响有关，即气候等因素(以降雨量为代表)会导致地下水位上升，还会降低土壤的物理性质和机械性质。地下水位上升增加了孔隙水压力，降低了边坡体的抗剪强度，尤其是在土壤材料上。

2.2 黏聚力(c)

黏聚力(内聚力)提供了土壤颗粒之间的抗拉强度，用单位面积的重量单位表示。黏聚力值越大，抗剪强度就越大，因此边坡就越稳定或安全。处理不稳定斜坡的方法主要取决于所遇到的土壤性质，一般有害土壤形成类型是由松散片岩或碎片状软黏土、破裂硬黏土、含砂或粉砂的黏土以及黏性土体组成的。

2.3 滑动角(φ)

内部滑动角是由岩石材料中的法向应力和剪切应力关系形成的角度。内部滑动角是当岩石受到超过其剪切应力时形成的断裂角。材料中的剪切角越大，材料在面对施加的外部应力将表现更明显的弹性行为，从而使边坡更加稳定或安全。

2.4 安全系数(SF)

斜坡通常出现在一个称为滑动面的特殊平面上。边坡的稳定性取决于作用在滑体上的下滑力和抗滑力。抗滑力是支撑以避免滑动的力，而下滑力是引起土壤滑动的力。保持力与移动土壤的力之间的比值称为安全系数。因此，将比值称为SF值，也代表边坡是否稳定。一般认为，SF≥1.25为安全边坡；SF<1.07为不安全边坡； 1.07

2.5 简单和多元线性回归

回归分析常用于分析两类变量之间的关系，即因变量与自变量之间的关系。如果两个变量之间的关系分析只涉及一个自变量，则称之为简单回归分析。因变量(y)和自变量(x)之间的关系的一般线性模型为：

y=b+ax

(1)

其中，a= 1，2，…，n是回归系数，这意味着自变量和因变量呈现线性关系。

多元线性回归与简单线性回归相同，只是多元线性回归中的自变量多于一个自变量。多元线性回归分析的目的是探究两个或多个变量之间的关系，并预测x和y的估计值。一般来说，多元线性回归模型为:

A=b0+b1x1+b2x2+…+bkxk

i=1,2,…,n

(2)

在回归方程中，因变量与自变量之间关系程度可以通过决定系数(R2)来表示。R2值越大，变量之间的关系越强。R2值的代表意义见表1。

表1 决定系数解释

3 研究区概况

研究地点位于新疆省某沿线的斜坡上，有5个数据采集点和实验室测试样本(SL1至SL5)。研究地点的取样地图见图1。

图1 取样位置图

获取的斜坡参数数据包括采样坐标、海拔和坡度。使用平均深度为0.9～1m的钻孔机进行取样。研究区域的坡度参数数据见表2。

表2 实验室试验取样边坡的坐标和几何形状

数据收集和实验室样品(SL2)的斜坡情况见图2。在图2中，斜坡经历了滑坡，从初始位置开始，土壤材料减少。土壤材料类型是棕褐色黏土，滑坡尺寸为7.5 m，存在多处渗水。

图2 取样位置(SL2)

4 结果和讨论

4.1 实验结果分析

实验室测试包括边坡样本的物理和机械特性。测试的物理特性包括土壤样品的重量、相对密度和含水量。从测试结果中获得每个参数的平均值，见表3。

表3 物理性能测试结果

通过土的抗剪强度的力学性质测试获得法向载荷和剪切载荷的数值，然后处理成法向应力和剪切应力。由法向应力和剪切应力关系曲线可以得到内聚力值和剪切角，见表4。在抗剪强度试验中，通过逐渐向土样中加水来模拟含水量的影响。每次进行测试时，不断加入样品重量2.5%的水进行模拟。测试结果表明，水的加入量最多只能达到样品重量的10%，超过10%的加入量会导致样品不能再次模拟，因为样品条件被加入的水破坏了。表4显示，模拟的含水量可以在0%～73.74%的范围内完成。这意味着土样的最大含水量为73.74%，超过最大含水量时，无法再进行模拟。

表4 机械性能测试结果

4.2 含水量与机械性能的关系

通过将含水量试验数据和力学性质(内聚力和滑动角)绘制成散点图，获得含水量与力学性质的关系，见图3。

图3 含水量与机械性能的关系图(黑色为内聚力，红色为滑动角)

图3显示，含水量与两种力学性能呈现负相关，且决定系数分别为0.842和0.915，说明含水量和两种力学性能之间具有较强的线性关系。可以得出结论，土体的含水量越高，内聚力和滑动角越低。

4.3 边坡安全系数分析

从0%～73.74%的模拟含水率出发，根据各含水率模拟结果的力学性质，得到边坡安全系数，其处理结果见表5。

表5 安全系数

通过将含水量试验和SF绘制成散点图，获得含水量与SF的关系，见图4。以图4可知，含水量与SF斜率值的关系方程为y=2.267-0.024x，其中y是安全系数(SF),x是含水量。经验方程显示了非常强的线性关系，其R2值可以达到0.92。结果表明，含水量的增高会导致安全系数降低。当含水量在0%～50%之间时，SF>1.25，边坡处于安全条件。当含水量从51%增加至60%时，SF值为1.0～1.25，表明边坡已经处于临界条件。当含水量大于63.74%，SF<1，此时边坡不安全，极有可能发生滑坡。