降雨條件下脹縮性裂隙邊坡穩(wěn)定性研究

倪 俊，金在保，梅 嶺，閆中蕾

(1.江蘇科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江21200)(2.鎮(zhèn)江市國土資源局，江蘇鎮(zhèn)江212003)

脹縮性裂隙邊坡典型的特征是多裂隙性和脹縮性，裂隙構(gòu)成的結(jié)構(gòu)體和軟弱結(jié)構(gòu)面破壞了土體的結(jié)構(gòu)并降低了土的強(qiáng)度.膨脹土邊坡、黃土邊坡和下蜀土邊坡等都是常見的脹縮性裂隙土邊坡.邊坡經(jīng)常會因?yàn)橥恋拿浛s性和裂隙性引起邊坡失穩(wěn)并引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，因此對脹縮性裂隙邊坡穩(wěn)定性研究引起了人們的高度重視.

國外學(xué)者基于滲流方程，利用有限元法和非飽和強(qiáng)度理論對雨水入滲條件下邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析［1-2］.包承綱［3-4］等對影響膨脹土邊坡穩(wěn)定性的參數(shù)進(jìn)行了研究.吳禮舟［5-6］等研究了吸力、強(qiáng)度分層和坡表裂隙對膨脹土邊坡穩(wěn)定性影響.裂隙在降雨入滲對邊坡穩(wěn)定性作用是增大了土體入滲邊界;由于從裂隙側(cè)壁向土體內(nèi)部入滲，增大了開裂深度范圍內(nèi)土體的含水率，提高了土體地表(開裂深度范圍內(nèi))的入滲率;為雨水的入滲提供了良好的通道.

文中以鎮(zhèn)江市烈士陵園西側(cè)邊坡為例，基于非飽和土強(qiáng)度理論［7］、土水特征曲線［8］和滲透函數(shù)［9-10］，利用有限元方法研究了裂隙的位置、裂隙的深度、降雨的強(qiáng)度和降雨的持時(shí)對脹縮性裂隙邊坡穩(wěn)定的影響.為此類邊坡的治理與預(yù)測提供了參考依據(jù).

1 分析模型與計(jì)算工況

根據(jù)鎮(zhèn)江市烈士陵園西側(cè)邊坡實(shí)際情況，使用GeoStudio有限元軟件對邊分滲流和穩(wěn)定性進(jìn)行分析.裂隙的成因分為原生裂隙和次生裂隙，次生裂隙深度淺，數(shù)量多于原生裂隙且容易貫穿土體形成淺層裂隙結(jié)構(gòu)，淺層的滲透系數(shù)一般比原狀土層大2～4個(gè)數(shù)量級［11］，所以文中研究了次生裂隙對邊坡穩(wěn)定性的影響作為一個(gè)典型代表，模型如圖1.采用土的參數(shù):左側(cè)地下水位6 m，右側(cè)地下水位4 m，裂隙間距取2 m，邊坡表面風(fēng)化層假設(shè)為等厚，厚度為4 m.本模型以典型的裂隙土邊坡——膨脹土邊坡為例，膨脹土飽和滲透系數(shù)取k1=0.21mm/h，風(fēng)化層的滲透系數(shù)取k2=21mm/h，飽和體積含水量都為0.42，殘余含水量為0.在降雨條件下，通過假定土體最初處于干燥狀態(tài)，給定膨脹土一個(gè)滲透系數(shù)，通過滲透作用反映邊坡的脹縮性.膨脹土邊坡穩(wěn)定分析時(shí)采用的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)見表1，所選取的計(jì)算工況見表2.

圖1 邊坡有限元基本模型(單位:m)Fig.1 Slope finite element model(unit:m)

表1 膨脹土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)Table 1 Shear strength index adopted by stability analysis of expansive soil slope

表2 計(jì)算工況Table 2 Calculation conditions

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 裂隙位置對邊坡穩(wěn)定性影響

在降雨強(qiáng)度為2mm/h和裂隙深度為4.0 m條件下，取3種不同裂隙位置對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析.圖2為位置處于邊坡坡頂、坡面和坡腳的孔隙水壓力分布圖，圖3為不同裂隙位置條件下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)(Fs)與降雨持時(shí)(D)的關(guān)系.

從圖2中可以看出，降雨一定時(shí)間后，不管裂隙位于何位置，裂隙及其周圍土體的孔隙水壓力變化迅速，等值線密集;遠(yuǎn)離裂隙的地方孔隙水壓力分布基本不受裂隙位置的影響.

從圖3中可以看出:在其他條件相同的情況下，裂隙位于坡面，穩(wěn)定性最低，位于坡頂次之，位于坡腳偏于安全.

當(dāng)裂隙位于坡頂，由于雨水沿坡頂裂隙滲入坡體內(nèi)部到達(dá)裂縫底部，而裂隙底部土體及坡面土體無裂隙滲透性相對較差，此時(shí)雨水往坡面和更深處土體滲透受阻，從而形成沿裂隙底部的飽和區(qū).隨著降雨的持續(xù)，裂隙帶飽和，由于膨脹土的膨脹作用，裂隙逐漸閉合，浸潤線位置不再抬升.當(dāng)裂隙位于坡頂時(shí)，由于坡腳的地下水位線距地表較近，在水壓力的作用下使得雨水向坡面入滲，坡腳浸潤線位置向坡面方向略有抬升.

當(dāng)裂隙位于坡面，降雨一段時(shí)間后，坡腳浸潤線位置抬升而且坡面裂隙底部出現(xiàn)薄層飽和區(qū)，導(dǎo)致坡腳坡面形成連通的飽和帶，并且滑裂面多位于坡面，邊坡穩(wěn)定性最低.

當(dāng)裂隙位于坡腳，由于坡腳的地下水位線距地表較近，坡腳浸潤線位置會在水壓力的作用下向坡面方向抬升，但坡面與坡腳相比滲透性差，雨水向坡面的入滲緩慢，降雨一段時(shí)間后，裂隙飽和，雨水不再繼續(xù)入滲，僅在坡腳及坡面的下部出現(xiàn)飽和區(qū)，與裂隙位于坡面相比，穩(wěn)定性較高.

圖2 裂隙位于不同位置降雨6 d孔隙水壓力分布Fig.2 Pore water pressure profile after 6 days of rain with crack in the different position

圖3 裂隙位于不同位置邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)與降雨持時(shí)的關(guān)系Fig.3 Relationship between safety factor and rainfallduration with crack in the different position

2.2 裂隙深度對邊坡穩(wěn)定性影響

為了研究裂隙深度對邊坡穩(wěn)定性的影響，在降雨強(qiáng)度為2mm/h和裂隙位于整個(gè)邊坡表面條件下，利用有限元軟件對裂隙深度為1.0，2.5和4.0 m這3種工況邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析計(jì)算.圖4為不同裂隙深度下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)與降雨持時(shí)的關(guān)系.

從圖4中可以看出:整個(gè)降雨過程中邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)隨著裂隙開裂深度增大而逐漸降低，即裂隙越深邊坡穩(wěn)定性越差.裂隙的存在破壞了土體的完整性，降低了邊坡土體的強(qiáng)度，再加之裂隙為雨水入滲膨脹土土體提供了通道.隨著裂隙深度的加深，滲流影響區(qū)域逐漸擴(kuò)大，使相當(dāng)深范圍內(nèi)的土體達(dá)到飽和狀態(tài)，容易造成邊坡的淺層滑動(dòng)，根據(jù)前面所述，裂隙深度大體上就是危險(xiǎn)滑裂面的下限.

圖4 不同裂隙深度下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)與降雨持時(shí)的關(guān)系Fig.4 Relationship between safety factor and rainfallduration in the different crack depth

2.3 降雨強(qiáng)度對邊坡穩(wěn)定性影響

在裂隙深度為4.0m和裂隙位于整個(gè)邊坡表面條件下，結(jié)合鎮(zhèn)江地區(qū)實(shí)際降雨情況，選取了5種工況利用有限軟件對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析，其中0.2mm/h為小雨工況，1mm/h為中雨工況，2mm/h為大雨工況，8mm/h為暴雨工況，25mm/h為特大暴雨工況.圖5為不同降雨強(qiáng)度下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)與降雨持時(shí)的關(guān)系.0.2，1，2，8mm/h降雨強(qiáng)度都小于風(fēng)化層滲透系數(shù)，25mm/h為特大暴雨的情況下，降雨強(qiáng)度大于風(fēng)化層滲透系數(shù).

從圖5中可以看出:當(dāng)降雨強(qiáng)度為0.2mm/h時(shí)降雨6d邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)僅下降了0.058，此時(shí)裂隙帶仍未飽和，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)會隨著降雨歷時(shí)的增加繼續(xù)降低，降雨6 d邊坡仍處于穩(wěn)定狀態(tài);降雨強(qiáng)度為2mm/h時(shí)降雨4d內(nèi)邊坡穩(wěn)定系數(shù)急劇下降，超過4 d，穩(wěn)定性不再降低;降雨強(qiáng)度為8mm/h時(shí)降雨24h內(nèi)邊坡穩(wěn)定系數(shù)急劇下降，超過24h，穩(wěn)定性不再降低;降雨強(qiáng)度為25mm/h時(shí)降雨12h內(nèi)邊坡穩(wěn)定系數(shù)急劇下降，超過12h，穩(wěn)定性不再降低;4d，24h，12h恰好分別是降雨強(qiáng)度為2，8和25mm/h裂隙帶飽和的時(shí)間.因此，降雨強(qiáng)度主要影響裂隙帶達(dá)到飽和的快慢.裂隙帶飽和前，邊坡穩(wěn)定性隨著降雨強(qiáng)度的增加顯著降低，但隨著降雨的持續(xù)，裂隙帶逐漸飽和，一旦裂隙帶飽和，降雨強(qiáng)度基本不再影響邊坡的穩(wěn)定性，但降雨量較大時(shí)不存在這種情況，此時(shí)安全系數(shù)大多小于1，邊坡已喪失穩(wěn)定性.

當(dāng)降雨強(qiáng)度為1mm/h時(shí)，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)在4d內(nèi)急劇下降，隨著降雨的持續(xù)，邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)降低幅度越來越小，最終邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)不再降低.此時(shí)邊坡最終安全系數(shù)大于1，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài).通過5種不同降雨強(qiáng)度對邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的影響分析，從中可以看出當(dāng)降雨強(qiáng)度不大于1mm/h時(shí)，降雨會造成邊坡安全系數(shù)的降低，但安全系數(shù)始終大于1，不會發(fā)生滑坡.也即對于本邊坡，當(dāng)降雨等級為小雨及小到中雨時(shí)，邊坡是不會發(fā)生失穩(wěn)的;當(dāng)降雨等級進(jìn)一步增大，邊坡將失穩(wěn)破壞，從而為邊坡預(yù)警預(yù)報(bào)提供依據(jù).

圖5 不同降雨強(qiáng)度下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)與降雨持時(shí)的關(guān)系Fig.5 Relationship between safety factor and rainfall duration in the different rainfall intensity

3 結(jié)論

1)裂隙的位置對脹縮性裂隙邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)有著重要的影響，降雨一定時(shí)間后，不管裂隙位于任何位置，只是裂隙及其周圍土體的孔隙水壓力變化迅速，等值線密集，遠(yuǎn)離裂隙的地方孔隙水壓力分布基本不受裂隙位置的影響;在其他條件相同的情況下，當(dāng)裂隙位于坡面時(shí)邊坡穩(wěn)定性最低，位于坡頂次之，位于坡腳偏于安全.

2)由于裂隙的存在為雨水入滲提供了通道并降低了土的強(qiáng)度，隨著裂隙深度的加深，滲流影響區(qū)擴(kuò)大并逐漸飽和，容易造成邊坡的淺層滑動(dòng)在降雨條件下，邊坡裂隙深度越深邊坡穩(wěn)定性越差.

3)通過降雨強(qiáng)度與邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的動(dòng)態(tài)分析，降雨強(qiáng)度越大，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)降低越快，裂隙帶越快飽和.當(dāng)裂隙帶飽和時(shí)，隨著降雨的持續(xù)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)基本不再降低.當(dāng)降雨強(qiáng)度不大于1mm/h時(shí)，邊坡安全系數(shù)始終大于1，邊坡仍處于穩(wěn)定狀態(tài).分析結(jié)果為邊坡預(yù)警預(yù)報(bào)提供依據(jù).

4)文中是針對某一特定的邊坡，不同邊坡土體的滲透系數(shù)在不同降雨條件下的穩(wěn)定性規(guī)律還需進(jìn)一步研究.

References)

［1］ Sammon T，Tsuboyama Y.Parametric study on slope stability with numerical simulation in consideration of seepage process［C］∥Proc 6th，Int Symp.on Landslide.Bell(ed.).Rotterdam:Balkema，1991:539 -544.

［2］ Cno S E，Lee S R.Instability of unsaturated soil slopes due to infiltration［J］.Computers and Geotechnics，2001，28(3):185-208.

［3］ 姚海林，鄭少河，李文斌，等.降雨入滲對非飽和膨脹土邊坡穩(wěn)定性影響的參數(shù)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002，21(7):1034 -1039.Yao Hailin，Zheng Shaohe，Li Wenbin，et al.Parametric study on the effect of rain infiltration on stability of unsaturated expansive soil slope［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2002，21(7):1034 -1039.(in Chinese)

［4］ 包承綱.非飽和土的性狀及膨脹土邊坡穩(wěn)定問題［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2004，26(1):1 -15.Bao Chenggang.Behavior of unsaturated soil and stability of expansive soil slope［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2004，26(1):1 -15.(in Chinese)

［5］ 黃潤秋，吳禮舟.非飽和膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析［J］.地學(xué)前緣，2007，14(6):129 -133.Huang Runqiu，Wu Lizhou.Stability analysis of unsaturated expansive soil slope［J］.Earth Science Frontiers，2007，14(6):129 -133.(in Chinese)

［6］ 吳禮舟.非飽和膨脹土的本構(gòu)模型及在邊坡穩(wěn)定性評價(jià)中的應(yīng)用［D］.四川成都:成都理工大學(xué)，2006.

［7］ Fredlund D G，Morgenstern N R，Wildger R A.The shear strength ofunsaturated soils［J］.Canadian Geotechnical Journal，1978，15(3):313 -321.

［8］ 雷志棟.土壤水動(dòng)力學(xué)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1992.

［9］ Fredlund D G，Xing A Q，Hung S Y.Predicting the permeability function for unsaturated soil using the soilwater characteristic curve［J］.Canadian Geotechnical Journal，1994，31(4):533 -546.

［10］ Fredlund D G，Rahard Jo.非飽和土力學(xué)［M］.陳仲頤，張?jiān)诿?，陳愈炯，等，譯.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1997.

［11］ 張華.非飽和滲流研究及其在工程中的應(yīng)用［D］.湖北武漢:中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，2002.