工程地质学报  2018, Vol. 26 Issue (6): 1648-1656   (2843 KB)    
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  • 收稿日期:2017-11-27
  • 收到修改稿日期:2018-02-25
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    叶帅华
    时轶磊

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    叶帅华, 时轶磊. 2018. 降雨入渗条件下多级黄土高边坡稳定性分析[J]. 工程地质学报, 26(6): 1648-1656. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2017-552.
    YE Shuaihua, SHI Yilei. 2018. Stability analysis of multi-stage high slope with loess under rainfall infiltration[J]. Journal of Engineering Geology, 26(6): 1648-1656. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2017-552.

    降雨入渗条件下多级黄土高边坡稳定性分析
    叶帅华①②, 时轶磊①②    
    ① 兰州理工大学甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室 兰州 730050;
    ② 兰州理工大学西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心 兰州 730050
    摘要:在西北地区进行基础工程建设,遇到了大量的多级黄土高边坡工程。边坡工程属于永久性工程,难免遇到降雨状况。降雨入渗会引起边坡土体饱和度与土体重度的变化,进而导致边坡体基质吸力与有效应力场的变化,使边坡的稳定性受到较大的影响。本文通过考虑边坡体不同深度处基质吸力随雨水入渗的变化情况,建立了渗流场与应力场的耦合计算模型,对降雨入渗条件下多级黄土高边坡的稳定性进行分析。最后,依托实际边坡工程,利用PLAXIS 3D岩土有限元软件,建立边坡稳定性计算模型,通过设置降雨量随时间的变化函数与渗流边界条件,进行降雨入渗条件下多级黄土高边坡的稳定性数值计算,并与理论分析结果进行了对比分析。根据数值计算结果可得到多级黄土高边坡在降雨入渗条件下的变形、基质吸力、有效应力、潜在滑移面以及安全系数的变化情况,从而对降雨入渗影响下多级黄土高边坡的稳定性做出分析。研究结果可为降雨入渗条件下多级黄土高边坡的稳定性的研究提供一定的指导作用。
    关键词降雨入渗    多级黄土高边坡    基质吸力    有效应力    
    STABILITY ANALYSIS OF MULTI-STAGE HIGH SLOPE WITH LOESS UNDER RAINFALL INFILTRATION
    YE Shuaihua①②, SHI Yilei①②    
    ① Key Laboratory of Disaster Mitigation in Civil Engineering of Gansu Province, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050;
    ② Western Center of Disaster Mitigation in Civil Engineering, Ministry of Education, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050
    Abstract: In the northwest, a lot of multi-stage high slopes with loess have been encountered in the construction of basic engineering. Slope engineering belongs to permanent project. So it is unavoidable to meet the conditions of rainfall. Under rainfall infiltration, the degree of saturation and mass of soil slope increase, which can further cause the change of slope matric suction and effective stress. As a result, the stability of the slope can be greatly influenced. In this paper, the coupling calculation model of seepage field and stress field is established. It considers the changes of the matrix suction as the rain water infiltration at the different depths of the slope body. Then, the stability of the multi-stage high slope with loess under the condition of rainfall infiltration can be analyzed. Then, according to an actual engineering and using the PLAXIS 3D geotechnical finite element software, the calculation model of slope stability is established. By setting the variation function of rainfall with the time and boundary condition, the stability calculation of multi-stage high slope with loess is carried out under the condition of rainfall infiltration. And then, The numerical calculation results are compared with the theoretical calculation results. According to the numerical calculation results, the changes of the deformation, matrix suction, effective stress, potential slip surface and safety factor of the multi-stage high slope with loess under the condition of rainfall infiltration are obtained. And the stability of the multi-stage high slope with loess under the condition of rainfall infiltration are analyzed. The study results can provide some guidance for the design of the multi-stage high slope with loess under the rainfall infiltration.
    Key words: Rainfall infiltration    Multi-stage high slope with loess    Matric suction    Effective stress    

    0 引言

    随着西部大开发和“一带一路”战略的发展,我国西北地区的经济建设得到了迅猛发展。西北地区以山地居多,在西北地区进行基础设施建设,尤其是公路、铁路建设,难免会遇到大量的高挖方或高填方边坡工程,稳定边坡体在外界扰动下极易发生滑坡破坏,给该地区的经济甚至人民生命财产造成巨大损失,因此保证边坡在设计使用期内的安全稳定至关重要。西北地区多为大厚度黄土层,黄土土质疏松,内部多孔隙,降雨是诱发黄土边坡表层滑坡的主要因素(王刚等,2017张硕等,2017),因此开展降雨入渗对黄土边坡破坏过程的研究具有重要的实际意义。降雨以其强度与持续时间的随机性,对处于稳定状态的边坡会产生不同程度的破坏。因此,研究降雨入渗对边坡稳定性的影响成为岩土工程界的一大热点与难点。

    目前,研究降雨入渗对边坡稳定性影响的主要方式有:(1)通过假定某次降雨的降雨量以及降雨入渗深度,利用现有的非饱和土力学理论对边坡体的土压力、孔隙水压力以及基质吸力进行计算(李广信,2016),进而得出降雨入渗后边坡的安全系数,并从理论上确定边坡的稳定性。(2)通过对已有稳定边坡的力学与位移参数进行原位监测,收集整理降雨过程中的监测数据,分析各数据变化规律,从而建立相应的统计函数,对边坡在降雨入渗下的稳定性进行分析(董文文等,2016)。(3)利用岩土有限元软件建立边坡计算模型,分析降雨入渗条件下边坡的变形、有效应力与孔隙水压力的变化规律,为降雨入渗下边坡的稳定性分析提供指导和帮助。现阶段由于各类岩土有限元软件发展迅速,功能齐全,建模方便,并且模拟计算结果与实际情况吻合度较好而受到岩土工程界学者的青睐。

    随着边坡工程滑坡事故的增多,边坡稳定性问题越来越受到广大岩土界人士的关注。降雨入渗会对边坡稳定性产生严重的不利影响,由降雨引发的边坡失稳破坏时有发生,且会造成严重的经济损失与人员伤亡。因此,国内外已有大量学者进行了降雨入渗下边坡稳定性的研究工作。徐晗等(2005)采用渗流场与应力场耦合的方法对非饱和土边坡进行了降雨入渗条件下的稳定性研究。孔郁斐等(2013, 2014)分析了降雨入渗对边坡稳定性的影响并进行了有限元模拟计算分析,所得研究结果对于该领域的研究具有很好的指导作用。王睿等(2010)对含有软弱夹层的土坡进行了降雨条件下的模型试验研究,试验结果可直观地反映出降雨条件下边坡的破坏过程。李焕强等(2009)通过试验研究了降雨入渗对边坡性状的影响。在降雨条件下,降雨强度与持续时间以及边坡的土层分布都会对边坡的稳定性产生不同程度的影响(平扬等,2004吴长富等,2008谭文辉等,2010徐全等,2012)。谢春庆等(2017)依托某高填方边坡受雨水作用发生滑塌的实例为背景,采用现场调查、原位试验、室内试验以及数值模拟的手段对填方边坡的稳定性进行了研究分析。随着岩土有限元软件的不断发展,采用有限元软件对降雨条件下边坡的稳定性进行数值模拟分析逐渐成为一种有效的研究方式(王协群等,2010李毅等,2012熊勇林等,2017)。吴俊杰等(2004)针对边坡体基质吸力对边坡稳定性的影响进行了研究分析,最终研究结果表明基质吸力的变化对边坡的稳定性影响较大。

    尽管目前对降雨条件下边坡稳定性的研究已经较多,但大多都是针对单级边坡的研究,并且大多数研究还处于理论分析阶段。非饱和土的渗流分析理论还不很成熟,且对于多级高边坡在降雨入渗下稳定性的研究也还较少。本文通过考虑基质吸力随降雨入渗深度的变化,并依托多级路堑边坡实际工程,在现有非饱和土瞬态渗流理论的基础上,结合PLAXIS 3D有限元计算结果,进行多级黄土高边坡在降雨条件下的稳定性分析。在计算过程中通过设置降雨量函数、降雨边界条件、土-水特征曲线与基于Bishop有效应力的Morch-Coulomb强度破坏准则进行降雨条件下的多级高边坡有限元数值计算,对计算得出的基质吸力、有效应力以及边坡滑移面变化情况进行研究分析,最终可得出降雨入渗对多级黄土高边坡的应力与变形影响规律,该分析可为今后分析降雨入渗对多级黄土边坡稳定性的影响提供一定的指导作用。

    1 非饱和土渗流理论
    1.1 非饱和土瞬态渗流分析

    水通过土体空隙缓慢运动的现象称为渗流。渗流包括稳态渗流和瞬态渗流。稳态渗流中,土体内任意一点的水头和渗透系数不随时间而变。瞬态渗流中,土体内水头和渗透系数随雨水入渗不断变化。本文考虑不均匀、各向异性的非饱和黄土层,在xyz方向的渗透系数各不相同,且随雨水入渗不断变化,直至达到饱和渗透系数。选取一微小土体单元,根据渗流连续性条件以及Darch定律可得雨水渗流条件下的偏微分方程为:

    $ \begin{array}{l} \frac{\partial }{{\partial x}}\left\{ {{k_x}\left({{h_m}} \right)\frac{{\partial {h_w}}}{{\partial x}}} \right\} + \frac{\partial }{{\partial y}}\left\{ {{k_y}\left({{h_m}} \right)\frac{{\partial {h_w}}}{{\partial y}}} \right\}\\ \;\;\;\;\;\;\; + \frac{\partial }{{\partial z}}\left\{ {{k_z}\left({{h_m}} \right)\frac{{\partial {h_w}}}{{\partial z}}} \right\} + Q = \frac{{\partial \theta }}{{\partial t}} \end{array} $ (1)

    应用链式法则:

    $ \frac{{\partial \theta }}{{\partial t}} = \frac{{\partial \theta }}{{\partial {h_m}}}\frac{{\partial {h_m}}}{{\partial t}} $ (2)

    将上式代入偏微分方程,并根据边界条件与初始条件可求得吸力场随降雨时间与降雨量的函数关系。式中hw为基质吸力水头;ki(hw)为非饱和渗透系数;Q为降雨量;θ为体积含水率。

    1.2 有效应力原理

    太沙基在提出的饱和土体的有效应力原理中指出,饱和土体的总应力包括土骨架承担的有效应力和有孔隙水承担的孔隙水压力,土体的强度与变形均是由土的有效应力决定的(李广信,2016),其表达式为:σ′=σ-u。雨水入渗会使边坡土体的饱和度发生变化,进而使边坡体的有效应力状态发生改变。根据太沙基有效应力公式可得非饱和土的有效应力式为:

    $ \sigma ' = \sigma - {u_a} + \chi \left({{u_a} - {u_w}} \right) $ (3)

    式中,χ为与土性质及饱和度有关的参数;(Ua-Uw)为基质吸力,它反映了土体颗粒、水和空气界面上的物理化学作用的力学参数。将式(3)代入莫尔-库仑强度准则公式可得基于Bishop的非饱和土强度准则:

    $ {\tau _f} = c' + \left[ {\sigma - {u_a} + \chi \left({{u_a} - {u_w}} \right)} \right]\tan \varphi ' $ (4)

    该改进的有效应力原理,将基质吸力对抗剪强度的影响考虑了进来,可更为真实地反应边坡体的应力随土体饱和度的变化而改变的现象。体积含水率的变化与孔隙水压力的关系为:

    $ \partial \theta = {m_w}\partial {u_w} $ (5)

    将式(5)代入式(4)可得到抗剪强度与土体体积含水率的关系。非饱和土体在达到饱和过程中会表现出一定的持水能力(谭龙等,2017),土体单元在瞬态流过程中,所具有的持水能力可表示为:$\frac{{\partial \left({\rho \theta } \right)}}{{\partial t}}\Delta x\Delta y\Delta z$,假定Δxy=1,则当降雨量Q一定时,某次降雨所能影响的深度范围为:$h' = \frac{{Q\partial t}}{{\partial \left({\rho \theta } \right)}}$。说明降雨只对距坡顶一定深度范围的土体产生影响,该影响深度范围以下,土体应力状态受影响较小。从而可通过假定某次降雨的降雨量,得出雨水入渗影响深度,对该深度以内的土体有效应力重新计算,然后进行安全性分析,确定边坡在降雨过程中的稳定性状态。

    1.3 渗流场与应力场耦合

    降雨条件下的水力边界条件随降雨时间处于不断变化中。在雨水入渗过程中,边坡体内不仅渗流场发生变化,由于孔隙水压力的变化也会引起应力场的变化。这种情况下,单独考虑应力场或渗流场变化对边坡进行安全性计算都是不合理的。为了准确进行边坡安全性分析,进行渗流场与应力场的耦合计算是必要的。降雨入渗条件下的渗流与应力耦合作用也是影响边坡稳定性的主要因素。

    由Biot固结理论可知,对受三向应力状态的微元体的体积变化率,根据广义胡克定律可得:

    $ \frac{{\Delta {\rm V}}}{V} = \frac{{1 - 2v}}{E}\left({{{\sigma '}_x} + {{\sigma '}_y} + {{\sigma '}_z}} \right) $ (6)

    假定空气压力Ua=0,则由有效应力原理可知:${\sigma '_i} = {\sigma _i} - {u_w}\left({i = x, y, z} \right)$。根据渗流连续方程可得:

    $ \begin{array}{l} \frac{\partial }{{\partial x}}\left\{ {{k_x}\left({{h_m}} \right)\frac{{\partial {h_w}}}{{\partial x}}} \right\} + \frac{\partial }{{\partial y}}\left\{ {{k_y}\left({{h_m}} \right)\frac{{\partial {h_w}}}{{\partial y}}} \right\} + \frac{\partial }{{\partial z}}\left\{ {{k_z}\left({{h_m}} \right)\frac{{\partial {h_w}}}{{\partial z}}} \right\}\\ = \frac{{3\left({1 - 2v} \right)}}{E}\frac{\partial }{{\partial t}}\left({{\sigma _m} - {u_w}} \right) \end{array} $ (7)

    将式(7)与应力场联合求解,则可得出应力场与渗流场耦合计算结果。在降雨过程中,应力场与渗流场相互作用,渗流场又受到渗流路径与时间的影响,因此耦合计算较为复杂。本文根据渗流场与应力场耦合分析的原理、有效应力原理、基本控制方程和渗流连续方程,对多级黄土高边坡进行了降雨入渗影响下的稳定性分析。但由于降雨入渗量不宜控制,基质吸力的影响因素众多且复杂,本文进行了基本的理论计算分析,然后通过采用有限元软件PLAXIS进行了渗流与变形耦合的有限元计算,并对计算结果进行分析,确定降雨入渗对多级高边坡稳定性的影响情况。

    2 数值计算模型建立

    雨水入渗会导致边坡体积含水率变化,引起边坡渗流场发生变化,基质吸力变化,对边坡的稳定性产生严重影响。本文利用PLAXIS 3D有限元软件进行降雨入渗条件下边坡稳定性计算。

    2.1 有限元计算模型

    本文依托兰永线(兰州—永靖)一级公路深挖路堑多级高边坡为工程背景,考虑一坡高为30 m的多级边坡,边坡土体参数如表 1所示。本文所建边坡模型为五级边坡,每级边坡坡高均为6 m,每两级边坡之间设2 m宽的平台。其中第一、二级边坡采用1:0.75的坡度,三、四、五级边坡采用1:1的坡度。假定地下水位位于坡脚以下5 m处。为便于对计算结果进行分析,在边坡表面及内部均设置有监测点。由于边坡较高,降雨入渗仅对坡顶一定深度范围的土体影响较大,故在坡顶一定范围内监测点布置加密。模型如图 1所示,监测点分布如图 2所示。

    表 1 土体物理力学参数 Table 1 Physico-mechanical parameters of soil mass

    图 1 边坡三维有限元模型 Fig. 1 The three-dimensional finite element model of slope

    图 2 监测点分布图 Fig. 2 Distribution of monitoring points

    2.2 PLAXIS有限元耦合计算设置

    本文在降雨工况下,采用PLAXIS 3D中的“渗流与变形完全吻合”计算方式对模型进行有限元计算。在有限元计算中考虑降雨入渗对基质吸力的影响,即为进行渗流场与应力场的耦合计算。假设边坡体具有固定地下水位且水位面以上土体处于非饱和状态作为降雨入渗计算的初始条件。首先采用PLAXIS中提供的“K0过程”生成初始应力,并采用Jaky经验公式K0=1-sinφ计算K0值。边坡土体饱和渗透系数取kx=ky=kz=0.48 m·d-1

    2.3 渗流边界条件

    降雨强度与降雨持续时间具有随机不确定性,降雨入渗量又受到降雨强度和土体渗透系数的影响,因此降雨入渗过程十分复杂。根据Mein和Larson提出的降雨入渗理论可知,当降雨强度介于水力渗透系数与土壤允许入渗量之间,或者小于水力渗透系数时,降雨全部入渗,不会发生地表径流;当降雨量大于水力渗透系数或土壤允许入渗量时,将有部分雨水发生地表径流,从而无法确定入渗量。因此,为了能够尽可能真实地反应降雨入渗对边坡的影响情况,就必须设置合适的降雨边界条件和降雨速率随时间变化函数,并将渗流函数指定给设置的渗流边界条件。本文采用降雨速率10 mm·h-1持续降雨6 d与降雨速率20 mm·h-1持续降雨3 d等2种降雨速率进行计算,计算时长均取12 d。

    降雨过程中整个边坡体都发生雨水入渗,而并不局限于某一局部,因此降雨入渗是以整个边坡坡顶与坡面都受降雨影响作为边界条件的。PLAXIS有限元软件假定坡顶水平坡面为完全入渗边界,斜坡面分解为垂直坡面雨量与平行坡面雨量,其中垂直坡面方向为入渗雨量,平行坡面方向雨水发生地表径流。据此可确定降雨入渗量。

    2.4 土-水特征曲线

    土体的渗透系数在饱和土中为常数,非饱和土中,土体渗透系数随体积含水量的变化而变化。降雨过程是雨水不断渗透进入表层土体的过程。在降雨过程中,边坡体表层不同深度处的渗透系数随饱和度的变化而变化,直至达到饱和渗透系数,而土体基质吸力也因含水量的变化而不断地变化。现有研究理论已经证实基质吸力与渗透系数和土体饱和度之间均存在一定的函数关系(Lu et al., 2012)。戈德纳从实验中得到的非饱和土中水的渗透系数与饱和渗透系数以及基质吸力的关系,而有效饱和度与基质吸力的关系则主要采用Van Genuchten模型:

    $ {k_w} = {k_{ws}}/\left\{ {1 + {{\left[ {a\left({{u_a} - {u_w}} \right)/\left({{\rho _w}g} \right)} \right]}^n}} \right\} $ (8)

    $ {S_e} = \frac{{S - {S_r}}}{{1 - {S_r}}} = {\left\{ {\frac{1}{{1 + \left[ {\alpha {{\left({{u_a} - {u_w}} \right)}^n}} \right]}}} \right\}^{1 - 1/n}} $ (9)

    式中,kw为土体任意饱和度下的渗透系数;kws为饱和土体的渗透系数。SrSe分别为任意饱和度和最大饱和度。由以上关系可知,渗透系数、饱和度与基质吸力之间存在一定的非线性关系,可根据不同饱和度得到对应的基质吸力与土体渗透系数。本文采用的土-水特征曲线如图 3所示。

    图 3 土的渗透性函数(a)和土-水特征曲线(b) Fig. 3 Permeability function and SWCC a.土的渗透性;b.土-水特征曲线

    3 数值计算结果分析
    3.1 边坡体有效应力分析

    在PLAXIS有限元软件中,笛卡儿有效应力反映了复杂应力状态下土骨架中的应力。由有效应力原理可知,有效应力受孔隙水压力变化的影响,因此,降雨入渗会导致边坡有效应力的变化。图 4为不同降雨强度下各监测点有效应力σzz与时间关系。坡顶监测点A有效应力受降雨影响明显,降雨初期,有效应力急剧减小,随后有效应力缓慢减小。监测点B有效应力变化较小,且有滞后效应。监测点C、D有效应力几乎不受影响。停止降雨后,监测点A、B有效应力逐渐恢复,但B点有效应力恢复相对于A点有一定滞后。对比两图可知,强降雨下,初期有效应力减小更快,且降雨结束12 d后有效应力恢复更明显。以上表明雨水随时间缓慢入渗,且仅对表层一定范围的有效应力产生影响。

    图 4 不同工况下有效应力随时间变化 Fig. 4 The effective stress changes with time under different working conditions a.工况二(10 mm·h-1);b.工况三(20 mm·h-1)

    3.2 边坡体基质吸力分析

    PLAXIS软件中,将边坡体内所有正的孔隙水压力定义为基质吸力。基质吸力对非饱和土边坡的稳定性起着重要的作用,降雨入渗导致边坡体的体积含水率发生变化,从而使边坡体的基质吸力降低,对边坡的稳定性产生不利的影响。图 5为边坡体在不同工况下的基质吸力变化云图与基质吸力随坡高分布剖面图。

    图 5 不同工况下边坡吸力分布 Fig. 5 Slope suction distribution under different working conditions a.正常工况;b.工况二结束时(6 d);c.工况三结束时(3 d)

    由不同工况下边坡基质吸力变化可知,降雨前边坡体基质吸力在地下水位以下为0,地下水位以上随坡高线性递增,这与已有理论相吻合,说明模型设置与采用的计算方法均合适。由图 5b图 5c可知,在降雨条件下,坡顶与坡面的基质吸力最先受到影响,基质吸力几乎降低为0。随着降雨的持续,雨水向坡体内入渗,基质吸力也随雨水的渗入逐渐减小。但由于边坡体较高,而非饱和土又具有一定的持水能力,降雨对边坡体表层一定深度范围的基质吸力影响较大。对比图 5b图 5c可知,在降雨总量一定时,长时间缓慢降雨对边坡体的基质吸力影响范围更大。这也说明雨水入渗是一个随时间缓慢进行的过程,且受多种因素的影响。短时间急剧降雨会更可能发生地表径流。

    3.3 边坡体位移变化分析

    边坡体的位移大小是反应边坡稳定性直观的表现。图 6为不同工况下边坡各级坡脚处监测点E~I水平位移变化图。由图 6可知,降雨入渗对边坡坡面水平位移影响较小,降雨前后坡面最大水平位移与正常工况下相差不大,监测点F~I在降雨初期位移缓慢增大,降雨一段时间后,各监测点水平位移几乎维持不变。监测点E水平位移有减小趋势,可能原因为边坡较高,坡顶竖向位移在降雨后变化较大,导致监测点E有向坡内的相对位移。两种不同降雨工况下,坡面最大位移发生在坡脚附近位置处,且各位置处水平位移变化规律差别不大。

    图 6 不同工况下坡面监测点水平位移 Fig. 6 Horizontal displacement of slope surface monitoring points under different working conditions a.工况二(10 mm·h-1);b.工况三(20 mm·h-1)

    图 7为监测点E~I竖向位移变化图。由图可知,降雨入渗对边坡竖向位移影响较大。坡面监测点E竖向位移最大,由降雨前的0.04 m增大为降雨结束时的0.081 m(10 mm·h-1)和0.076 m(20 mm·h-1)。各点竖向位移在降雨初期迅速增大,随降雨时间持续,位移增速变缓直至基本保持不变,降雨停止后,各点位移缓慢恢复。雨水入渗对黄土边坡竖向位移影响较大,也与黄土的湿陷性有关。

    图 7 不同工况下坡面监测点竖向位移 Fig. 7 Vertical displacement of slope surface monitoring points under different working conditions a.工况二(10 mm·h-1);b.工况三(20 mm·h-1)

    3.4 边坡安全系数及滑移面变化分析

    边坡安全系数可直观地反映边坡的稳定状况。PLAXIS 3D有限元软件可通过强度折减法进行边坡体的安全性计算。计算得出该边坡在正常工况下、降雨6 d(10 mm·h-1)、降雨3 d(20 mm·h-1)下的边坡安全系数分别为1.432、1.258、1.298。由数值计算结果可知,降雨入渗引起边坡安全系数降低。在降雨总量相同的情况下,长时间缓慢降雨时安全系数降幅更大。这也说明随着雨水的入渗,边坡体的基质吸力降低导致有效应力较小,并且边坡体重度增加,导致下滑力增大,最终引起边坡安全系数降低。

    边坡的滑移破坏总是沿某一滑移面发生,该滑移面即为最危险滑移面。PLAXIS 3D有限元软件可以搜索边坡的众多潜在滑移面,并确定最危险滑移面,从而可更加直观地对比分析不同工况下滑移面的变化情况,得出不同降雨强度对边坡稳定性的影响情况。图 8为该5级高边坡在不同工况下的滑移面变化云图。对比图 8不同工况滑移面云图可知,受降雨入渗的影响,边坡的最危险滑移面显著发生变化,边坡体发生滑移破坏的可能性也随之增大。相对于降雨速率快的情况,缓慢长时间降雨过程中,雨水入渗范围广,滑移面变化也更明显。

    图 8 不同工况下边坡滑移面变化 Fig. 8 Slope slip surface changes in different working conditions a.正常工况;b.工况二(10 mm·h-1);c.工况三(20 mm·h-1)

    4 结论

    本文在分析边坡体的体积含水率变化导致基质吸力变化,进而影响边坡体有效应力的情况,依托实际工程并采用PLAXIS有限元软件对多级黄土高边坡进行了降雨入渗下的稳定性分析。通过设置不同的降雨速率函数,利用渗流与变形耦合计算,得出边坡有效应力、基质吸力、滑移面以及安全系数的变化规律。

    (1) 降雨入渗对边坡表层土体的有效应力影响较大。降雨初期,表层有效应力急剧减小,随降雨持续,雨水逐渐向边坡内部入渗,引起相应位置处有效应力的减小,边坡内部监测点有效应力的减小具有滞后性。降雨结束后,随着雨水的蒸发边坡体各点处的有效应力逐渐恢复。

    (2) 降雨入渗条件下,边坡表层的基质吸力随雨水入渗降低明显,且随距离坡顶的距离增加,基质吸力受降雨影响越来越小。降雨停止后,边坡浅层土的基质吸力随着雨水的消散逐渐恢复。

    (3) 降雨入渗对边坡坡面竖向位移影响较大,对水平位移影响较小。竖向位移最大值发生在坡顶,也表明黄土边坡受降雨入渗影响发生一定的湿陷。各点位移均在降雨初期急剧增大,降雨持续一段时间后,位移几乎维持不变,降雨停止后,位移随雨水蒸发逐渐恢复。

    (4) 降雨入渗条件下,边坡体的安全系数与正常工况相比有较明显的降低,滑移面也随着雨水入渗发生明显变化,导致边坡发生滑移破坏的可能性增大,若发生滑坡将造成严重的损失。

    通过以上分析可知,降雨入渗对边坡的稳定性存在严重的影响。降雨过程中及降雨后一定时间内,表层边坡体的吸力降低明显,导致边坡体有效应力减小,在这种状况下边坡更容易发生失稳破坏。因此在边坡设计与施工中,应做好边坡的防排水措施,降低因降雨入渗引起边坡破坏的情况的发生。

    参考文献
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