考虑降雨入渗影响的边坡稳定分析

朱 亭，谢安勇

(九江市公路管理局永修分局)

1 影响边坡稳定性的主要因素

影响边坡稳定性的主要因素是边坡中的渗透水压力和渗透场分布，最具有破坏边坡稳定性的莫过于历时长、强度大的暴雨。最近些年来，由于降雨导致边坡稳定性的破坏越来越多，备受学者们的关注，他们研究的重点是对非饱和土土力学，对于非饱和土的力学性质影响特别大的就是由于土中气相的存在引起的，土、水和气三相交界面上的吸力，这是一项十分复杂的性质。目前我国在非饱和土的强度、变形问题上面已经有了初步的理论，但发展还不够成熟。土在实际工程中我们见得最多的就是以土粒、孔隙水、孔隙气形式存在，我们就是借用土—水特征曲线来测定和分析吸力，由于实际性状跟经典土力学原理不是完全的相符，这也是我们一个有待进步的研究方向。对于渗流与应力的相互作用如果不加以考虑就会带来一定的误差，同时如果不考虑地下水位非饱和区土体基质吸力的抗剪强度得到的结果也会有很大的误差。显然，只有对降雨入渗过程有效的分析和模拟才能深入的研究公路边坡性问题。

2 根据饱和土力学理论的边坡稳定性剖析方式探究

饱和土体Mohr－Coufomb 强度准则的基础是极限平衡方法，分析土体所受力与内部强度所提供的抗力在临近破坏状态下的平衡，着重于计算自身或结构物作用下的稳定性程度，他最大的优点就是对土体破坏瞬间的变形机制，对于力矩平衡和应力边界有较为深刻的计算，不足之处在于对土体变形过程没有关心。饱和土力学理论认为降雨入渗是造成坡地内地下水位上升的主要因素，边坡稳定性降低，甚至出现失稳是由于静水压力增大，最开始分析降雨过程中边坡体内的水压力运用的就是分段法以及基本抛物线法，后来随着技术的不断发展，开始使用饱和渗流模型来模拟降雨作用下边坡体内的渗流场。

3 根据非饱和土力学理论的边坡稳定性剖析方式探究

在雨水达到浅水面的时候经历了一个非饱和到饱和过程的渗流过程，降雨前研究土体处于非饱和状态的物理性质在边坡稳定性降低甚至失稳中起着至关重要的作用，随着土体力学的不断发展，降雨影响边坡稳定性提供了一些新的理论基础。边坡中处于非饱和状况的土体物理!力学性质，在降雨入渗过程当中的转变(见表1)。

表1 几种土体的非饱和抗剪强度

4 降雨作用下的边坡稳定分析方法

极限平衡分析方法是工程中应用于边坡稳定分析最常用的方法，饱和土的有效应力是传统极限平衡分析法的基础，在计算边坡的安全系数的时候就是采用有效抗剪强度参数，其中不考虑地下水位以上非饱和区土体压力水头提供的抗剪强度，其中在考虑降水时边坡稳定，最主要的是考虑土体抗剪强度的降低，然而土体抗剪强度的降低主要是因为降雨入渗坡体内部浸润面抬高，土体饱和容重增加。其不足之处就是没有考虑负压区抗剪参数的降低和非饱和区土体的抗滑作用。人们在不断实践的过程中也不断的进行一些有益的探索和改进，特别是加拿大学者Fredlund，他在非饱和土的研究方面做出了巨大的贡献，在模拟暂态渗流过程运用有限元法，且运用参数研究边坡的稳定性，在研究中加入了正负孔隙水压力，分析暴雨入渗下边坡的瞬态渗流场和稳定性，得到的结果就是安全系数显著降低的原因是高强度的降雨，而渗透系数对其影响不大，结果表明在边坡稳定性中基质吸力起着举足轻重的作用。

5 两相流—应力耦合方法

温度和压力函数的情况就是颗粒可压缩、孔隙流体的密度，其就是在两相流不混溶流体的理论的基础上推导出两相流—应力耦合模型，运用Galerkin 经验公式实现两相流计算，通过各控制方程在空间域和实践域离散，逐渐的开发相应的有限元程序，通过其算例的数值模拟可以较为准确的反映非饱和土的温度与压力变化时饱和度的规律，其相对渗透率与饱和度Sv 有关。如图1 所示:

图1

式中，a、b、c 为常量;Se 为有效饱和度，与水相残余饱和度有关。毛细压力定律表达式为:

式中:P0为水的重度;R 为表面张力;k 为固有渗透率;n 为孔隙率。水的重度P0与表面张力R、固有渗透率k、孔隙率n相关，如图2 所示。

图2

通过改变有效应力导致应变，耦合任何嵌入的本构模型与两相流渗流来模拟此效果多孔固体的本构反应增量有如下形式

式中:H 为本构公式的泛函形式;k 为过程参数。由式中可以看出孔隙压力和饱和度的变化是由体积变化所引起的，数值的计算中，结合附加耦合效应与饱和度增量显式方程，更新每一个计算过程的结点，准确的计算出流固耦合。

6 模型参数选取

选取云南高速公路具有代表性的残积土边坡的土体参数的推荐值，采取van Genuchten 公式插值替代水O 土特征曲线和渗透性函数插值方式，相干计算参数如表2 所示。土体初始饱和度设为假定残余饱和度为0)，气相的渗透系数通过式(2)，由水相的饱和渗透系数计算得到。

表2 边坡土体参数选取表

参照贵州地区气象条件，以及与我国的气象部门采用的降雨强度标准进行对比，在实验中我们假设3 种情况的降雨强度，第一种是强度为100 mm/d，第二种降雨强度为200 mm/d，第三种雨强度为300 mm/d。

图3 空隙压力云图

图3 中可以看出，4m 以上的区域为毛细水不能达到的区域，该区域必须保持初始的饱和度恒定孔隙水的压力值。大雨时，持时的增加导致孔隙水压力和幅度增加。坡脚处孔隙水压力增加较快，压力会超过右侧压力，孔压的区域变得很小。

［1］龙驭球.弹性地基梁的计算［M］.北京:人民教育出版社，1981.

［2］吴为义.盾构隧道周围地下管线的性状研究［D］.杭州:浙江大学建筑工程学院，2008.

［3］吴小刚，张土乔，宋洁人，等.参变管道系统在随机交通载荷下响应特征分析［J］.中南公路工程，2006，31(2):58－61.