不同降雨類型下混合花崗巖路塹邊坡穩定性分析

陳景松,周春梅*,吝曼卿,董高一,高 鵬

(1.武漢工程大學土木工程與建筑學院,湖北 武漢 430074;2.武漢工程大學資源與安全工程學院,湖北 武漢 430074)

從國家對道路的整體規劃中可以看到線路在途經山地或丘陵時,常常存在許多開挖天然地面形成的路基,并由此形成了大量的路塹邊坡。其中混合花崗巖土層在我國亞熱帶和熱帶地區廣泛存在[1],這類邊坡在一定的護坡處理下,往往具有較好的穩定性。但是近幾年極端氣候頻發,全國各地頻繁出現強降雨事件,在降雨入滲過程中,巖土體由非飽和趨于飽和,其含水量的增加致使孔隙水壓力上升,巖土體的自重增大,巖土體內部結構發生變化[2-4],而且降雨對該類土層具有不可逆的沖刷破壞、強度軟化等作用[5-6],這些都會導致邊坡有失穩變形的風險。

近年來,國內外的學者越來越關注降雨對邊坡穩定性的影響,數值模擬方法是研究降雨入滲過程中邊坡穩定性變化最為廣泛的手段之一,該方法借助計算機強大的建模和計算能力可分析出滑坡的穩定性以及相應的滲流特性。如:曾鈴等[7]基于有限元模擬的方法,分析了降雨入滲下土體中暫態飽和區的分布規律;聶超等[8]利用FLAC3D軟件,分析了不同降雨強度、不同降雨歷時下邊坡變形的情況;王元戰等[9]采用有限元軟件ABQUS,研究了不同降雨強度下巖土體滲透系數與邊坡穩定性的關系。

在實際工程中地質和氣候條件往往是復雜的。針對不同地質條件的研究有:王葉嬌[10]研究了膨脹土路塹邊坡在降雨入滲條件下土體孔隙水壓力、體積含水量的變化規律以及邊坡的穩定性;Qi等[11]針對全風化花崗巖邊坡研究了其在降雨條件下的響應規律。實際的降雨中,降雨強度的動態變化以及降雨的停-歇交替變化都是比較復雜的,如:袁春娜[12]研究了超前型、延后型、凸型和平均型降雨對路塹邊坡的影響,得出常規平均型降雨對滑坡穩定性的影響更明顯;李紹紅等[13]將實際降雨劃分為均勻型、遞減型、峰值型和遞增型4種類型,得出不同降雨類型對邊坡穩定性的影響較大。為了對邊坡失穩規律有更全面的認識,國內外學者還在飽和-非飽和滲流理論的基礎上針對不同工況、不同土質的邊坡失穩規律進行了大量的研究。如:劉杰等[14]對不同降雨強度、土質類型、土體表面的吸力以及邊坡坡度下的邊坡降雨入滲深度和飽和區變化規律進行了研究;唐靜等[15]研究了不同降雨條件下路塹邊坡巖土體的體積含水率、孔隙水壓力和暫態飽和區的變化規律;蔡榮坤等[16]在研究不同降雨強度和降雨歷時的同時,分析了邊坡坡率對降雨條件下路塹邊坡穩定性的影響;王江平等[17]分析了降雨強度對不同巖土體滲透系數邊坡穩定性的影響。

目前對于降雨入滲下路塹邊坡的穩定性研究取得了許多成果,但對于混合花崗巖路塹邊坡的穩定性研究較少,并且在邊坡穩定性研究中將不同降雨類型和巖土體滲透系數結合起來考慮的并不多。鑒于此,本文依托云南省墨江至臨滄公路的混合花崗巖路塹邊坡工程實例,利用Plaxis2D數值模擬軟件,著重研究了不同降雨類型、巖土體滲透性系數對混合花崗巖路塹邊坡穩定性的影響,以便為該類型路塹邊坡失穩破壞機理的研究以及邊坡的治理設計提供參考。

1 邊坡穩定性分析理論

1.1 強度折減有限元法

強度折減有限元法[18]的基本原理是通過公式(1)和(2)將巖土體的強度指標c、φ進行同步調整,其中Ft為折減系數,并對邊坡進行有限元分析,通過不斷地增加折減系數Ft反復分析邊坡穩定性直至其達到臨界破壞,此時得到的折減系數即為邊坡穩定性系數Fs。具體計算公式如下:

ct=c/Ft

(1)

φt=arctan(tanφ/Ft)

(2)

上式中:ct、φt分別為邊坡臨界破壞時的黏聚力(kPa)和內摩擦角(°)。

本文邊坡穩定性計算時選用的Plaxis2D[19]數值模擬軟件中強度參數的減小由總乘子∑Msf(相當于折減系數Ft)來控制,這個參數將逐步增加,直到邊坡達到臨界破壞。最終步的乘子∑Msf即為邊坡穩定性系數。

目前,Plaxis2D軟件有限元分析中確定邊坡臨界破壞狀態通常采用3個失穩判據[20]:①剪切面上位移產生突變;②產生很大且無限制的塑性變形;③數值計算解的不收斂性。

1.2 非飽和土理論

非飽和土的抗剪強度準則可采用莫爾-庫侖準則和Bishop有效應力法則[19],具體表示如下:

τf=c′+(σ-ua)ftanφ′+χ(ua-uw)ftanφ′

(3)

式中:τf為抗剪強度(kPa);(σ-ua)f為土體破壞時破壞面上的凈法向應力(kPa);(ua-uw)f為土體破壞時破壞面上的基質吸力(kPa),隨著土體逐漸飽和,該值逐漸趨向于0;ua為土體破壞時破壞面上的孔隙氣壓力(kPa);uw為土體破壞時破壞面上的孔隙水壓力(kPa);c′為土體有效黏聚力(kPa);φ′為土體有效內摩擦角(°);χ為土體有效應力參數,是一種材料變量,其值在0～1的范圍內。由于χ(S)函數比較復雜,所以Plaxis2D軟件中令χ=S(S為土體飽和度)。

土-水特征曲線(SWCC)[21]是描述土體基質吸力與含水量之間本構關系的函數曲線,Van Genuchten模型[22]是巖土工程中常用的表示土-水特征曲線函數形式的模型,也是Plaxis2D軟件中滲流模塊中采用的模型,其數學表達式如下:

(4)

式中:Se為土體有效飽和度;Sr為土體殘余飽和度;α和n為擬合參數,其中參數α近似等于進氣壓力值的倒數(kPa-1),其取值范圍為0<α<0.5 kPa-1,參數n為土水特征曲線指數(即曲線的形狀參數)或孔徑分布指數,與該曲線的陡緩程度有關,本文中n通過模擬軟件擬合取1.66;ua-uw為土體基質吸力(kPa)。

采用Van Genuchten巖土體滲透系數函數模型,其數學表達式如下[21]:

(5)

式中:ψ為土體基質吸力(kPa),取正值;Ks為土體飽和滲透系數(cm/s);Kr為土體相對巖土體滲透系數(無量綱);m為擬合參數,其中m=(n-1)/n。

2 邊坡穩定性有限元模擬計算

本次選用Plaxis2D軟件對混合花崗巖路塹邊坡滲流與變形耦合進行計算分析,并利用強度折減有限元法研究其穩定性變化規律。

2.1 邊坡巖土體參數及邊界條件

在地質結構方面,混合花崗巖邊坡的原巖結構基本被破壞,僅具有微弱的殘余強度,通常呈現出層理狀、節理狀等復雜結構?；旌匣◢弾r邊坡中的巖石由于風化作用,其內部礦物質和黏土礦物質被分解,導致其結構疏松,抗剪強度的主要成分逐漸變為以膠結作用為主的黏聚力,黏聚力隨土體含水率的增加逐漸減小,土體強度減小明顯,即土體軟化,使得邊坡更易受降雨作用的影響[23]。

根據地質勘察報告給出的物性參數,結合試驗及現場踏勘,獲得數值計算采用的邊坡巖土體物理力學性質參數[21]如表1所示。

表1 邊坡巖土體物理力學性質參數

根據巖土體類型、顆粒級配以及相關的試驗數據[21],土-水特征曲線和土的滲透性函數通過Plaxis2D軟件中的Van Genuchten方程擬合而成,如圖1所示。圖中Ψ為土體基質吸力水頭(m),Sr為土體殘余飽和度,Kr=K/Ksat表示土體相對巖土體滲透系數(無量綱),可以看出當土體飽和度為0.7時,土體基質吸力水頭為-0.5 m,此時土體相對巖土體滲透系數為0.01。

圖1 土-水特征曲線和土的滲透性函數Fig.1 Soil-water characteristics curves(left)and Permeability function of soil(right)

邊界條件設置如下:左、右邊界為法向約束,且為透水邊界;底部邊界為固定約束,并且為不透水邊界;上表面為降雨流量邊界且無其他荷載。同時,本文假設坡面不積水。

2.2 簡化模型的建立

對降雨條件下邊坡穩定性的分析受邊坡形狀因素(例如邊坡臺階、邊坡坡率等)的影響,為了得出一般規律先對坡率一定、無臺階的標準邊坡進行分析,進而為研究實際邊坡提供一定的參考。

由于混合花崗巖邊坡的內部結構以及巖土體參數類似于土質邊坡,這里將混合花崗巖邊坡做均一化處理,建立如圖2所示的均質邊坡模型,模型大小為23 m×15 m,邊坡高10 m,長13 m,坡度為1∶1.25,地下水水位位于坡腳以下4 m處。

圖2 均質邊坡模型及網格剖分Fig.2 Homogeneous slope model and mesh generation

2.3 巖土體滲透系數確定及模擬工況設置

2.3.1 巖土體滲透系數確定

由于公路全段較長,混合花崗巖的物理力學性質存在空間差異性,因此依據部分巖土體滲透試驗結果和當地已有工程中巖土體滲透系數的取值范圍[24],將此次模擬計算采用的巖土體滲透系數K分別設置為0.432、0.900、4.320 m/d。

根據云南臨滄氣象資料[25],當地旱季以中雨為主,雨季以大雨為主,因此設置降雨強度為20 mm/d(中雨)、50 mm/d(大雨)(兩種降雨強度均小于邊坡巖土體的飽和滲透系數)[26],并且將持續性降雨簡化為均勻型降雨和間歇型降雨兩種降雨類型。三種降雨工況設置見表2。

表2 三種降雨工況設置

3 模擬計算結果與分析

3.1 不同巖土體滲透系數條件下降雨強度對邊坡穩定性的影響

3.1.1 對邊坡土體飽和度的影響

在不同降雨強度的均勻型降雨的影響下,不同巖土體滲透系數的邊坡在降雨歷程中土體飽和度的變化,見圖3、圖4和圖5。

圖3 不同降雨強度下邊坡土體飽和度的變化(巖土體滲透系數K=0.432 m/d)Fig.3 Variation of slope soil saturation under different rainfall intensities(permeability coefficient of rock mass K=0.432 m/d)

圖4 不同降雨強度下邊坡土體飽和度的變化(巖土體滲透系數K=0.900 m/d)Fig.4 Variation of slope soil saturation under different rainfall intensities(permeability coefficient of rock mass K=0.900 m/d)

圖5 不同降雨強度下邊坡土體飽和度的變化(巖土體滲透系數K=4.320 m/d)Fig.5 Variation of slope soil saturation under different rainfall intensities(permeability coefficient of rock mass K=4.320 m/d)

由圖3、圖4和圖5可以看出:

1) 當巖土體滲透系數K為0.432 m/d時,降雨5 d后,土體飽和度在邊坡表層土體內升高,其中工況1條件下土體飽和度增大約50%,工況3條件下增大約65%,這是因為巖土體滲透系數較低時,雨水入滲緩慢,只對一定范圍內的邊坡表層土體產生影響,而工況3條件下降雨強度增大,相同時間內更多雨水入滲,導致邊坡土體飽和度變化更大,而土體飽和后雨水更易入滲,這也是工況3條件下降雨入滲影響深度更大的原因[圖3(b)、(e)];停雨5 d后,邊坡表層土體內雨水繼續入滲,并且未得到補充,土體孔隙水壓力逐漸減小,土體飽和度逐漸降低,其中工況3條件下降雨入滲的深度更大,邊坡土體整體飽和度比工況1高出約5%[圖3(c)、(f)]。

2) 當巖土體滲透系數K為0.900 m/d時,降雨5 d后,通過對比圖3與圖4可以看出,工況1和工況3條件下邊坡土體飽和度的變化規律基本一致,區別在于土體飽和度升高幅度有所降低且降雨入滲深度增大,當K為0.900 m/d時工況1條件下邊坡土體飽和度升高約40%、工況3條件下增大約50%,分析其原因是巖土體滲透系數增大后,雨水入滲變快,邊坡表層土體還未達到飽和,雨水就繼續入滲,這也正是雨水入滲深度相對增大的原因;停雨5 d后,土體內雨水繼續入滲,之前受到降雨影響的邊坡土體飽和度也逐漸降低,降雨入滲的深度約增大1倍,且工況3比工況1降雨入滲的深度約深2 m[圖4(c)、(f)]。

3) 當巖土體滲透系數K為4.320 m/d時,由圖5可知:在工況1條件下,降雨5 d后降雨入滲的影響深度范圍進一步增大,邊坡土體飽和度升高30%左右,停雨5 d后,隨著土體內雨水繼續入滲,之前受到降雨影響的邊坡土體飽和度也逐漸降低至50%左右,雨水入滲深度增大約1 m;而在工況3條件下,雨水入滲速度較工況1更快,邊坡土體飽和度升高40%以上,濕潤鋒周圍的土體趨向完全飽和,停雨后,雨水繼續入滲,邊坡土體飽和度隨之降低,邊坡坡腳處雨水入滲達到地下水水位線處。

綜上分析可以得到:當巖土體滲透系數一定時,降雨強度越大即降雨強度為50 mm/d時,降雨入滲的深度越大,約是降雨強度為20 mm/d時的2倍,邊坡土體飽和度升高比降雨強度為20 mm/d時高約5%～10%;當降雨強度一定時,巖土體滲透系數越大,降雨入滲深度的影響范圍就越大,巖土體滲透系數K=4.320 m/d時比K=0.432 m/d時降雨入滲的影響深度約增大2倍左右,但邊坡土體飽和度的升高卻隨之越低,巖土體滲透系數K=4.320 m/d時比K=0.432 m/d時邊坡土體飽和度降低約15%～25%。

通識教育課程（必修部分）的比例為20%，學科專業知識課程的比例為35%，教師教育類的課程占到了45%的比重。其中，理論和實踐類課程各占62%和38%的比例。教師教育課程包括教學職業素養課、教育基本理論課、教學技術能力課和教師實踐能力等。教學計劃用兩年時間完成通識教育課程、學科專業課程、教師教育課程（教學職業素養課+教育基本理論課+教學技術能力課等），第五學期實施教師實踐能力課程?；蛘呱钊胄W課堂一線，進行教育實習（252學時），強化實踐教學技能，第六個學期進行畢業實習與創新創業實踐（252學時）。

3.1.2 對邊坡穩定性系數的影響

邊坡穩定性系數是評判邊坡整體穩定性的重要指標,本文運用Plaxis2D軟件對不同巖土體滲透系數和不同降雨強度條件下混合花崗巖路塹邊坡穩定性系數進行分析,得出邊坡穩定性系數隨整個降雨過程歷時的變化曲線,見圖6。

圖6 不同巖土體滲透系數和降雨強度下邊坡穩定性系數與降雨時長的關系曲線Fig.6 Relationship curves between slope stability coefficient and rainfall duration under different rock and soil permeability coefficients and rainfall intensities

由圖6可以看出:

1) 兩種工況下邊坡穩定性系數都隨著降雨時間增加而逐漸減小,且在停雨后邊坡穩定性系數仍有下降趨勢,最后邊坡穩定性系數變化趨于穩定,但仍小于邊坡初始的穩定性系數。

2) 在巖土體滲透系數保持不變時,降雨強度為50 mm/d時邊坡穩定性系數下降幅度比降雨強度為20 mm/d時更大,例如當巖土體滲透系數K為0.432 m/d時,在50 mm/d的降雨強度下邊坡穩定性系數下降0.03,而在20 mm/d的降雨強度下僅下降0.021,下降幅度增大0.009,而且隨著巖土體滲透系數的增大,降幅也越大,當巖土體滲透系數K為4.320 m/d時,在50 mm/d的降雨強度下邊坡穩定性系數下降幅度最大達到0.121,這是因為隨著降雨強度的增大,雨水入滲量增多,受影響的土體范圍增大,土體基質吸力降低更多,土體黏聚力和內摩擦角下降更快,邊坡的穩定性系數降低越大;當降雨強度不變時,巖土體滲透系數越大,邊坡穩定性系數降幅就越大,在降雨強度為20 mm/d時,巖土體滲透系數大的邊坡的穩定性系數比巖土體滲透系數小的下降幅度增大0.015,且在降雨強度最大即達到50 mm/d時,邊坡穩定性系數降幅達到最大,大的巖土體滲透系數大的邊坡的穩定性系數比巖土體滲透系數小的下降幅度增大0.091,其原因是巖土體滲透系數越大,雨水入滲速度越快,降雨入滲的深度越深,受影響的土體范圍越大,邊坡的穩定性系數就越低。

3) 停雨后兩種工況下邊坡穩定性系數仍然在下降,這是因為降雨對邊坡的影響存在滯后性[22]。之后,由于缺少雨水的補給,土體內的雨水逐漸消散,土體飽和度降低,土體基質吸力增大,邊坡穩定性系數略微增大,但由于邊坡已經發生塑性變形,其穩定性系數較初始狀態還是有所降低。

3.2 不同巖土體滲透系數條件下降雨類型對邊坡穩定性的影響

3.2.1 對土體飽和度的影響

在不同降雨類型的降雨影響下,不同巖土體滲透系數的邊坡在降雨歷程中土體飽和度的變化見圖3至圖5(均勻型降雨)和圖7(間歇型降雨)。

由圖7可以看出:在不同巖土體滲透系數下,工況1和工況2下在10 d降雨后邊坡土體內部雨水入滲深度和土體飽和度均升高,且巖土體滲透系數越大,土體內部降雨入滲深度越大,而土體飽和度的增幅越小;在停雨階段,邊坡土體內部雨水繼續入滲,濕潤鋒繼續推進,更大范圍的土體基質吸力減少。

在總降雨量不變的情況下,相比于間歇型降雨,均勻型降雨短時間內較大地提高了邊坡表層土體的飽和度,巖土體滲透系數相對提高,使得雨水入滲速度更快,因此降雨入滲深度更深,如在3種不同巖土體滲透系數下,間歇型降雨的最大入滲深度分別為0.81、1.07、1.62 m,而均勻型降雨分別為1.23、2.16、2.60 m,相比間歇型降雨增大了約25%;停雨后土體飽和度在間歇型降雨條件下比在均勻型降雨條件下高約5%左右。

3.2.2 對邊坡穩定性系數的影響

不同巖土體滲透系數和降雨類型條件下邊坡穩定性系數隨降雨歷時的變化關系曲線如圖8所示,其最小穩定性系數如表3所示。

圖8 不同巖土體滲透系數和降雨類型下邊坡穩定性系數與降雨時長的關系曲線Fig.8 Relationship curves between slope stability coefficient and rainfall duration under different rock and soil permeability coefficients and rainfall types

表3 邊坡最小穩定性系數隨巖土體滲透系數的變化

由表3和圖8可知:當降雨強度一定時,巖土體滲透系數越大,對于不同降雨類型,邊坡穩定性系數均表現為降低,且均勻型降雨條件下邊坡穩定性系數下降得更多;當降雨類型一定時,巖土體滲透系數越大,邊坡穩定性系數越低。

4 工程實例分析

4.1 工程背景

云南省墨江至臨滄公路路線K272+880～K273+080段地形起伏較大,設計擬以深挖路塹形式通過,該深挖路段總長為200 m。施工開挖后將在路線右側形成高約53.82 m的土質邊坡(后文稱K272邊坡),如圖9所示。

圖9 云南墨江至臨滄公路K272+940標段邊坡橫斷面示意圖Fig.9 Slope cross section diagram of Yunnan Mojiang to Lincang highway K272+940 section

根據地質調查揭露結果,K272邊坡地層巖性由粉質黏土及混合花崗巖構成,其中混合花崗巖全風化,為灰黃色、灰褐色,主要由長石、石英及黑云母等礦物組成,呈砂土狀散體結構,遇水易崩解。該深挖路段無地表水體存在,地表水不發育,而挖方該路塹段水文地質條件較簡單,地下水水位埋深較深,對挖方路塹的影響較小,因此不考慮地表水和地下水的影響。該邊坡所在區域雨量充沛,旱、雨季分明,年平均降雨量為1 112.0～1 964.4 mm,80%的雨量集中在6—9月份,且多霧而潮濕,連續降雨日達20日以上,11月至次年4月為干季,降雨量極小,氣候干燥多風。

4.2 Plaxis2D建模與計算

K272邊坡體是一個深挖路塹多級高邊坡,坡體分為6級,且每級邊坡之間設2 m寬的平臺,坡體總高為54 m,其中一級邊坡坡高為4 m,坡度為1∶1.25,二、三、四級邊坡坡高均為10 m,坡度為1∶1.25,五、六級邊坡坡高為10 m,坡度為1∶1,地下水水位位于坡腳以下10 m處。建立的K272邊坡模型及網格剖分如圖10所示。

圖10 K272邊坡模型及網格剖分圖Fig.10 K272 slope model and grid subdivision diagram

數值模擬計算采用的巖土體物理力學性質參數和邊界條件與2.1節中一致。

基于對當地歷史降雨數據的統計分析,選取其旱季、雨季20年一遇的最大降雨量平均值設置為降雨強度,并將降雨類型簡化為均勻型的降雨以及間歇型降雨,設置的3種模擬計算工況,見表4和圖11。

圖11 K272邊坡降雨歷程圖Fig.11 Rainfall history diagram of K272 slope

表4 模擬計算工況設置

4.3 模擬計算結果與分析

4.3.1 對邊坡土體飽和度的影響

不同巖土體滲透系數、不同工況條件下邊坡土體飽和度的變化,見圖12和圖13。

圖12 不同工況下邊坡土體飽和度的變化(巖土體滲透系數K=0.900 m/d)Fig.12 Variation of slope soil saturation under different working conditions(permeability coefficient K=0.900 m/d)

圖13 不同工況下邊坡土體飽和度的變化(巖土體滲透系數K=4.320 m/d)Fig.13 Variation of slope soil saturation under different working conditions(permeability coefficient K=4.320 m/d)

當巖土體滲透系數K為0.432 m/d時,由于巖土體滲透系數較低,雨水入滲緩慢,降雨入滲量有限,所以3種工況無論是降雨時還是降雨停止后,邊坡土體飽和度基本保持不變,只在邊坡表層約0.2 m厚度的土體內土體飽和度發生了較小的變化,邊坡土體飽和度升高約為5%?？梢?邊坡土體飽和度的變化規律并不明顯,所以此處不做討論。

當巖土體滲透系數K為0.900 m/d時,由圖12(b)、(d)可以看出:在均勻型降雨條件下,邊坡土體飽和度的變化只發生在邊坡表層約2 m厚度的土層內,且其中大部分土體飽和度的變化較小,工況3條件下降雨強度的增大僅體現在邊坡臺階周圍的土體趨于完全飽和。由圖12(b)、(c)可知:在降雨強度不變的情況下,均勻型降雨和間歇型降雨對邊坡土體飽和度影響的范圍差別不大,主要差別在于間歇型降雨對邊坡土體飽和度的升高作用更大。究其原因主要是:當巖土體滲透系數約擴大2倍后,邊坡土體滲透系數依舊較小,降雨入滲深度依舊較小。但降雨強度越大,降雨入滲量越大,邊坡土體更易達到飽和狀態,均勻型降雨下上覆土體較快達到飽和狀態形成暫態飽和區[27],之后雨水更難進入土體,而間歇型降雨會有1天的緩沖期,使得雨水相較易于滲入土體。

當巖土體滲透系數K為4.320 m/d時,由圖8可以看出:在均勻型降雨條件下,降雨強度越大,雨水入滲速度越快,降雨入滲深度也越大,邊坡土體飽和度升高也越多,其中工況3條件下濕潤鋒深度較工況1擴大了1倍左右,且邊坡坡腳處雨水入滲都已達到地下水水位線處;在降雨強度一定時,均勻型降雨較間歇型降雨對邊坡土體飽和度的影響更大。

綜上可以得出:當巖土體滲透系數較小時,雨水入滲速度有限,降雨入滲深度僅在2～2.5 m范圍內,降雨強度和降雨類型對邊坡土體飽和度的影響較小,當巖土體滲透系數足夠大時,降雨強度越大,雨水入滲量越大,降雨入滲深度越深,如降雨強度為100 mm/d時的降雨入滲深度約是降雨強度為50 mm/d時的1倍,并且均勻型降雨較間歇型降雨對邊坡降雨入滲的影響深度增大約1.3 m。

4.3.2 對邊坡穩定性系數的影響

均勻型降雨條件下(工況1和工況3)邊坡穩定性系數隨降雨過程歷時的變化曲線,見圖14。

圖14 均勻型降雨(工況1和工況3)條件下邊坡穩定性系數與降雨時長的關系曲線Fig.14 Relationship curves between slope stability coefficient and rainfall duration under uniform rainfall condition (condition 1 and condition 3)

當巖土體滲透系數一定時,降雨強度越大,邊坡的穩定性系數越小,邊坡越不穩定;巖土體滲透系數越大,降雨強度越大,邊坡受降雨影響的滯后性表現越不明顯。由圖14可以看出:當巖土體滲透系數較小時,雨水入滲量較小,降雨只作用在邊坡淺層,難以滲入到邊坡土體內部,降雨初期雨水主要起到重力加載作用,短時間內邊坡穩定性系數會增大,隨著雨水入滲,邊坡淺層土體基質吸力降低,土體黏聚力和內摩擦角下降,邊坡的穩定性系數降低,但是降雨對邊坡穩定性的影響存在滯后性,且降雨強度越大,滯后性越短[28],可見在工況3條件下停雨2 d后邊坡達到最小穩定性系數,而工況1條件下則在停雨6 d后達到邊坡最小穩定性系數;當巖土體滲透系數較大時,雨水入滲較快,雨水對邊坡的加載作用不明顯,且隨著巖土體滲透系數增大作用時間越短,這是因為巖土體滲透系數增大后,雨水滲入到坡體內更加容易,雨水對坡體產生的加載作用的效果削弱更快,而工況3降雨強度足夠大,雨水短時間不能完全滲入到土體內,對坡體的加載作用相對較大,所以降雨初期只有工況3條件下邊坡的穩定性系數略有增大;隨著雨水繼續入滲,更多的雨水滲入到土體內部,而且降雨強度越大,雨水入滲深度越深,邊坡的穩定性系數越低。巖土體滲透系數越大,邊坡受降雨影響的滯后性表現越不明顯,甚至不表現滯后性,兩種工況下邊坡最小的穩定性系數皆在降雨16 d后達到,之后由于缺少雨水的補給,土體內的雨水逐漸消散,土體飽和度降低,土體基質吸力增大,邊坡安全性略微增大,但由于邊坡已經發生塑性變形,其穩定性系數較初始狀態還是有所下降。

降雨強度為50 mm/d(工況1和工況2)時不同巖土體滲透系數和降雨類型條件下邊坡穩定性系數隨降雨過程歷時的變化曲線如圖15所示,其最小穩定性系數如表5所示。

圖15 降雨強度為50 mm/d(工況1和工況2)條件下邊坡穩定性系數與降雨時長的關系曲線Fig.15 Relationship curves between slope stability coefficient and rainfall duration with rainfall intensity of 50 mm/d (condition 1 and condition 2)

表5 不同降雨類型下邊坡最小穩定性系數隨巖土體滲透系數的變化

由表5和圖15可知:當巖土體滲透系數較小時[圖15(a)、(b)],降雨過程的前20 d邊坡穩定性系數呈現一增一減的趨勢,但邊坡穩定性系數整體呈現下降趨勢,這是因為降雨的壓重效果導致邊坡穩定性系數略有增大,且降雨對邊坡產生的影響存在滯后性,停雨后雨水繼續入滲,入滲路徑上土體基質吸力減小、孔隙水壓力增大、有效應力減小,使得邊坡穩定性系數減小,降雨20 d后,由于巖土體滲透系數較小,降雨入滲深度有限,邊坡穩定性系數波動較小,最終趨于穩定;巖土體滲透系數較大時[圖15(c)],降雨初期滯后性表現明顯,但隨著降雨入滲量增大,降雨滯后性越不明顯,邊坡穩定性系數呈現不斷下降的趨勢,最終趨于平緩。

綜上可以看出:降雨強度一定時,對于不同降雨類型,邊坡穩定性系數均降低,且均勻型降雨下邊坡穩定性系數下降得更多,約比間歇型降雨下的邊坡穩定性系數小0.001;降雨類型一定時,巖土體滲透系數越大,邊坡穩定性系數越小,巖土體滲透系數K為4.320 mm/d時比K為0.432 mm/d時的邊坡穩定性系數小0.003。

4.3.3 對邊坡滑移面深度的影響

圖16為不同工況下強度折減法計算得到的K272邊坡位移云圖。

圖16 不同工況下強度折減法計算得到的K272邊坡位移云圖Fig.16 Displacement cloud diagram of K272 slope calculated by strength reduction method under different working conditions

由圖16可以看出:所有工況下邊坡土體位移由坡頂至坡腳處依次減小,邊坡滑移面深度由小到大依次是工況3、工況1和工況2。其中,工況3的邊坡滑移面最淺為13.2 m,工況2的滑移面最深為16.0 m;當降雨強度為100 mm/d時,降雨速率快,降雨時間較短(工況3),雨水對邊坡表層土體的沖刷影響更大,淺層土體強度降幅較大,容易發生淺層滑坡;而在降雨強度為50 mm/d,間歇型降雨模式下,降雨速率相對較小,中間停雨期有利于雨水入滲至滑坡土體更深處,淺層土體的強度降幅較小,所以更易引起較深層土體的滑移。

5 結 論

本文運用數值模擬方法得到在不同降雨條件下混合花崗巖路塹邊坡土體飽和度、穩定性系數的變化規律,并以云南省墨江至臨滄公路某路塹邊坡為工程實例進行計算分析,得到了以下結論:

1) 當巖土體滲透系數一定時,強降雨的入滲深度更大,對邊坡土體飽和度的影響范圍越大,降雨強度為100 mm/d相比于50 mm/d對邊坡土體飽和度的影響范圍增大約1倍。

2) 對于均勻型降雨,巖土體滲透系數越大,降雨強度越大,邊坡的穩定性系數就越小,邊坡就越不安全。巖土體滲透系數K為4.320 m/d的邊坡在100 mm/d降雨強度條件下邊坡的穩定性系數相比于巖土體滲透系數K為0.432 m/d的邊坡在50 mm/d降雨強度下邊坡的穩定性系數小0.012。

3) 降雨強度一定時,相比于間歇型降雨,均勻型降雨入滲深度更深,坡體內部土體飽和度受影響的范圍更大,邊坡穩定性系數更小;降雨類型相同時,巖土體滲透系數越大,邊坡穩定性系數越小。

4) 從工程實例中可以看出,實際滑坡中降雨對邊坡穩定性的影響取決于巖土體滲透系數。當巖土體的滲透性較小時,降雨對邊坡穩定性的影響有限;當巖土體的滲透性較大時,降雨強度越大,邊坡的穩定性系數越小。

5) 當巖土體滲透系數越大,降雨強度越大時,邊坡受降雨影響的滯后性表現越不明顯,這是因為巖土體滲透系數越大、降雨強度越大,滲入邊坡土體內的降水越多,更能快速地減小土體基質吸力,降低邊坡的穩定性。

6) 降雨類型對邊坡土體滑移面深度有一定影響,均勻型強降雨相較間歇型降雨對邊坡淺層土體強度的影響更大,易引起淺層滑坡。