降雨入渗对土质边坡稳定的影响

February,2006

文章编号:1003-1995(2006)02-0066-03

降雨入渗对土质边坡稳定的影响

刘翠容,王化光

(西南交通大学峨眉校区土木工程系,四川峨眉 614202)

摘要:边坡的滑移、坍塌多发生在雨季,与水息息相关,文章在室内常规土工试验和离心模型试验及数值模拟的基础上,针对降雨入渗(含水率)对土质单面坡的稳定问题做一些讨论。

关键词:边坡稳定 离心模型试验 降雨入渗 数值模拟中图分类号:U21311+

4 文献标识码:B

大量统计资料表明,边坡的稳定与降雨的关系非常密切。绝大多数的滑坡是发生在降雨期间或降雨之后,滑坡发育程度随雨量的增加而增加。降雨造成的边坡不稳定现象,是边坡失稳中最为常见的一种。如宝成铁路沿线的滑坡80%发生在雨季,且和雨量及连续降雨时间呈现一定的正相关性,并且是一个动态的过程。因此,深入研究降雨引起斜坡失稳的规律并建立定量的分析模型对于滑坡、泥石流灾害的预测和预防有重要的指导意义。

本文在室内常规土工试验和离心模型试验及数值模拟的基础上,针对降雨入渗(含水率)对土质单面坡的稳定问题做一些讨论。

1 离心模型试验方案

111 离心模型试验

对边坡灾害问题,以往的研究手段多为灾后分析,即在灾害发生后,通过现场的摄像、调查、统计、跟踪,找出可能的致灾因素及破坏机理,这种研究方式是以边坡的失稳破坏为样本进行的。而通过土工离心机试验,可逼真地模拟现场条件,人工塑造各种工程边坡,根据需要灵活的调整各种控制参数,再现边坡的二次应力调整过程和结果,为边坡破坏机理的研究提供了一种强有力的手段,而且,这种研究方式对工程建设具有前期指导性。112 试验目的与内容

土质边坡在较强的降雨或连续阴雨的作用下,常常发生各种类型和规模的滑坡、坍塌现象。为了弄清灾害类型和规模与降雨规模(含水率)之间的关系,从而找出一定坡高、坡角下的界限含水量,拟通过土工离心模型试验,模拟土质边坡在降雨作用下的应力场重新分布现象,得到含水率对土质边坡稳定的影响规律。

以此指导西部地区道路工程建设,如不同季节(不同降

雨强度)下边坡发生滑坡、坍塌的几率,及时做好雨季的边坡防护工作,避免发生大规模的边坡灾害,危及行车安全,造成人员伤亡和财产损失。

113 技术路线

本次离心模型试验,由于自然降雨现象的模拟难度大,可操作性差,准备通过改变含水率来模拟不同规模的降雨;通过不同的模型比尺和加速度来模拟各种工程土质边坡;通过划分网格线来代替传感器观测边坡变形过程及结果。

在试验中,考察的控制因素是含水率。含水率的增加引起土体强度降低,易发生滑坡、坍塌现象,因此,在一定的坡角、坡高下,通过考察含水率变化对边坡应力场的影响,根据模型边坡随时间延续的位移、变形过程,以及最终的实验结果,可初步发现含水率对土质边坡的变形破坏规律。

2 试验结果及分析

211 第一次试验

第一次试验的粘土模型处于5cm 高的基岩上,坡顶宽度为21cm,坡高为25cm,坡角为50b 。试验加载时间为前7min 内加速度直线上升到60g ,以后每半小时加10g 直到100g 。当加速度为60g 时,模型边坡发生破坏,破坏后的模型正视图如图1、位移等值图如图2。

图1 第一次试验后模型形状

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图2 第一次试验位移等值线图

由变形破坏(图1)和位移(图2)可知边坡的滑裂面在坡顶竖直向下,表明坡顶土体为拉破坏,达到一定深度后坡体变为剪切破坏,滑裂面大致为圆弧滑裂面。这类破坏属于几何破坏,其特点是边坡坡脚产生蠕变剪切变形,坡脚土体鼓出较快,坡顶很快出现拉裂缝;随着坡脚土体的继续外鼓,边坡破坏迅速发展。可见坡脚是边坡整体稳定的重要影响因素,其最大稳定高度为15m 。

212 第二次试验

第二次试验的粘土模型坡顶宽度为20c m,坡高为25c m,坡角为50b ,在坡角处设有宽19c m 高5c m 的平台。试验加载时间为前7min 内加速度直线上升到50g ,以后每10min 加10g 直到100g 。当加速度为40g 时,模型边坡发生破坏,破坏后的模型正视图如图3、位移等值图如图4

。

图3 第二次试验后模型形状

图4 第二次试验位移等值线图

由变形破坏(图3)和位移(图4)可知边坡在坡脚形成较轻的外鼓,在坡顶后缘形成竖直向下的拉裂缝,坡顶下沉,边坡坡面外观未发生明显的几何变形,其最大稳定高度为10m 。

213 第三次试验

第三次实验的粘土模型为分层配置的。模型坡顶

宽度为20cm,坡高为25cm,坡角为50b 。加载时间为7min 内加速度直线上升到70g 后每10min 加10g 直到100g 。试验后模型完好,其俯视图见图5。

图5 第三次试验后模型形状

试验过程中坡脚未见明显外鼓,坡顶先只出现少数浅拉裂缝,继续加载发现坡脚有局部土体产生一条明显裂缝,坡顶原有裂缝加深变宽,边坡基本稳定。214 试验结果分析

1)通过模型1、2比较可以看出,在密度、坡度、坡高不变的情况下,含水率相差112%,边坡在加载过程中的位移和破坏形式有所不同,含水率对边坡稳定影响极大,且含水率与边坡最大稳定高度呈非线性关系,随含水量增大,最大稳定高度下降幅度越来越大。正如模型1、2含水率只相差112%,但最大稳定高度相差达5m 。

2)通过模型2,3比较可以看出,两者几何资料完全一致,平均密度、含水率也相差不大,但由于模型3是分层配置,虽然上部土体含水率高达2217%(在所有模型中为最高),密度只有211,而下层土的密度较大且含水率较低,在模型2完全破坏的情况下,模型3仍然完好。这说明下部土体对边坡的稳定性起关键作

用。

3 降雨入渗数值模拟

311 渗流参数的确定

非饱和土的透水性除与其饱和渗透系数有关外,主要与基质吸力或体积含水量有密切关系。由于缺少试验资料,粘土的渗透性与基质吸力的关系曲线(饱和渗透系数:816e-3m P day)、渗透性与体积含水量的关

系曲线(饱和体积含水量:31800e-001)均引自经验曲线。

312 边界条件的确定

在坡顶和坡面加降雨入渗流量边界,构成降雨模拟的瞬态模型(非稳态流分析),若降雨强度超过土的入渗系数,其余流量将不计入渗流流量。313 降雨模拟

672006年第2期降雨入渗对土质边坡稳定的影响

降雨采用等强雨型,平均降雨强度1@10-5

m P s 。降雨后不久,地表土体逐渐饱和,水分逐渐向坡体内运移。图6、图7给出具有代表性的2个时步的体积含水

量等值线。

图6 时步16的体积含水量等值线

图7 时步22的体积含水量等值线

由等值线可看出,在降雨前段时间,坡顶土体的体积含水量变化较大,水下渗深度增加较快,随着时间推移,坡顶土体的体积含水量变化逐渐趋于平衡,水下渗程度增加逐渐缓慢直到稳定,下部土体体积含水量变化增大。

4 降雨入渗对边坡稳定的数值模拟

降雨入渗对边坡稳定的影响,本质上是水下渗改变了土体的应力场,从而改变了土体的体积含水量,使土的强度参数随其改变。所以拟用数值分析来研究随着水的下渗,土坡应力的变化及边坡稳定性变化的情况。

平均降雨强度为1@10

-5

m P s 的降雨入渗后,土体

的渗流场和应力场相互作用、相互影响,下面给出双场耦合作用的x 方向应力等值线图(图8)。

由图8可知,坡顶后侧有较大拉应力分布,下坡面

有较小的拉应力分布,这正与离心模型试验结果相符,即边坡的滑裂面在坡顶竖直向下,表明坡顶土体为拉破坏,

达到一定深度后坡体变为剪切破坏。

图8 双场耦合作用的x 方向应力等值线

在数值计算中,为便于分析,对于土体表层采用一平均含水量的强度参数值,对于其余土体则按水不入渗情况下的强度参数。计算强度参数为:土体在水不

下渗情况下,强度参数取粘聚力C =58kPa,内摩擦角U =717b ,密度C =2200kg P m 3

;水入渗情况下,降雨强度大(含水率大)取粘聚力C =45kPa,内摩擦角U =617b ,密度C =2140kg P m 3

;降雨强度小(含水率小)取粘聚力C =50kPa,内摩擦角U =711b ,密度C =2140

kg P m 3

。在这里,用GOE -SLOPE 有限元法分别计算了两种降雨强度在不同下渗深度时的边坡稳定系数,列在表1中。

表1 数值计算结果

降雨类型强度大(含水量大)

强度小(含水量小)

下渗深度P m

1

3

5

7

1

3

5

7

最小安全系数11441114161131110311446114311141411128

由表1可知,在同一种降雨强度下,随着水下渗深度的增加,边坡安全系数降低;同一入渗深度下,含水量大的边坡稳定安全系数较小。也就是说,水的入渗对于边坡的稳定非常不利。

5 结语

通过离心模型试验及有限元数值模拟可得出:1)在密度、坡度、坡高不变的情况下,在同一入渗深度下,含水量大的边坡稳定安全系数较小,证明含水率对边坡稳定影响极大。

2)在同一种降雨强度下,随着水下渗深度的增加,边坡安全系数降低,说明下部土体对边坡的稳定性起关键作用。

收稿日期:2005-10-12

(责任审编 孟庆伶)

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