降雨条件下路堑高边坡失稳判据分析

缪 丹，李 燕 文辉辉

（1.中交四航工程研究院有限公司，广东 广州 510230；2.中交交通基础工程环保与安全重点实验室，广东 广州 510230）

0 引言

目前，边坡工程中常用的稳定性判别依据主要包括安全系数，可靠度或破坏概率，边坡岩土体位移、应力、位移速度等，定性经验结论，干扰能量和声发射率等6种，但这些判据依据均具有一定的适用性，并不具有充分性和普适性[1]。岩土体变形作为边坡稳定性最明显、最直观的反映，其监测作为岩土工程信息化施工的重要组成部分，在整个施工过程中具有极其重要的作用，是保证工程质量和施工安全的重要措施，也是判定围岩稳定性和数值模拟等的重要依据[2]。降雨入渗是影响边坡稳定导致边坡破坏的重要因素。本文以广明高速公路路堑高边坡工程岩土体地表位移监测资料为依托，针对降雨对其变形与稳定性的影响做出了分析说明，采用安全系数及边坡岩土体的变形速率作为路堑边坡的稳定性判别指标，将边坡失稳临界状态时 （规范规定的最小安全系数）的最大位移速率值作为边坡失稳的判断依据。

1 降雨对边坡稳定性影响

为分析本工程边坡体非饱和土在雨水入渗及降雨作用下坡体的位移变形情况，为自动化监控系统失稳判据提供参考依据，选取广明高速公路某典型路堑高边坡断面进行研究 （见图1）。该处边坡下部以中风化花岗岩为主，上部覆盖层则以粘土层为主。

1.1 有限单元模型

1.1.1 模型边界条件

（1）由于左、右两侧边界距离坡体较远，相对来说对渗流场影响较小。因此，假设右侧地下水位以下为常水头边界，地下水位以上边界按零流量边界处理；左侧为零流量边界。

图1 典型路埑高边坡剖面

（2）孔隙水压力小于零时，边坡表面为Newman类型边界条件，即流量边界；孔隙水压力大于零时为Dirichiet边界条件，即水头边界。

（3）模型底面假设为不透水边界。

1.1.2 初始条件

该边坡初始地下水位位于地表以下4 m，即计算模型21 m高度处。模型中非饱和区的初始基质吸力在浸润线上为0，地下水位浸润线到坡体表面基质吸力呈线性分布。

1.2 降雨强度模型

分析中拟采用降雨强度为2.7×10-6m/s，其情况与通常的中雨相当，降雨模型见图2。

图2 降雨模型

1.3 降雨入渗分析

当降雨持续24 h时，雨水入渗深度较浅，大量渗透进入土体的降雨来不及消散，非饱和土层的基质吸力降低越多，使得边坡表层土体的孔隙水压力迅速上升；当降雨持续48 h时，雨水继续向坡体深层渗透，坡脚与边沟下的孔隙水压力明显升高。不同降雨持续时间下沿监测孔不同高度的孔隙水压力分布情况见图3。

图4为降雨24 h和48 h时边坡内孔隙水压力分布情况。由图4可知，降雨24 h内，土体浅层的基质吸力快速的减小或消失。随着降雨时间的持续雨水在土壤中入渗越深，坡体内部孔隙水压力随着雨水的入渗而升高，地下水位也有明显抬升，特别是坡脚处的水位抬升最为明显。

图3 不同降雨时间下的边坡沿测斜孔孔隙水压力

图4 不同降雨时间下的边坡孔隙水压力分布移等值线（单位:kPa）

2 稳定性分析

本文利用流固耦合理论，通过有限元分析降雨开始后不同时刻的孔隙水压力，计算出对应的基质吸力，然后根据Fredlund[3]提出的抗剪强度公式算出抗剪强度，利用极限平衡方法 （简化的Bishop方法或Janbu方法）得出边坡的安全系数。稳定性计算分析中所用的参数:粘土层天然容重19 kN/m3，摩擦角22°，粘聚力20 kPa；中风化花岗岩天然容重20 kN/m3，摩擦角35°，粘聚力30 kPa。

采用极限平衡法对此边坡进行稳定性分析，得到稳定系数随降雨历时关系 （见图5）。由图5可以看出:

（1）在非饱和边坡中，降雨入渗引起非饱和土体孔隙水压力上升，基质吸力丧失或减小，导致非饱和土的抗剪强度降低，从而影响边坡的稳定性。

图5 稳定性系数随降雨历时变化

（2）降雨入渗使土体的含水量增大，边坡上部土体的容重增加，土体所受的剪力增大，致使边坡的安全系数减小。

（3）在降雨过程中，随着降雨时间的延长，降雨入渗量逐渐增多，孔隙水压力也逐渐上升，边坡的安全系数应是逐渐减小。

设平均降雨强度为2.7×10-6m/s，整个降雨过程为均匀降雨，分析在此降雨条件下的边坡的水平及垂直方向位移随时间变化的规律。随着降雨时间不断的增加，边坡测斜监测点不同高度范围内位移都在不断增加。图6分别为降雨24 h、48 h坡体水平方向位移等值线。图7分别为降雨24 h、48 h沿测斜孔不同高度水平方向和垂直方向位移曲线。

图6 不同降雨时间下的边坡水平位移等值线 （单位:m）

图7 不同降雨时间下边坡沿测斜孔垂直和水平方向位移

降雨24 h边坡土体位移主要集中在坡体表层处，水平位移值在0～0.023 m范围内。降雨48 h坡体内部土层开始出现较小位移，同时边坡表层位移进一步增大，水平位移值在0～0.035 m范围内。降雨24 h，从测斜孔底到孔口水平位移不断增大，相应高度的垂直位移要大于水平位移。降雨48 h，坡体位移分布规律与之前相同，但位移量有所增加。降雨24 h，边坡稳定性系数达到设计安全临界值1.2，此时测斜孔最大水平位移出现在孔口处，其值为0.023 m。在降雨结束时 （历时48 h），边坡稳定性系数为1.02，此时沿整个测斜孔孔口位移依然最大，其值为0.035 m。

3 结 语

（1）降雨24 h，雨水入渗影响范围为坡体表面到坡体内4 m左右，入渗区域内孔隙水压力有明显的增大。同时，入渗区域内的土体产生明显垂直向和水平向的位移，且垂向位移要大于水平位移。

（2）降雨48 h，雨水进一步向坡体内部渗入，入渗影响深度增大到8～10 m。但坡体表层到坡体内5 m范围土体的孔隙水压力与降雨24 h比较上升较小。此时，坡体内产生的位移仍然以垂直向为主，垂直向及水平向位移较之前都有较明显的增大。

（3）降雨量不变的情况下，随着降雨时间的持续，坡体内非饱和区域土体基质吸力逐渐减小，土体的饱和度不断增加，土体的强度减小使边坡浅层土体较早进入塑性变形阶段。同时，边坡土体位移逐渐增大，导致边坡的安全系数减小。降雨引起的边坡滑移主要以浅层破坏为主。

（4）边坡稳定临界状态时，监测点处的最大位移速率为0.023 m/d，可将此位移速率作为失稳临界状态的判断依据。

［1］杨永波.边坡监测与预测预报智能化方法研究[D].武汉:中国科学院武汉岩土力学研究所，2005.

［2］贺迎喜，文辉辉，梁小丛，等.基于Asaoka法的非等间隔真空预压土体沉降数据处理[J].水力发电，2014，40（3）: 23-25，36.

［3］FREDLUND.非饱和土土力学[M].陈愈炯，等译.北京:中国建筑工业出社，1997.