镇江地区非饱和膨胀土边坡在降雨入渗下的稳定性分析

梅 岭，赵 攀，李 鹏

(江苏科技大学土木工程与建筑学院，江苏镇江212003)

常规的边坡稳定性分析法是建立在饱和土理论基础之上的，在应用极限平衡法分析时仅能得到特定条件下的一个稳定系数，只能够判断边坡是否会发生破坏，而不能判断边坡随降雨量变化时稳定系数的动态变化过程，但是在边坡的监测及安全判断上必须依据边坡稳定系数的动态变化过程.文中将结合镇江地区非饱和土的物理力学性质来分析不同降雨强度、地下水位情况下降雨入渗的情况，得到边坡安全系数随降雨发展的动态过程，以分析降雨对非饱和土边坡稳定性的影响.

1 建立模型

根据有限元模型划分的方法，模型尺寸如图1，假设边坡为各向同性，表层雨水渗入部分的网格划分为0.5 m，底部网格划分为2 m.根据镇江地区非饱和土的室内试验可得，土的弹性模量85.2 MPa，泊松比0.3，容重为17 kN/m3，饱和容重为20 kN/m3，粘聚力为 25 kPa，摩擦角为 15°，体积含水量为30%.非饱和特征曲线计算时采用Van Genuchten数学模型［1］，非饱和土体含水量与基质吸力之间的幂函数形式为:

式中:θr=0.05，θs=0.424 3，a=0.697 7，n=1.525，m=0.3443.a，m，n为拟合参数，θ为体积含水量，θr为残余含水量，θs为饱和体积含水量［2］.

图1 边坡模型(单位:m)Fig.1Slop model(Unit:m)

2 长期弱降雨条件下边坡分析

2.1 长期弱降雨条件下边坡入渗分析

1)无地下水状态下的分析

对无地下水，渗透系数为0.5 mm/h，降雨强度为0.1 mm/h的边坡进行降雨入渗分析.

根据基质吸力公式us=ua－uw，在分析中一般认为孔隙气压力ua为0，uw为孔隙水压力，因此边坡中的基质吸力us=－uw.在后面的分析中为了方便地表示基质吸力，同时为了将基质吸力和孔隙水压力分开，在表述时统一使用0孔隙水压作为图形的分界面，大于0的孔隙水压即为孔隙水压力(云图的空白部分)，而小于0的孔隙水压即为负的基质吸力(灰色云图部分)，即基质吸力为负的孔隙水压力.图2中最大孔隙水压力接近0，也即基质吸力接近0，而最小孔隙水压力为－314 kPa，即土中基质吸力为314 kPa.

图2 无地下水条件下初始孔隙水压力Fig.2 Initial pore water pressure with no groundwater

从图3中可以看出，受雨坡体能够被雨水完全入渗，且受雨坡体在降雨入渗下，基质吸力会随着降雨的发展逐渐消失，58 h后完全消失，降雨继续发展，坡体表面也没有出现积水现象，说明雨水全部入渗到边坡土体中.

2)有无地下水的对比分析

采用同样的方法对地下水位4 m，渗透系数为0.5 mm/h，降雨强度为0.1 mm/h的非饱和土边坡进行降雨入渗分析.

图3 无地下水时孔隙水压力随降雨发展变化Fig.3 Influence of rainfall on pore water pressure with no groundwater

与无地下水相比，地下水位为4 m时，降雨入渗的速度有所加快，但并不明显，基质吸力在52 h后就完全消失了，坡体的表面也没有出现积水，说明了当渗透系数大于降雨强度时，雨水能够完全入渗.

3)不同降雨强度的对比分析

同理对地下水位4 m，渗透系数为0.5 mm/h，降雨强度为0.4mm/h的边坡进行降雨入渗分析可知.

与降雨强度为0.1 mm/h相比，降雨入渗的速度明显地加快了，在39 h后基质吸力就完全消散，且出现了地下水位随着降雨的发展而升高的现象.

2.2 长期弱降雨条件下边坡稳定性分析

1)不同地下水位的对比分析

对渗透系数为0.5 mm/h，不考虑地下水和地下水位为4 m，弱降雨强度为0.1 mm/h的边坡进行稳定性分析，用Midas-GTS计算出边坡的安全系数，从而得到降雨持时与边坡稳定性的关系.弱降雨状态下的边坡稳定系数与降雨持时的关系如图4.

图4 不同地下水位边坡稳定系数随降雨持时变化情况Fig.4 Influence of rainfall durative time on slope stability factor with different groundwater level

从图4中可以看出在弱降雨状态下，虽然雨水入渗能够持续对基质吸力和地下水位高度变化产生影响，但对不同地下水位情况的影响很有限，故不同地下水位时边坡的稳定系数变化很微弱.即较弱降雨情况下，地下水位的变化对边坡的稳定性影响很有限.

2)不同降雨强度的对比分析

对渗透系数为0.5 mm/h，地下水位4 m，强度为0.1mm/h和0.4mm/h的弱降雨进行分析，得到降雨持时与边坡稳定性的关系(图5).

图5 不同降雨强度下边坡稳定系数随降雨持时变化情况Fig.5 Influence of rainfall durative time on slope stability factor with different rainfall intensity

从图5中可以看出在弱降雨状态下，虽然0.4 mm/h的降雨强下边坡的基质吸力比0.1 mm/h降雨强度下的基质吸力消散更快，但它受膨胀土膨胀影响也更大，因此它的安全系数反而高于0.1 mm/h降雨强度下的安全系数，并且它在降雨开始的时候安全系数还会有一个明显的增加过程.这说明适量的弱降雨不但不会使得边坡稳定性降低，反而会使边坡的稳定性有所提高.

3 短期强降雨条件下边坡的分析

3.1 短期强降雨条件下边坡入渗分析

1)无地下水状态下的分析

对无地下水，渗透系数为0.5 mm/h，降雨强度为1 mm/h的边坡进行降雨入渗分析.

图6 降雨24 h后的孔隙水压力分布Fig.6 Distribution of pore water pressure after 24 h of rainfall

此种条件下，降雨24 h后基质吸力已经基本消散，比弱降雨条件下了基质吸力消散速度快了2倍左右.但同弱降雨状态一样，它的地下水位也会随降雨入渗的发展而有所提高.

2)有无地下水的对比分析

采用同样的方法对地下水位4 m，渗透系数为0.5 mm/h，降雨强度为1 mm/h的边坡进行降雨入渗分析可知.

与无地下水条件相比，边坡的基质吸力消散地更快了，且随着降雨的发展，地下水位的提高也更明显，这也加剧了基质吸力的消散.

3)不同降雨强度的对比分析

同理对地下水位4 m，渗透系数为0.5 mm/h，降雨强度为4 mm/h的边坡进行降雨入渗分析可知.

与降雨强度为1 mm/h相比，降雨强度的急剧增加，使降雨强度远超渗透系数，基质吸力消散的速度并没有出现大的变化，但边坡出现大量积水，并且表层积水严重.

3.2 短期强降雨条件下边坡稳定性分析

对渗透系数为0.5 mm/h，地下水位为4 m，强度为4 mm/h的强降雨进行分析，用Midas-GTS计算出边坡的安全系数，得到降雨持时与边坡稳定性的关系(图7).

从图7中可以看出强降雨状态明显与弱降雨状态时的稳定情况不同，在降雨1 h后边坡稳定系数有所提高，之后稳定系数随着降雨持时的增加而降低.值得注意的一点就是，在降雨的初期，边坡的稳定系数是增加的，这跟弱降雨条件下的边坡稳定性变化规律类似.这也说明，常规的边坡稳定分析中没有考虑边坡土中水的存在对边坡稳定的贡献，这也使得边坡稳定计算的结果偏于保守.

图7 降雨强度为4mm/h时边坡稳定系数随降雨持时变化情况Fig.7 Influence of rainfall durative time on slope stability factor with rainfall intensity of 4mm/h

4 结论

从工程实际应用的角度分析了非饱和膨胀土边坡在降雨入渗下稳定性的变化规律，建立以降雨量和地下水位为变量的有限元模型.同时，结合镇江地区非饱和土的物理力学性质，得出如下结论:

1)非饱和膨胀土边坡在长期弱降雨状态下，稳定系数不会发生大的变化，如果降雨强度适当，边坡的稳定性还会有所增强，并慢慢趋于稳定.

2)强降雨状态下的非饱和膨胀土边坡，在降雨开始的一段时间，安全系数会增加并达到最大值，然后随着降雨的继续发展开始逐渐降低，直到边坡失稳破坏.

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