基于GEOSTUDIO分析吸力对非饱和土边坡稳定的影响

陈万雄 陈玉峰

(兰州交通大学土木工程学院,甘肃 兰州 730070)



基于GEOSTUDIO分析吸力对非饱和土边坡稳定的影响

陈万雄 陈玉峰

(兰州交通大学土木工程学院,甘肃 兰州 730070)

基于非饱和土渗流和抗剪强度理论，分析了降雨条件下土体基质吸力对边坡稳定性的影响，探讨了考虑吸力和不考虑吸力条件下边坡的稳定安全系数，指出非饱和土坡稳定性与基质吸力有密切关系，基质吸力随含水量增大而减小，引起土体强度下降，土坡趋于不稳定。

非饱和土，抗剪强度，土坡，稳定性

0 引言

在我国南部、西南部、西北地区的膨胀土、黄土、残积土边坡，常在雨季发生滑坡。降雨引发的土坡滑坡是一个常见的工程问题，也是亟待解决的复杂工程问题。天然或人工边坡土体大多为非饱和土，降雨条件下随着土体含水率的增加,基质吸力逐渐消散，抗剪强度下降，从而引发边坡滑坡。工程中大量的滑坡实例表明，滑坡的发生与降雨强度和降雨持续时长密切相关，降雨强度越大，持续时间越长，边坡越容易失稳。降雨引起滑坡的机理很多，例如由降雨引起的渗流，增加了土体的下滑力，抗剪强度指标由有效应力指标变成了固结不排水指标等等，最后导致滑坡。但基质吸力对抗剪强度的影响同样至关重要，究其原因为随着降雨的进行，土体含水量增大，基质吸力消散，土体抗剪强度降低，进而引发滑坡。文章先通过GEOSTUDIO软件的SEEP/W模块分析降雨条件下边坡土体含水率的变化，获得土体各处的孔隙水压力，然后在其基础上再通过SLPOE/W模块分析边坡稳定性，研究基质吸力对土体抗剪强度的贡献，为滑坡的预测提供参考。

1 非饱和土渗流基本理论

实际工程中，边坡土体大多为非饱和土，即土体是由固体颗粒、孔隙水和孔隙气三相组成。前人研究表明，非饱和土中含水量的改变会引起渗透系数和基质吸力的改变，因此渗透系数函数、土—水特征曲线是解决非饱和土渗流问题的关键因素。

1.1 饱和非饱和渗流微分方程

前人研究表明，达西定律不但适用于饱和土渗流计算，同时还能描述非饱和土中水的流动现象。方程中的渗透系数不再是常数，而是与含水量有关的变量，这也是饱和土与非饱和渗流问题的主要区别。1931年，Richards将达西定律应用到非饱和土渗流，表达式为:

(1)

其中，q为体积流量；k(θ)为渗透系数；h为土体水势能梯度。对于三维渗流，其微分方程为：

(2)

进行数值分析时，根据具体初始条件和边界条件来求解式(2)。文章考虑各向同性土下的降雨二维渗流工况，即只有水平向和竖直向的渗流，两个方向的渗透系数相等。

1.2 土—水特征曲线(SWCC)

渗流分析中，理解孔隙水压力和含水率之间的关系非常重要。非饱和土中，储存在孔隙中的水的体积很大程度上依赖于孔隙水的负压，基质吸力定义为空气压力ua和水压力uw的差值，即ua-uw。

2 非饱和土抗剪强度理论

目前，大多数关于非饱和土边坡稳定性分析的研究成果基本都是基于Bishop和Fredlund提出的强度理论公式上开展的。Bishop(1960)提出了适用于饱和土以及非饱和土的广义有效应力公式，其表达式为：σ′=(σ-ua)+x(ua-uw)，代入摩尔库仑公式得到：τ=c′+[(σ-ua)+x(ua-uw)]tanφ′，其中，c′为有效粘聚力；φ′为有效内摩擦角；ua为孔隙气压力；uw为孔隙水压力；x为有效应力系数，与含水量有关，但在实际应用中x的取值困难，因而应用不方便。

Fredlund(1978)提出了双变量抗剪强度公式：τ=c′+(σ-ua)tanφ′+(ua-uw)tanφb，其中，φb为由吸力增加而引起抗剪强度提升速率；(σ-ua)为净法向应力；(ua-uw)为吸力。经学者研究表明，φb与吸力有关，即使对于同一固定土样也不是非常数，造成实际运用取值困难。

3 降雨条件下土坡稳定性分析

选用如图3所示土坡作为实例进行土坡稳定分析。该土坡分为3层，第①层,第③层为砂土层，第②层为粘土层，坡度为1∶1。各土层物理力学参数如表1所示。

表1 各土层物理力学参数

基于软件样本函数拟合得到的土—水特征曲线和土的渗透系数函数如图1，图2所示。

文章选用的模型尺寸如图3所示，坡高12m，坡度为1∶1，初始地下水位线左侧距离模型底面高为3m，右侧距离模型底面高2m。边界条件为：1)边坡顶面和坡脚平面为单位流量边界条件q=15mm/d，为中雨，降雨持续时间为4d；2)边坡坡面为单位流量边界条件q′=qsin45°=10.6mm/d；3)两侧面及底面为总流量Q=0。计算模型如图3所示。

经过分析计算，由SEEP/W分析得到各点土的孔隙水压力，基于此于SLOPE/W模块中求解两种情况下边坡的稳定安全系数。降雨后边坡土体的孔隙水压力分布如图4所示，可知，边坡土体表层含水量增大，出现暂态饱和区域，负孔隙水压力减小。

降雨前边坡稳定安全系数为1.178(见图5)，降雨后不考虑土体基质吸力的贡献时，边坡稳定安全系数为0.764(见图6)；考虑土体基质吸力时，边坡的稳定安全系数为0.997(见图7)，可见，降雨后边坡安全系数都减小了，边坡趋于不稳定，但考虑基质吸力时安全系数较不考虑基质吸力时增加了30%。由此可见，基质吸力对非饱和土边坡的稳定影响极大。

滑面上各点基质吸力对强度的贡献如图8，图9所示。当不考虑吸力时土的抗剪强度由摩擦强度和粘聚强度组成；考虑吸力时，土的抗剪强度由摩擦强度、粘聚强度和吸力强度组成。由计算结果得到，考虑吸力时土体各点抗剪强度均大于不考虑吸力时土体的抗剪强度。X=13.95m处，不考虑吸力时抗剪强度为23.7kPa，考虑吸力时，吸力强度为21.35kPa，抗剪强度为47.98kPa，吸力强度为抗剪强度的44%；X=10.66m处，不考虑吸力时抗剪强度为18kPa，考虑吸力时，吸力强度为25.90kPa，抗剪强度为43.63kPa，吸力强度高达抗剪强度的59%。

4 结语

文章通过模拟降雨条件来研究土体基质吸力对边坡稳定的影响。先进行渗流分析，求得土体各点处的孔隙水压力；然后进行边坡稳定分析分别求得考虑吸力条件下和不考虑吸力条件下边坡的稳定安全系数。

模拟结果表明：降雨条件下边坡土体含水量增大，导致边坡安全系数减小，边坡趋于不稳定状态；究其原因，非饱和土含水量增大，导致基质吸力减小，土的抗剪强度降低，边坡失稳；在进行边坡稳定分析中，不能简单的把边坡土体当成饱和土处理，应考虑基质吸力的作用，否则得到的安全系数过小，结果过于偏安全，不能准确预测边坡状态。

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On influence of suction on stability of unsaturated soil slopes based on GEOSTUDIO

Chen Wanxiong Chen Yufeng

(College of Civil Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)

Based on the unsaturated soil leakage and shearing strength, the paper analyzes the influence of the soil suction on the slope stability under the waterfall condition, explores the stability safety coefficient of the slopes with and without the suction, and points out the stability of the unsaturated slope has the close relationship with the matric suction and indicates the matric suction reduces along with the increasing water volume which can lead to the lower soil strength and the instability of the slope.

unsaturated soil, sharing strength, slope, stability

1009-6825(2017)08-0071-03

2017-01-07

陈万雄(1990- )，男，在读硕士； 陈玉峰(1991- )，男，在读硕士

TU413.62

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