考虑基质吸力的降雨型滑坡物理力学机制分析

卞明智

（林同棪国际工程咨询（中国）有限公司，重庆市 401121）

0 引 言

大气降雨造成的山体滑坡称为降雨滑坡。在地质灾害种类中，降雨诱发的滑坡分布最广、频率最高、危害最大，是造成自然界山体及新填路基滑坡的主要类型。降雨型滑坡是在降雨入渗影响下土体内部力学平衡受损而引起的滑动现象，包括缓慢的、长期的坡度变形和突然的、急剧爆发的滑坡。降雨型滑坡集中分布在久雨区、暴雨区和江河冲刷严重的沿岸地区[1-2]。降雨与滑坡在时间上具有良好的一致性（小概率情况下略有滞后性）。根据数理统计结果，山体滑坡数与年降雨总量、年降雨频数、年降雨强度等因子具有相关性。这表明降水是滑坡的重要触发因素。

1 降雨型滑坡发生的力学原因

滑坡的发生是土体内部力场平衡条件破坏的结果，这可以通过坡体的应力条件来解释。由于滑坡总是沿着一定的滑动面移动，因此可以用斜坡体受力示意图表示（见图1）。沿着滑动面将岩土体自身重量P分为两个部分：土体的驱动滑动力T（主要动力）和垂直滑动表面的正压力N（主要阻力），当滑动面的驱动力大于滑动表面阻力时，滑坡开始触发。

图1 计算模型简图

2 降雨型滑坡发生的力学机制

降雨因子引起滑坡的力学机制为：降雨入渗使坡体地下水位线提升，滑坡体表面土体软化，内部单位体积含水量增加并逐渐饱和，随着时间增加，渗流过程降低了边坡的稳定性，导致滑坡发生。渗流过程根据单位体积含水率可分为：饱和带、过渡带、传导层和湿润峰四个阶段。典型的含水量分布曲线如图2所示。

2.1 降雨对斜坡体抗剪强度的影响

非饱和土的抗剪强度公式可用独立的应力状态变量来表达[3]。1978年，Fredlund等人提出了考虑孔隙水压力即基质吸力的抗剪强度公式，采用法向应力和吸力作为变量。该应力状态变量已被国际岩土界证明是实际应用中最有利的组合。使用这两个

图2 渗流过程中典型含水率剖面图

应力变量表示的剪切强度公式如式（1）所示。

τff=c'+（σf-μa）ftanø'+（μa-μw）ftanøb（1）式中：τff为非饱和土土体的抗剪强度；c'为有效粘聚力；σf为土体破坏时，破坏面上的净法向应力值；μa为土体破坏时，破坏面上的孔隙气压力；ø'为与净法向应力状态变量有关的内摩擦角；μw为土体破坏时，破坏面上的孔隙水压力；øb为反应抗剪强度随基质吸力变化而增大的速率。

2.2 对基质吸力的影响

在自然界中存在很多天然陡坡,工程界中也存在路基边坡等人工填坡，这些非饱和土体边坡在干旱年份保持长期稳定，极小概率下发生旱滑坡，但在降雨条件下，特别是降雨强度、降雨持时、降雨总量等降雨因子激发下逐渐趋于欠稳定状态。这是土体颗粒之间的负孔隙水压力（基质吸力）发生变化，它对非饱和土体边坡的稳定性起着重要作用。

负孔隙水压力是由毛细管水带中水-气界面的弯液面和表面张力引起的，具有粘连相邻土壤颗粒的“黏合”作用，在工程实践中对土壤边坡稳定性具有重要贡献。单位体积含水率与基质吸力之间的关系曲线如图3所示。

图3 含水率与基质吸力关系曲线图

2.3 对强度参数值的影响

由图3可知单位体积含水率与基质吸力大致呈反比，降雨的入渗导致土体单位体积含水率增高并趋于饱和，基质吸力下降，土体的抗剪强度参数有效内聚力c'和有效内摩擦角ø'下降，内部力学平衡场破坏从而触发滑坡。

另外雨水可以使粘土中的粘土矿物水化，粘土中盐基、碱基的交换相当于洗去易溶胶结物，弱化颗粒间的结合力，降低内聚力、降低内部摩擦系数，即整体抗剪强度减少，随着时间推移，斜坡体内的弱表面和弱土可能发育成滑带土，为滑坡的形成创造了充分的条件。

3 降雨型滑坡发生的物理机制

降雨入渗导致斜坡上的土石层逐渐饱和，水份积聚在斜坡下部的含水层中使地下水位线上升，甚至进入滑坡后缘的裂缝及危险岩土体的裂缝中并将裂缝充满形成水劈作用。水在裂缝上施加较大的侧向压力，导致滑坡开始，如图4所示。

图4 暴雨中裂缝水劈作用示意图

此外，对于特殊土体如膨胀土和失陷性黄土，降雨入渗导致原始非饱和土层垂直扩展，土壤随含水率增高膨胀软化或湿陷，也会导致土体抗剪强度下降;在横向压力约束下，膨胀土膨胀力的形成将直接导致坡面土壤水平应力的增加，导致土壤剪切强度降低。

4 结 语

降雨入渗从物理方面讲，单位体积含水率增高，导致土体自身重力加大，或雨水入渗裂隙破坏边坡整体稳定性，或在地表聚集形成地面径流等破坏土体稳定性；从力学角度讲，雨水入渗导致内部含水量增加，基质吸力减小，抗剪强度参数减小，内部平衡场被破坏从而触发滑坡。