降雨及渗流条件下层状砂质板岩边坡变形破坏模式研究

毋远召 马文礼 魏占玺 董顺德

摘 要：为增强边坡在恶劣条件下的稳定性，针对降雨及渗流条件下的层状砂质板岩边坡进行研究，采用边坡模型试验和有限元模拟方法，研究了边坡的变形破坏形态和位移变化情况。结果表明，边坡的变形破坏是一个持续发展的过程。主要从坡体中部开始，形成一个D字状的位移曲线，随着降雨时间的增加，最终坡体完全被破坏;当降雨强度分别为600 mm/d和800 mm/d时，边坡中部出现塌落，其降雨时间分别为16 800 s和13 300 s，说明了强降雨对边坡失稳有被更大的加速作用;通过对边坡模型试验和有限元模拟试验的结果对比表明，层状砂质板岩边坡破坏形态和位移变化趋势基本保持一致，验证了模型试验监测数据的准确性和有效性。研究结果为降雨及渗流条件下层状砂质板岩边坡变形破坏机理提供了实验依据和数值模拟参考，可为类似砂质板岩边坡渗流问题研究提供借鉴。

关键词：岩土力学;降雨;边坡;稳定性;有限元模拟

中图分类号：P642 文献标识码：A

doi： 10.7535/hbgykj.2020yx04004

文章编号：1008-1534（2020）04-0230-07

Abstract：In order to enhance the stability of side slopes in harsh conditions， the research on layered sandy slate slopes under rainfall and seepage conditions was carried on， and the slope model test and finite element simulation method were used to study the deformation failure form and displacement change of the slope. The results show that the deformation and failure is a continuous development process. It mainly starts from the middle of the slope and forms a D-shaped displacement curve. With the increase of rainfall time， the slope is completely destroyed. When the rainfall intensity is 600 mm/d and 800 mm/d， the rainfall time required for the collapse in the middle of the slope is 16 800 s and 13 300 s respectively， which shows that the continuous rainfall has a greater acceleration effect on the slope instability. The comparative analysis of the slope model test and the finite element simulation shows that the failure pattern and displacement change trend of the layered sandy slate slope are basically consistent， which also verifies the accuracy and effectiveness of the model test monitoring data. The research results not only provide experimental basis and numerical simulation foundation for the deformation failure mechanism of underlying sandy slate slope under the condition of rainfall and seepage， but also provide reliable reference for similar research on seepage problems of sandy slate slope.

Keywords：geotechnical mechanics; rainfall; side slope; stability; finite element simulation

在公路、隧道、鐵路城建等基建项目的建设过程中会遇到各种各样的地质条件[1]。

为了保证道路及建设工程的安全性，需要对各种恶劣条件下的边坡性能进行研究。在持续降雨的条件下，边坡会出现失稳的现象，轻则影响工程的质量和施工进度，重则导致人员的伤亡[2-3]。

针对边坡的变形破坏有很多研究[4-6]。杨世平等[7]结合历史资料，利用数值模拟的方法研究了水库右岸趾板边坡的变形机理;何忠明等[8]结合非饱和抗剪强度理论，分析了强降雨条件下边坡的安全系数;刘杰等[9]基于有限元计算理论对影响边坡降雨入渗深度的因素进行了分析。孙萍等[10]模拟降雨系统，研究了不同降雨条件下天然黄土边坡的变形破坏模式;王磊等[11]针对均质黄土边坡开展了人工降雨现场试验，探究了边坡变形开裂的特征;AMINI等[12]针对岩石边坡的倾覆失效进行了研究，并建立了具有挠曲倾覆失稳潜力的岩石边坡理论模型;PARK等[13]通过单轴压缩试验对岩石的微观结构进行数值模拟分析，并验证了岩石的力学性能;LI等[14]研究了运动学在滑坡之间相互作用的影响机理。

降雨对于边坡有很大影响，大部分滑坡现象的产生缘于长时间降雨。针对工程实际中降雨条件下的层状砂质板岩边坡的模型试验尚未有文献报道。笔者结合边坡模型和有限元模拟软件，分析降雨及渗流条件下層状砂质板岩边坡的变形破坏模式，以期能够为提高边坡的稳定性能提供解决方案。

1 边坡稳定性分析

以层状砂质板岩边坡为分析对象，在降雨和渗流条件下，岩体会承受以下集中力的作用：流体对边坡裂隙壁的拉力T、流体的阻力F、裂隙内的静水压力V、边坡坡体上的静水压力U以及边坡的自重G[15-16]。边坡的受力分析如图1所示。

在降雨和渗流条件下，此时流体对边坡裂隙的推力T增加，同时黏聚力c减小，使得边坡容易失稳[17]。

2 边坡模型试验设计

选择边坡模型试验其材料需要满足以下几个方面的要求：1）模型的物理力学性能需要与边坡的岩石结构相似;2）试验过程中需要保持模型的性能稳定，不能被空气中的温度和湿度影响其力学性能;3）模型制作简单，成本低，材料易得[18-19]。

笔者选择某高速公路其中一段层状砂质板岩边坡作为研究对象，其原状岩土的物理性能如表1所示。

为了能够简单、准确的模拟高速路层状砂质板岩边坡的性质，边坡模型试验简化后的物理力学性能如表2所示。

为了能够更好地了解降雨及渗流条件下边坡的变形破坏情况，设置人工降雨模拟系统。降雨采用人工控制调节模式，降雨的有效面积为1.5 m×2.5 m，雨量的高度设置为3 m，持续时间可以手动控制，降雨的强度根据当地往年降雨量进行模拟。降雨系统的主要框架如图2所示。

此降雨系统主要由供水系统、降雨管路和控水阀门组成，人工模拟降雨的情况。模型箱上部的降雨喷头如图3所示。

本研究的边坡模型砌筑过程如下：1）选择合适的模型箱，铺设一定角度的垫层;2）待垫层养护达到一定的强度后，选择合适的砌筑方式砌筑边坡;3）养护边坡模型，直至其达到一定的强度，再在对应的位置进行打孔、安装。边坡模型的成型过程如图4所示。

3 边坡模型监测数据分析

本研究模拟边坡坡面倾角25°的层状砂质板岩边坡的破坏情况，采用层铺法砌筑边坡模型，在边坡的上、中、下部铺设相应的位移传感监测系统。边坡模型试验前需要对降雨系统进行检测，确认边坡模型能正常工作，监测模拟降雨强度分别为600， 800 mm/d 时的数据的变化情况。

边坡坡面倾角25°层状砂质板岩边坡在降雨强度为600 mm/d时的边坡模型水平、竖向位移图如图5和图6所示。

从图5和图6可以看出。

1）在降雨初期，边坡模型的水平和竖向位移没有变化，说明降雨初期边坡处于稳定的状态。随着降雨时间的逐渐增加，边坡的含水率也逐渐增加。当坡体某一区域的含水率达到饱和状态时，则在渗流的作用下边坡会出现明显的位移。

2）当降雨时间达到一定时长时，边坡会出现渗流现象。此时边坡的位移会进一步增加，中部的水平、竖向位移出现得更快，最终形成一个D字状的位移曲线。

3）随着降雨时间的继续增加，边坡大范围地出现含水率饱和的现象，此时的边坡位移变化情况继续增加。当降雨时间为16 800 s时，边坡中部位移最大，此时坡体中部的标志牌滑落，边坡破坏。

4）整个降雨过程中，边坡的下部位移基本保持不变。当边坡中部破坏后，随着降雨的持续，上部的边坡也慢慢的塌落，最终整体边坡垮塌。

边坡坡面倾角为25°层状砂质板岩边坡在降雨强度为800 mm/d时的位移变形情况如图7和图8所示。

从图7和图8可以看出。

1）在降雨初期边坡模型的水平和竖向位移基本没有变化，说明降雨初期边坡处于稳定的状态，与降雨强度600 mm/d时边坡的变化情况基本一致。随着降雨时间的逐渐增加，边坡的含水率也逐渐增加。当坡体某一区域的含水率达到饱和状态时，在渗流的作用下边坡会出现明显的位移。

2）随着降雨时间的持续增加，边坡中部开始出现滑动的现象。当降雨时间达到13 300 s时，边坡中部的竖向位移突然大幅度的增加，坡体破坏，中部标志牌也脱落。

对比边坡模型分别在600，800 mm/d降水强度下其水平、竖向位移情况可以发现：边坡的变形破坏是一个逐渐发展的过程。随着降雨时间的增加，边坡内部的土体慢慢达到饱和状态。坡体水平方向的位移变化相对较缓，当降雨时间持续到一定的时长后，边坡中部出现破坏，其竖向位移快速增加，最终使得整个边坡变形破坏。对比600， 800 mm/d 降水强度对边坡的影响可以看出：降水强度越大，边坡模型变形破坏所需要的时间越短，边坡越容易破坏。

4 降雨诱发边坡变形破坏有限元模拟研究

为了能够验证层状砂质板岩边坡模型在降雨条件下的监测试验结果，笔者结合有限元模拟方法分析降雨强度为800 mm/d时边坡的变形破坏模式。对比试验监测数据和模拟结果，研究降雨及渗流条件下边坡的破坏机理。

4.1 有限元模型建立

层状砂质板岩边坡中主要成分的岩土性质在物理性能上类似于混凝土，在模拟边坡变形破坏过程中，笔者采用ANSYS软件中solid164单元模拟边坡的岩体。在有限元分析中，网格划分得越密集，其模拟的结果越准确，但是这对计算机的计算性能提出了很高的要求。

笔者将岩体的网格划分为0.5 m[20]。通过 LS-DYNA 进行建模并导出k文件，根据模型的特征对相关的参数进行修改。取坡顶、坡脚和坡中的相应位置作为监测点，分析坡体在降雨及渗流作用下的位移变化情况。在实际模拟边坡变形破坏的过程中，忽略边坡坡面上的位移，边坡与模型框架之间水平向和侧向分别取2个和1个约束。模拟的边坡模型约束及网格划分情况如图9所示。

4.2 降雨强度为800 mm/d时边坡模拟结果分析

当降雨强度为800 mm/d时，分别取边坡底、坡中、坡顶的数值模拟数据进行分析。边坡X方向上的模拟位移結果如图10所示，其中A1114，B3392，C6260分别表示的为边坡的坡顶、坡中、坡底的数据。可以看出：边坡的位移曲线呈现抛物线的形状，其中主要是以边坡中部的变化为主，边坡下部基本无变化。

模型试验的水平方向位移曲线如图11所示。将边坡模拟试验结果与实际的模型位移结果对比可以发现：两者曲线的变化趋势基本一致，都是边坡中部变化最为明显，底部基本无变化。随着降雨时间的增加，边坡模型试验的最终监测结果显示边坡出现标志牌脱落，边坡中部开始塌落，直至最终边坡变形破坏。而边坡模拟的结果显示随着降雨时间的增加边坡最终位移不再变化，边坡彻底破坏。边坡模型试验和有限元模拟结果能够很好地吻合。

图12所示为降雨强度为800 mm/d时边坡试验与竖直方向的应变云图。可以看出：边坡模拟的变形形态与实际边坡模型的变形形态基本一致，两者相似度很高，最终的破坏形态也基本类似。这也证明了选择的有限元数值模拟方法的合理性和有效性。

5 结 语

笔者以某公路旁的层状砂质板岩边坡作为研究对象，通过模型试验和有限元数值模拟分析了其在降雨及渗流条件下的变形破坏模式，得出如下结论。

1）持续降雨条件下，层状砂质板岩边坡由于水渗流到岩石土体中，土体的黏聚力减小，边坡容易失稳。当边坡开始缓慢地出现位移现象时，证明边坡已达到失稳的临界状态，此时边坡的滑移面减小，加大了流体对边坡裂隙的拉力，导致其加速失稳，最终出现崩塌现象。

2）通过计算原始边坡的尺寸，设计了一套包含降雨系统的缩尺边坡模型。记录了边坡在降雨过程中不同位置的位移变化情况，分析了层状岩质边坡在降雨及渗流作用下的持续变形过程。降雨开始时无变化，当降雨时间达到一定时长时，边坡会出现渗流现象。此时边坡的位移会进一步的增加，其中部的水平、竖向位移出现得更快，形成一个D字状的位移曲线，直至坡体破坏。

3）边坡的位移曲线呈抛物线形状，水平位移的变化幅度相比竖向位移更大，表明边坡的变形破坏主要以水平位移变化为主。当降雨强度为600 mm/d且降雨时间持续16 800 s时，边坡中部位移最大，此时坡体中部的标志牌滑落，边坡破坏;当降雨强度为800 mm/d且降雨时间持续13 300 s时，边坡中部的竖向位移突然大幅度增加，坡体破坏，中部标志牌脱落。

4）利用ANSYS有限元模拟的边坡变形破坏与实际边坡模型的变形形态基本一致，最终的破坏形态基本类似。

模型试验中的边坡稳定性是基于表现位移进行判断的，实际工程中边坡的稳定性问题往往始于内部，因此，在今后的研究中应从表现位移向微观破坏机理深入研究，以便进一步掌握岩质边坡的变形规律。

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