降雨对基覆边坡稳定性的影响研究.pdf

第10 期2023年10 月文章编号：16 7 3-9 0 0 0（2 0 2 3)10-0 12 1-0 3陕西水利Shaanxi WaterResourcesNo.10October,2023降雨对基覆边坡稳定性的影响研究王绪（辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，辽宁沈阳110 0 0 0)【摘要研究基覆型边坡在降雨后，失稳特征和相应的机制，并分析在边坡雨停后承载力不同阶段的变化，采用概化模型来进行研究。研究结果表明：随着坡内土颗粒质量含水率的增加，边坡的安全系数经历了先增加后减小的变化趋势。降雨过程中，边坡表面的含水率先上升，降雨持续进行，含水率逐渐保持稳定，坡体内部的土体含水率开始以由外向内的趋势增长；在边坡的安全评估和防护设计中，需要考虑土体含水率和孔隙水压力的影响，采取有效措施控制水分的渗透和排泄，降低孔隙水压力的影响。对于实际工程，需要在设计边坡时考虑到边坡的水文地质特征，并在降雨停止后及时进行评估和监测，以确保边坡的稳定性和安全性。【关键词基覆边坡；人工降雨；失稳特征；承载力【中图分类号U213.1+3【文献标识码B荷载作用，研究降雨对边坡承载能力的影响以及对应出现的1引言破坏模式。降雨时常会导致边坡失稳。在我国每到梅雨季节时常表1列出了模拟时不同质量含水率下的砂土抗剪强度指会发生边坡滑坡,造成巨大的经济损失2。一些学者研究表明，标，其中包括干燥状态下的强度，以及不同含水率下的强度边坡失稳存在多种破坏模式，但大多取决于坡趾部位土体的指标。饱和程度3。有学者提出失稳边坡的土体内部孔隙水压力极高，可能是造成边坡失稳的主要原因。在实际工程中，基覆型边坡的基覆界面形状各不相同，因此本文采用两段直线组合的方式来模拟典型工况5,以代表基覆型边坡的一般形态。通过这种方式，研究不同阶段边坡的承载力变化规律，以及雨后边坡失稳的机制和特征。2建模方案依托辽宁省某工程项目，利用数值模拟技术模拟边坡在降雨作用下的稳定性和承载力变化规律。装置由不锈钢和有机玻璃板组成，有机玻璃板为侧面，锈钢板为底部，地板上铺设粗糙度不同的泡沫板材，用于模拟界面粗糙度。边坡模型长1.8 m,宽0.3m,高1.2 m,见图1。图1边坡模型图本文采用数值技术模拟降雨，控制出水阀门与水泵控制降雨强度，降雨强度采用雨量计记录。根据描述，降雨强度为I=21.96mm/h,属于暴雨级别。通过模拟不同时间内的静表1基本参数含水率/%饱和度1%005.925.5112.151.0317.877.1822.999.98图2 和图3分别展示了干燥状态下和不同含水率下砂土的剪切强度与有效正应力的关系曲线。从图中可以看出，在不同质量含水率下，砂土的剪切强度随着有效正应力的增加而不断增加，但在相同的有效正应力下，随着含水率的增加，砂土的剪切强度逐渐降低，说明非饱和状态下的砂土的抗剪强度受到了含水率的显著影响。38一黏聚力-内摩擦角36覆土边坡34(）/93230280图2砂土黏聚力与内摩擦角与饱和度的关系c/kPa02.696.116.171.212040饱和度1%$/()34.7931.6130.8629.9128.186080100收稿日期2 0 2 3-0 3-0 7作者简介王绪（19 8 5-），男，满族，辽宁本溪人，工程师，主要从事勘察技术与工程工作。121第10 期2023年10 月120906030010观察图2、图3可知随着饱和度的增加，所用的砂土的表观黏聚力，呈现先增大后减小的趋势。这是因为在低饱和度时，毛细水压力作用较弱，表观黏聚力较小；随着饱和度的增加，毛细水压力作用增强，表观黏聚力也随之增大，但当砂土达到饱和状态时，毛细水压力作用达到最大值，此后随着饱和度的增加，毛细水压力作用反而减小，表观黏聚力也相应减小。砂土内摩擦角与土体饱和度的变化呈负相关，水在土颗粒间起到润滑作用，含水率上升包裹土颗粒的水膜变厚，颗粒间的摩擦阻力减小。根据提供的信息，可以计算得到砂土的孔隙比和饱和度，分别为孔隙比0.42 9,饱和度0.2 9。其中，颗粒密度取砂的密度，一般认为2.6 5g/cm。持水量指砂土最大干密度与最小干密度差值的体积含水量，根据砂土饱和渗透系数为0.0 0 0 31m/s，可以判断该砂土的渗透能力较差。根据粒径级配曲线，可知该砂土为粗砂，颗粒分布相对均匀,1.0 0 2 的曲率系数说明该土的级配连续。本文采用记录含水率和孔隙水压力的方式进行参数分析。在模型的侧面设置白砂，标记初始标识线，边坡出现变形后，白砂条带出现了显著的偏离，可以检测到边坡变形情况。测点包括孔隙水压力测点PiP。和含水率测点W1W6,对应测点为1 5。测点的布置见图4。2252P.WP.P.W,Po.W38P.W2P.W14115图4仪器布置图本文采用的砂土含水率为5%，进行分层填筑的边坡模型建造，填筑厚度均每层小于5cm，并逐层夯实。本文采用环刀测试夯实土体的密度和夯后含水率，然后计算土体的干密度，通过反算得到人工边坡的体积。夯土边坡的相对密度为0.16,土体相对疏松。完成夯土边坡后静置2 4小时，之后进行模拟降雨，在降雨完成后进行坡顶加载，记录监测数据。本文的目的是研究降雨时基覆型边坡的失稳特征和极限承载力，分析边坡内部孔隙水压和含水率对边坡稳定性的影响。共设置了6 种工况（详见表2）。基覆层下部倾角14，上部倾角52。:122陕西水利Shaanxi WaterResources编号12345610%10-粒径/mm图3粒径级配20No.10October,2023表2工况设计降雨时间/h降雨强度/（mm/h）4.521.88102根据表1中不同的质量含水率，可以计算出对应的边坡模型的安全系数理论值，并在表3中进行展示。从表格中可以看出，随着坡内土颗粒质量含水率的增加，边坡的安全系数经历了先增加后减小的变化趋势。表3理论安全系数含水率/%饱和度/%00524.891052.331576.21201003结果与分析3.1降雨前后土体孔隙水压力与含水率变化边坡失稳与坡内含水率和孔隙水压力的改变密切相关。图5和图6 展示了坡内土颗粒在降雨过程中随时间变化孔隙水压力和体积含水率变化情况。根据图5,坡内土体的含水率逐渐增加，坡体安全系数呈现先增大后减小的趋势，下部坡体的含水率先开始增长。50401000369121518时间小（a）体积含水率随时间变化图5孔隙水压力与体积含水率随时间变化曲线0.5体积含水率1%0.540.000.435.7531.5027.2550.323.0018.7514.500.210.256.00.10.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.700.50.40.30.20.10.200.300.400.500.600.70(c)i=l h图6边坡内体积含水率不同时间的空间分布加载时间/h05102040不加载安全系数0.11.793.674.190.813W,W2WW6W,降雨停止时间W-9-120（b）孔隙水压力随时间变化体积含水率1%40.000.435.7531.5027.2550.323.0018.7514.500.210.256.00.10.20 0.30 0.40 0.500.60 0.70 x/m(a)t=0体积含水率1%0.540.0035.7531.5027.2523.0018.7514.5010.256.0 x/m-3(b)t=0.5 h 0.450.30.20.10.200.300.400.500.600.70(d)i=4.5 hWWW降雨停止时间WWW46810121416时间/hx/m体积含水率1%40.0035.7531.5027.2523.0018.7514.5010.256.0 x/m第10 期2023年10 月根据含水率变化图像可以看出，测点3、4、5的含水率均小于饱和含水率，坡内土体未能饱和。而测点1、2、6 处，土壤处于饱和状态。由此可以看出，在降雨过程中时，水位线在坡体内部的中下部，表明雨水在坡脚率先聚集。随着降雨的持续，中部边坡和上部边坡的土壤含水率逐渐增加（见图6），雨水会从各个角度通过土颗粒间的通道汇聚至坡脚，然后坡内的水位线会从下至上缓缓上升到坡中位置（见图6）。坡脚土体最先饱和，因此最先破坏发生破坏。根据图6（a），可以看出降雨停止后，边坡内部的土体含水率开始下降。其中，边坡上部（Ws、W 4）的土壤含水率最先下降，最终稳定在约17%。边坡下部土体表面（W）开始快速下降，最终稳定在约33%。与边坡表层土体和上部土体不同，坡角与基础覆盖层的接触位置土体的含水率下降速度缓慢。因此，在降雨停止后较长一段时间内，内部土体的水位线仍会逐渐下降。尽管在坡脚和界面接触处仍有残余水分存在，但测点1、2、3的含水率保持在饱和状态上下，含水率的时程发展规律也趋于稳定。根据图7 和图5，可以看出在降雨初期各测点的孔隙水压力值基本没有变化。随着降雨时间的延长，坡体内部各个测点孔隙水压按由外向里的趋势依次增加，中下部边坡的孔隙水压最先达到稳定状态，并出现正峰，这说明降雨过程中坡内土颗粒的水位线由下而上逐渐上升至边中，在前面已经得到验证。但边中部位的孔隙水压的峰值均为负，说明在降雨时坡中部分土体尚未饱和。根据图7（b）发现，各测点孔隙水压力值均发生变化。坡体上部测点4、5的孔隙水压下降十分迅速；坡体中下部土体的孔隙水压呈逐渐减小趋势，但下降速率较上部更缓慢。坡脚处的孔隙水压下降最慢。0.5F孔隙水压力/kPa0.52.000.4-0.125-0.26040.3-5.083-7.5630.2-10.040-12.5210.10.150.300.450.600.75x/m(a)t=00.5孔隙水压力/k0.52.000.4-0.125-0.26040.3-5.0830.3-7.5630.2-10.040-12.5210.10.150.300.450.600.75x/m(c)t=1 h图7 边坡内孔隙水压力不同时刻的空间分布综上分析，坡内土颗粒在降雨过程中的含水率与坡内孔隙水压力变化呈正相关。含水率与孔隙水压力的增大同步；稳定的孔隙水压伴随含水率的稳定。3.2边坡失稳机制此外，从孔隙水压力的变化可以看出，降雨过程中坡内陕西水利Shaanxi Water Resources土颗粒含水率与孔隙水压力呈正相关发展，几乎保持同增同减的变化趋势。因此，在边坡的安全评估和防护设计中，需要考虑土体含水率和孔隙水压力的影响，采取有效措施控制水分的渗透和排泄，降低孔隙水压力的影响，保证边坡的稳定性和安全性。3.3停雨后边坡极限承载力及破坏模式根据数据结果，降雨停止后边坡的极限承载力会发生变化，与边坡内部水分的流失、孔隙水压下降、基质吸力增大密切相关。随着降雨时间的推移，边坡内部水分的流失后，坡体含水率下降，孔隙水压减小，基质吸力骤增，进而提高坡体的抗剪强度，从而边坡的承载力会相应地增加。如图8，在坡部施加静荷载发生的边坡失稳可以总结为两类，一是整体滑移，二是局部滑移，其中边坡滑移面出现在基覆界面附近或中上部位置。然而，随着时间的推移和水分的流失，边坡内部的土体会发生变化，最终导致边坡出现局部滑移，坡体的中上部出现破坏面，并沿基覆接触面滑动，然后在坡体中下部位向内部发展，最后在坡脚上部位置发生剪切破坏。基岩图8 破坏图因此，对于实际工程，需要在设计边坡时考虑到边坡的孔隙水压力/kPa2.000.4-0.125-0.2604-5.083-7.5630.2-10.040-12.5210.10.150.300.450.600.75/m(b)t=0.5 h0.40.20.10.150.300.450.600.75x/m(d)t=4.5 hNo.10October,2023局部滑移面整体滑移面原始坡面淘空面水文地质特征，并在降雨停止后及时进行评估和监测，以确保边坡的稳定性和安全性。同时，在边坡的监测和评估中，需要关注边坡内部水体的变化，及时采取措施降低水体对边坡稳定性的影响，保证边坡的承载力和安全性。4结论本文模拟降雨环境对基覆型边坡的雨后承载能力变化以孔隙水压力/kPa及失稳模式进行了探究，研究发现：2.00-0.125-0.2604-5.083-7.563-10.040-12.521(1)坡内土体的含水率逐渐增加，坡体安全系数呈现先增大后减小的趋势。（2）降雨过程中，边坡表面的含水率先上升，降雨持续进行，含水率逐渐保持稳定，坡体内部的土体含水率开始以由外向内的趋势增长。（3）在边坡的安全评估和防护设计中，需要考虑土体含水率和孔隙水压力的影响，采取有效措施控制水分的渗透和排泄，降低孔隙水压力的影响。（4）对于实际工程，需要在设计边坡时考虑到边坡的水文地质特征，并在降雨停止后及时进行评估和监测，以确保边坡的稳定性和安全性。（下转第12 6 页）123第10 期2023年10 月上式可以变化为：Y=(N,+Pu i n)c o s ,+(T,-Put)sin,-W,式中：；为条块i的底边倾角。将（2)进行变化可以得到：N=(W,+Y)s e c ,+(Pu.-T,)tan,-Pin由于在（3）中T主要由膨胀土的抗剪强度所决定，因此T必须满足：T,=(N,-Plin)tanp+cL,J/F,式中：F,为安全系数；为内摩擦角；c为黏聚力。根据条块水平向的受力平衡可知：4E,=E,-Ei-1式(5)可以变化为E;=(T,-Pu i t)c o s ,-(N,+Plin)sin,-(P,-Pi-l)由式（3）、式（4）、式（6）可得：(W,+AY,+Puisin,-2Pucos,)tanpl+cL,cos;,4E;=Pirsec;-(W+Y,)t a n ;-(P,-Pi-1)在式(7)中:m;=cos;+由于在扬布普遍条分法中规定，各个条块之间的法向应力累加和应为0,即：2.4E:=01则结合式（9）的限定条件，可将式（7）转化为求取安全系数的公式，即：(w+Y,+Pwsin a-Pmcos a,)ang+cl cosa/=1(W+4Y)tan a;+Prse a+(P-P.)=1通过式（10）便可以对膨胀土边坡的安全系数进行计算从而可以对膨胀土边坡的稳定性进行定量分析。3.3膨胀土边坡的稳定性分析基于前文得到的安全系数计算模型，对某地国道线路附近的平缓型膨胀土边坡稳定性进行计算研究，将滑体共划分为10 个条块，分别采用不考虑膨胀力影响的情况、文献3的计算方法和本文所提出的计算方法进行对比，并绘制了图4。陕西水利Shaanxi WaterResourcesAY-Y,-Yi-1(1)(2)(3)(4)(5)(6)m,Fslincosi(7)tanpsin;(8)F(9)m.cos;(10)No.10October,20235一不考虑膨胀力文献8 方法一一本文方法210图4干湿循环作用下的膨胀土边坡安全系数变化情况图4所示为不同方法下的干湿循环作用下的膨胀土边坡安全系数变化情况，从图中可以看出在无干湿循环时，膨胀力会降低边坡的安全系数，但边坡基本处于稳定状态，随着干湿循环的进行和次数的增多，安全系数呈现出降低的趋势且降幅也随之减小,其变化趋势与土体的抗剪强度大致相当。在达到8 次的干湿循环时，文献3 所给出的方法得到的安全系数为1.6,此时边坡处于稳定状态，而实际边坡已经失稳；考虑到对边坡的简化处理，本文所给出的方法计算得到的安全系数为1.0 5,略大于1,此时边坡状态接近于失稳，与实际结果最为接近，可见对于平缓型膨胀土边坡的稳定性分析，本文的方法更加贴近实际。4结论本文以辽宁某地的平缓型膨胀土边坡为研究对象，结合干湿循环试验对坡体和滑坡带中表现出的强度参数进行研究，并结合扬布普遍条分法，建立了干湿循环作用下的膨胀土边坡稳定性分析方法，并得出了如下结论：1）随着干湿循环的作用，膨胀土土体内部结构会遭到一定程度的破坏，导致抗剪强度的降低，致使膨胀土边坡稳定性降低。2）在无干湿循环时，膨胀力会降低边坡的安全系数，随着干湿循环的进行和次数的增多，安全系数呈现出降低的趋势且降幅也随之减小。1姚海林，郑少河，李文斌，等，降雨人渗对非饱和膨胀土边坡稳定性影响的参数研究J.岩石力学与工程学报，2 0 0 2,2 1（7）：6.2陈善雄，戴张俊，陆定杰，等，考虑裂隙分布及强度的膨胀土边坡稳定性分析J.水利学报，2 0 14,45（12）：8.3司光武，蒋良潍，罗强，等，膨胀土边坡稳定性影响因素的作用效应分析J.地下空间与工程学报，2 0 16（S1）：8.2循环数/次参考文献468（上接第12 3页）参考文献1孟凡星.不同降雨条件对边坡稳定性的影响研究J.四川水泥,2 0 2 3(0 2)：43-45.2陈文锐.天然和降雨工况下某边坡失稳机制数值模拟研究J.陕西水利,2 0 2 2（11):8-19+2 5.3危灿，孙钱程，徐志华，等.长时降雨对片岩边坡的细观损伤机理:126研究J.内蒙古工业大学学报（自然科学版）,2 0 2 1,40（0 1)：57-6 3.4邱祥，蒋煌斌，欧健，等“暂态”饱和非饱和边坡稳定性分析方法研究J.中国公路学报,2 0 2 0,33（0 9）：6 3-7 5.5蒋水华，刘贤，黄发明，等.考虑多参数空间变异性的降雨人渗边坡失稳机理及可靠度分析J.岩土工程学报，2 0 2 0,42（0 5）：9 0 0-907.