降雨条件下花岗岩残坡积土路堑边坡稳定性研究

　　降雨条件下花岗岩残坡积土路堑边坡稳定性研究：基于多孔介质饱和—非饱和渗流理论和非饱和土抗剪强度理论，采用极限平衡法与降雨渗流有限元相结合的方法，选取大庆—广州高速公路江西里仁—龙南段某典型高路堑边坡，利用岩土仿真软件GeoStudio建立模型，研究降雨条件下花岗岩残坡积土路堑边坡失稳破环的形态和机理。结果表明：随着降雨的进行，边坡中地下水位从坡脚处开始抬升，边坡坡脚处容易产生“小弧”滑动破坏；土体体积含水量的增加使得基质吸力下降，从而降低土体强度和边坡的安全系数，且基质吸力与安全系数的下降幅度基本同步；降雨强度对边坡的安全系数有较大影响，小雨阶段，安全系数降幅较缓，而暴雨阶段，安全系数降幅加剧，降幅达244%；在强降雨条件下，滑面基质吸力大部分丧失，失稳边坡发生了从整体失稳向局部失稳、从深层失稳向浅层失稳的转变，即强降雨是浅层滑坡的主要外在因素。　　关键词：边坡；稳定性；滑坡；渗流；基质吸力；极限平衡法；有限元法；残坡积土　　：P642；U46+4文献标志码：A　　0引言　　降雨是影响土质边坡稳定性以及导致边坡失稳破环的最主要和最普遍的环境因素［－5］，降雨诱发的滑坡约占滑坡总数的90%。降雨入渗时，边坡稳定性是一个牵涉到饱和— 非饱和状态下水的渗流、土中含水量变化及土体强度变化的复杂问题［6－9］。雨水入渗会对岩土体产生静水压力和动水压力，破坏边坡的应力平衡，减小斜坡的抗滑力，增大下滑力；同时，含水量增加会降低边坡土体的基质吸力和抗剪强度，容易导致滑坡发生［0］。　　Ng等利用数值模拟方法分析瞬态渗流对非饱和土质边坡稳定性的影响，指出降雨强度、初始地下水位、渗透性的各向异性与前期降雨历时均会影响边坡的安全系数。Rahardjo等也认为前期降雨量对边坡的稳定具有重要影响，并通过某案例研究，指出在持续5d的前期降雨量下将会造成滑坡［2］。Ng等分析了不同雨型对边坡土体内部孔隙水压力分布变化的影响［3］。Tsaparas等研究了不同渗透系数条件下降雨诱发滑坡的控制参数，指出在前期降雨均匀分布的情况下对边坡安全系数的影响［4］。但针对花岗岩残坡积土路堑边坡的研究较少［5］。大庆—广州高速公路江西里仁—龙南段高路堑边坡较多，其特有的花岗岩残坡积土风化程度高，主要呈现砂土状，在地表水作用下，边坡极易失稳。笔者以该工程为例，基于多孔介质饱和—非饱和渗流理论和非饱和土抗剪强度理论，采用极限平衡法与有限元渗流分析所得的渗流场相结合的方式，利用岩土仿真软件GeoStudio建立模型，研究降雨条件下花岗岩残坡积土路堑边坡失稳的形态和机理，为类似边坡工程的设计与防治提供参考。　　3边坡稳定性分析方法　　非饱和土质边坡稳定性有限元分析方法发展的3个主要阶段为与时间无关的定性分析阶段、与时间相关的渗流与变形的不耦合分析阶段和与时间相关的非饱和土流固耦合分析阶段［2］。 　　笔者采用与时间相关的渗流与变形的不耦合计算方法。其基本思路是：先采用非饱和土的渗流分析得到某一时刻的稳态或瞬态渗流场，然后基于此渗流场再采用极限平衡法中考虑了力平衡和力矩平衡的Morgenstern－Price方法来分析边坡的稳定性，在分析中考虑基质吸力影响［22－30］。　　2算例分析　　2工程概况　　大庆—广州高速公路江西里仁—龙南段地形起伏较大，路线切割山体较深，沿线深挖方路堑边坡较多。根据野外地质调查及工程地质钻探资料和区域地质资料分析，该区地质构造不发育，地层发育出露严重缺失，主要地层以燕山期花岗岩为主，岩性主要为花岗岩残坡积土、全（强）风化土、中风化土，主要呈现砂土状，在地表水作用下，边坡极易失稳。具体地层分布为：①耕表土，为黄色，湿，松散，含少量植物根系，厚度05～06m，土石分级为Ⅱ级；②含砾粉质黏土，为黄色—红褐色，稍湿，硬塑，由花岗岩风化残坡积而成，组织结构全部被破坏，含少量粗砂、砾砂颗粒，厚度05～2m，遇水易崩解，土石分级为Ⅱ级，约占2%；③全强风化花岗岩，为灰褐色，组织结构基本被破坏，遇水易崩解，土石分级为Ⅲ、Ⅳ级，约占88%。　　工程经过地区属亚热带季风气候区，气候温暖、湿润，雨量充沛。多年平均降雨量为508mm，年最高降雨量25955mm，年最低降雨量9385mm，每年3月至6月为雨季，降雨量占全年564%左右。边坡开挖施：基于多孔介质饱和—非饱和渗流理论和非饱和土抗剪强度理论，采用极限平衡法与降雨渗流有限元相结合的方法，选取大庆—广州高速公路江西里仁— 龙南段某典型高路堑边坡，利用岩土仿真软件GeoStudio建立模型，研究降雨条件下花岗岩残坡积土路堑边坡失稳破环的形态和机理。结果表明：随着降雨的进行，边坡中地下水位从坡脚处开始抬升，边坡坡脚处容易产生“小弧”滑动破坏；土体体积含水量的增加使得基质吸力下降，从而降低土体强度和边坡的安全系数，且基质吸力与安全系数的下降幅度基本同步；降雨强度对边坡的安全系数有较大影响，小雨阶段，安全系数降幅较缓，而暴雨阶段，安全系数降幅加剧，降幅达244%；在强降雨条件下，滑面基质吸力大部分丧失，失稳边坡发生了从整体失稳向局部失稳、从深层失稳向浅层失稳的转变，即强降雨是浅层滑坡的主要外在因素。　　关键词：边坡；稳定性；滑坡；渗流；基质吸力；极限平衡法；有限元法；残坡积土　　：P642；U46+4文献标志码：A　　0引言　　降雨是影响土质边坡稳定性以及导致边坡失稳破环的最主要和最普遍的环境因素［－5］，降雨诱发的滑坡约占滑坡总数的90%。降雨入渗时，边坡稳定性是一个牵涉到饱和—非饱和状态下水的渗流、土中含水量变化及土体强度变化的复杂问题［6－9］。雨水入渗会对岩土体产生静水压力和动水压力，破坏边坡的应力平衡，减小斜坡的抗滑力，增大下滑力；同时，含水量增加会降低边坡土体的基质吸力和抗剪强度，容易导致滑坡发生［0］。　　Ng等利用数值模拟方法分析瞬态渗流对非饱和土质边坡稳定性的影响，指出降雨强度、初始地下水位、渗透性的各向异性与前期降雨历时均会影响边坡的安全系数。Rahardjo等也认为前期降雨量对边坡的稳定具有重要影响，并通过某案例研究，指出在持续5 d的前期降雨量下将会造成滑坡［2］。Ng等分析了不同雨型对边坡土体内部孔隙水压力分布变化的影响［3］。Tsaparas等研究了不同渗透系数条件下降雨诱发滑坡的控制参数，指出在前期降雨均匀分布的情况下对边坡安全系数的影响［4］。但针对花岗岩残坡积土路堑边坡的研究较少［5］。大庆—广州高速公路江西里仁—龙南段高路堑边坡较多，其特有的花岗岩残坡积土风化程度高，主要呈现砂土状，在地表水作用下，边坡极易失稳。笔者以该工程为例，基于多孔介质饱和—非饱和渗流理论和非饱和土抗剪强度理论，采用极限平衡法与有限元渗流分析所得的渗流场相结合的方式，利用岩土仿真软件GeoStudio建立模型，研究降雨条件下花岗岩残坡积土路堑边坡失稳的形态和机理，为类似边坡工程的设计与防治提供参考。　　3边坡稳定性分析方法　　非饱和土质边坡稳定性有限元分析方法发展的3个主要阶段为与时间无关的定性分析阶段、与时间相关的渗流与变形的不耦合分析阶段和与时间相关的非饱和土流固耦合分析阶段［2］。　　笔者采用与时间相关的渗流与变形的不耦合计算方法。其基本思路是：先采用非饱和土的渗流分析得到某一时刻的稳态或瞬态渗流场，然后基于此渗流场再采用极限平衡法中考虑了力平衡和力矩平衡的Morgenstern－Price方法来分析边坡的稳定性，在分析中考虑基质吸力影响［22－30］。　　2算例分析　　2工程概况　　大庆—广州高速公路江西里仁— 龙南段地形起伏较大，路线切割山体较深，沿线深挖方路堑边坡较多。根据野外地质调查及工程地质钻探资料和区域地质资料分析，该区地质构造不发育，地层发育出露严重缺失，主要地层以燕山期花岗岩为主，岩性主要为花岗岩残坡积土、全（强）风化土、中风化土，主要呈现砂土状，在地表水作用下，边坡极易失稳。具体地层分布为：①耕表土，为黄色，湿，松散，含少量植物根系，厚度05～06m，土石分级为Ⅱ级；②含砾粉质黏土，为黄色—红褐色，稍湿，硬塑，由花岗岩风化残坡积而成，组织结构全部被破坏，含少量粗砂、砾砂颗粒，厚度05～2m，遇水易崩解，土石分级为Ⅱ级，约占2%；③全强风化花岗岩，为灰褐色，组织结构基本被破坏，遇水易崩解，土石分级为Ⅲ、Ⅳ级，约占88%。　　工程经过地区属亚热带季风气候区，气候温暖、湿润，雨量充沛。多年平均降雨量为508mm，年最高降雨量25955mm，年最低降雨量9385mm，每年3月至6月为雨季，降雨量占全年564%左右。边坡开挖施工中，在降雨的影响下该工程曾发生过多起边坡浅层滑塌现象（图）。笔者选取某一典型边坡进行简化，建立有限元渗流模型（图2），其中竖线A和B处用于监测。边坡分为4阶，每一阶坡度高8m，前两阶坡度为∶，后两阶坡度为∶25，X格划分在边坡浅层加密，共计9454个单元和4996个节点。　　3结果分析　　3边坡瞬态渗流分析　　通过边坡降雨有限元瞬态渗流分析，可以得出边坡土体中孔隙水压力、体积含水量和渗透系数等参数在不同时间和空间的分布。图5为不同降雨时刻边坡水位线变化图。从图5可以看出，降雨对地下水位有较大影响，随着降雨的进行，地下水位从坡脚处开始抬升，最高抬升38m，停雨后水位线有所回落；同时，降雨入渗后在边坡坡脚大量积聚，使得土体的抗剪强度指标大幅度降低，在坡角处有出现“小弧” 滑动的可能，从而容易产生局部失稳。对路堤边坡现场开挖测试也证实了雨水在坡角积聚的现象［3］。　　图6为图2竖线A外观测的不同降雨时刻含水量随深度的变化曲线。从图6可以看出，降雨入渗对边坡表层体积含水量均有较大影响，随着降雨的进行，表层土体接近饱和并向内部渗透，最大影响深度达2m，饱和带垂直厚度最大达36m，停雨后表层土体体积含水量很快下降。体积含水量增加会降低土体的有效抗剪强度，从而降低土质边坡的安全系数。　　32边坡稳定性分析　　在边坡降雨有限元瞬态渗流分析的基础上，采用极限平衡法与有限元渗流分析所得的渗流场相结合的方式，研究降雨条件下花岗岩残坡积土路堑边坡在不同时刻的安全系数及基质吸力。　　从图7可以看出，降雨对边坡的安全系数有较大影响，其下降幅度跟降雨强度密切相关。AB段雨量较小，曲线降幅较缓；BC段为暴雨，曲线降幅加剧，最大降幅达244%；C段为停雨阶段，安全系数有所回升。结合图8、9，暴雨开始后，滑体体积突然明显变小，体积降低率为284%；再结合图0，在第4天时（降雨量最大），潜在滑动面发生了较大的形状改变，主要体现在滑动面的长度和厚度均有较大幅度的变小，由此可以推断失稳边坡发生了从整体失稳向局部失稳、从深层失稳向浅层失稳的转变。由此可见，土质边坡浅层滑坡主要由强降雨引起，并在强降雨之初就会发生，当降雨量减小时，滑坡体积变大，破坏转为深层。　　4结语　　（）随着降雨的进行，地下水位从坡脚处开始抬升，雨水在边坡坡脚大量积聚，使得土体的抗剪强度指标大幅度降低，在坡角处有出现“小弧”滑动的可能，从而容易产生局部失稳。 　　（2）随着降雨的进行，表层土体接近饱和并向内部渗透，最大影响深度达2m，饱和带垂直厚度最大达36m，停雨后表层土体体积含水量很快下降。体积含水量增加会降低土体的有效抗剪强度，从而降低土质边坡的安全系数。　　（3）降雨对边坡的安全系数有较大影响，其下降幅度跟降雨强度密切相关。强降雨开始后，失稳坡边发生从整体失稳向局部失稳、从深层失稳向浅层失稳的转变，即土质边坡浅层滑坡主要由强降雨引起，并在强降雨之初就会发生，当降雨量减小时，滑坡体积变大，破坏转为深层。　　（4）随着降雨的进行，滑面基质吸力下降幅度较大，且基质吸力与安全系数的下降基本同步，强降雨对基质吸力的下降具有决定性的影响。　　（5）花岗岩残坡积土风化程度强，主要呈现砂土状，在地表水作用下，边坡极易失稳，因此在边坡设计和施工过程中，应注意做好防排水措施。