淺談降雨過程中邊坡穩(wěn)定性

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1、淺談降雨過程中邊坡穩(wěn)定性　　摘要：非飽和土邊坡穩(wěn)定性的研究是當代巖土工程的重要課題。本文從非飽和土的理論研究出發(fā)，分析了非飽和土研究的滲透系數(shù)與抗剪強度參數(shù)。通過試驗與數(shù)值分析相結(jié)合的方法，采用不同含水量下邊坡的抗剪強度參數(shù)，計算分析了降雨過程中非飽和土邊坡穩(wěn)定性。關(guān)鍵詞：非飽和土邊坡穩(wěn)定性降雨入滲抗剪強度中圖分類號：U213.1+3文獻標識碼：A文章編號：鐵路工程中的邊坡工程，大都涉及到邊坡穩(wěn)定性問題。國內(nèi)外學者對邊坡穩(wěn)定性進行了大量的卓有成效的工作，取得了很多有意義的研究成果。眾所周知，降雨過程中或雨后是邊坡失穩(wěn)最易出現(xiàn)的時段。水的作用是影響邊坡穩(wěn)定的關(guān)鍵因素之一。本

2、文采用數(shù)值分析方法，對降雨過程中非飽和土邊坡的穩(wěn)定性分析進行了研究。1.降雨過程對邊坡穩(wěn)定性的影響6當邊坡土體內(nèi)部的某些面上的剪應(yīng)力達到抗剪強度時，邊坡穩(wěn)定平衡受到破壞，這是邊坡失穩(wěn)的根本原因[1]。在降雨過程中，非飽和土邊坡的含水量增大，重度增加，同時下滑力也增大，使得剪應(yīng)力增加；而抗剪強度與含水量呈反比，隨著含水量的增大，抗剪強度降低。二者綜合作用，使得降雨過程中容易誘發(fā)邊坡失穩(wěn)。研究降雨入滲的邊坡穩(wěn)定性問題時有兩個復(fù)雜問題需要探討：飽和與非飽和狀態(tài)下水的滲流問題、含水量變化問題[2]。與飽和土中水的滲流不同，在非飽和土中水的滲透系數(shù)并不是固定的常數(shù)，它與飽和度有關(guān)，

3、是飽和度的函數(shù)。國內(nèi)外學者對非飽和土抗剪強度的做了大量的研究工作。1960年Bishop[4]參照飽和土的有效應(yīng)力原理，提出了適用于非飽和土的抗剪強度表達式（1）：（1）其中為作用在土體上的正應(yīng)力；為土的有效應(yīng)力強度參數(shù)；為與土的飽和度及土性有關(guān)的試驗參數(shù)；為孔隙氣壓力；為孔隙水壓力。Fredlund于1978年將公式改進，提出了非飽和土的抗剪強度公式（2），定義了等效摩擦角。在公式中，正應(yīng)力引起的強度與土體內(nèi)摩擦角有關(guān)，而由于基質(zhì)吸力引起的強度與等效內(nèi)摩擦角有關(guān)。（2）從以上兩個公式可以看出，非飽和土的抗剪強度參數(shù)包含了基質(zhì)吸力的影響。在實際工程中，抗剪強度參數(shù)對巖土工

4、程有著重要的意義，是指導(dǎo)工程設(shè)計和安全施工的重要前提。因此，有必要研究非飽和土抗剪強度參數(shù)的確定。2.非飽和土參數(shù)的確定6通過以上理論研究，我們可以得出，在非飽和土研究中，主要存在兩個未知量：滲透系數(shù)及抗剪強度參數(shù)。2.1非飽和土滲透系數(shù)非飽和土的滲透系數(shù)是土體飽和度的函數(shù)，土體滲透系數(shù)隨飽和度的變化而變化。我們考慮以一個折減系數(shù)a來考慮飽和度對滲透系數(shù)的影響。在ABAQUS軟件中，當出現(xiàn)非飽和滲流時，默認當飽和度＜1.0時，；當時，。計算中滲透系數(shù)按照飽和度的不同修正為。2.2非飽和土強度參數(shù)的確定在上一節(jié)中，我們已經(jīng)將滲透系數(shù)與飽和度聯(lián)系起來。在土中，基質(zhì)吸力同樣是土

5、的飽和度的函數(shù)，這就是土－水特征曲線，或稱水分特征曲線。在土體這種孔隙材料中，土體非飽和意味著總的孔隙水壓力＜0，既－就是材料的基質(zhì)吸力[3]。在分析非飽和土問題時，必須確定非飽和土的土－水特征曲線。室內(nèi)非飽和土試驗的方法很多，應(yīng)用比較廣泛的是通過壓力板儀控制基質(zhì)吸力。試驗過程中，將飽和試樣放入壓力板儀中，通過加壓系統(tǒng)可以使儀器中試樣在一定的壓力下脫（吸）水、平衡，待試樣穩(wěn)定不再有水排出后，將試樣取出稱重，得出非飽和土的相應(yīng)壓力即基質(zhì)吸力下對應(yīng)的含水量。文獻［1］中通過6大量的非飽和土試驗，得出了非飽和土的土－水特征曲線的擬合公式（3），該公式采用指數(shù)函數(shù)擬合了脫濕段與吸

6、濕段的土－水特征曲線：（3）其中，ω為含水量，為基質(zhì)吸力，a、b、c均為擬合參數(shù)。通過該公式，我們可以得出各飽和度下的負的孔隙水壓力即基質(zhì)吸力。同樣，對非飽和土試樣進行剪切試驗，可以獲得不同含水量下對應(yīng)的非飽和土的抗剪強度參數(shù)。3.非飽和土邊坡的算例分析3.1工程概況某鐵路邊坡，邊坡高度為H=10m，邊坡坡率為1:1。根據(jù)地質(zhì)資料，坡體材料為山西中南部地區(qū)常見新黃土，重度為18.2kN/m3，滲透系數(shù)為k＝0.018m／s，降雨入滲強度為q＝20mm／s。3.2數(shù)值分析數(shù)值分析采用有限元分析軟件ABAQUS軟件。邊坡模型如圖一所示。土體網(wǎng)格單元劃分形式采用四邊形二次單元。

7、本構(gòu)模型采用理想的彈塑性模型，基于Mohr-Coulomb破壞準則與非相關(guān)聯(lián)流動法則。圖一邊坡模型6在降雨過程中，非飽和土吸收降雨，從天然含水量開始，逐漸增大含水量，分析非飽和土邊坡穩(wěn)定性的變化。不同含水量對應(yīng)的抗剪強度參數(shù)不同。我們選取4個不同含水量，通過試驗得出的對應(yīng)的抗剪強度參數(shù)如下表所示。表1不同含水量下的廣義抗剪強度參數(shù)通過數(shù)值分析結(jié)果我們可以直觀的看到，隨著降雨過程時間的增加，黃土邊坡的塑性區(qū)逐漸增加，非飽和土邊坡的強度降低，塑性區(qū)逐漸貫通，當含水量為15.5%時，塑性區(qū)貫通，邊坡即將破壞。（a）含水量9.5%（b