不同降雨类型下混合花岗岩路堑边坡稳定性分析

陈景松,周春梅*,吝曼卿,董高一,高 鹏

(1.武汉工程大学土木工程与建筑学院,湖北 武汉 430074;2.武汉工程大学资源与安全工程学院,湖北 武汉 430074)

从国家对道路的整体规划中可以看到线路在途经山地或丘陵时,常常存在许多开挖天然地面形成的路基,并由此形成了大量的路堑边坡。其中混合花岗岩土层在我国亚热带和热带地区广泛存在[1],这类边坡在一定的护坡处理下,往往具有较好的稳定性。但是近几年极端气候频发,全国各地频繁出现强降雨事件,在降雨入渗过程中,岩土体由非饱和趋于饱和,其含水量的增加致使孔隙水压力上升,岩土体的自重增大,岩土体内部结构发生变化[2-4],而且降雨对该类土层具有不可逆的冲刷破坏、强度软化等作用[5-6],这些都会导致边坡有失稳变形的风险。

近年来,国内外的学者越来越关注降雨对边坡稳定性的影响,数值模拟方法是研究降雨入渗过程中边坡稳定性变化最为广泛的手段之一,该方法借助计算机强大的建模和计算能力可分析出滑坡的稳定性以及相应的渗流特性。如:曾铃等[7]基于有限元模拟的方法,分析了降雨入渗下土体中暂态饱和区的分布规律;聂超等[8]利用FLAC3D软件,分析了不同降雨强度、不同降雨历时下边坡变形的情况;王元战等[9]采用有限元软件ABQUS,研究了不同降雨强度下岩土体渗透系数与边坡稳定性的关系。

在实际工程中地质和气候条件往往是复杂的。针对不同地质条件的研究有:王叶娇[10]研究了膨胀土路堑边坡在降雨入渗条件下土体孔隙水压力、体积含水量的变化规律以及边坡的稳定性;Qi等[11]针对全风化花岗岩边坡研究了其在降雨条件下的响应规律。实际的降雨中,降雨强度的动态变化以及降雨的停-歇交替变化都是比较复杂的,如:袁春娜[12]研究了超前型、延后型、凸型和平均型降雨对路堑边坡的影响,得出常规平均型降雨对滑坡稳定性的影响更明显;李绍红等[13]将实际降雨划分为均匀型、递减型、峰值型和递增型4种类型,得出不同降雨类型对边坡稳定性的影响较大。为了对边坡失稳规律有更全面的认识,国内外学者还在饱和-非饱和渗流理论的基础上针对不同工况、不同土质的边坡失稳规律进行了大量的研究。如:刘杰等[14]对不同降雨强度、土质类型、土体表面的吸力以及边坡坡度下的边坡降雨入渗深度和饱和区变化规律进行了研究;唐静等[15]研究了不同降雨条件下路堑边坡岩土体的体积含水率、孔隙水压力和暂态饱和区的变化规律;蔡荣坤等[16]在研究不同降雨强度和降雨历时的同时,分析了边坡坡率对降雨条件下路堑边坡稳定性的影响;王江平等[17]分析了降雨强度对不同岩土体渗透系数边坡稳定性的影响。

目前对于降雨入渗下路堑边坡的稳定性研究取得了许多成果,但对于混合花岗岩路堑边坡的稳定性研究较少,并且在边坡稳定性研究中将不同降雨类型和岩土体渗透系数结合起来考虑的并不多。鉴于此,本文依托云南省墨江至临沧公路的混合花岗岩路堑边坡工程实例,利用Plaxis2D数值模拟软件,着重研究了不同降雨类型、岩土体渗透性系数对混合花岗岩路堑边坡稳定性的影响,以便为该类型路堑边坡失稳破坏机理的研究以及边坡的治理设计提供参考。

1 边坡稳定性分析理论

1.1 强度折减有限元法

强度折减有限元法[18]的基本原理是通过公式(1)和(2)将岩土体的强度指标c、φ进行同步调整,其中Ft为折减系数,并对边坡进行有限元分析,通过不断地增加折减系数Ft反复分析边坡稳定性直至其达到临界破坏,此时得到的折减系数即为边坡稳定性系数Fs。具体计算公式如下:

ct=c/Ft

(1)

φt=arctan(tanφ/Ft)

(2)

上式中:ct、φt分别为边坡临界破坏时的黏聚力(kPa)和内摩擦角(°)。

本文边坡稳定性计算时选用的Plaxis2D[19]数值模拟软件中强度参数的减小由总乘子∑Msf(相当于折减系数Ft)来控制,这个参数将逐步增加,直到边坡达到临界破坏。最终步的乘子∑Msf即为边坡稳定性系数。

目前,Plaxis2D软件有限元分析中确定边坡临界破坏状态通常采用3个失稳判据[20]:①剪切面上位移产生突变;②产生很大且无限制的塑性变形;③数值计算解的不收敛性。

1.2 非饱和土理论

非饱和土的抗剪强度准则可采用莫尔-库仑准则和Bishop有效应力法则[19],具体表示如下:

τf=c′+(σ-ua)ftanφ′+χ(ua-uw)ftanφ′

(3)

式中:τf为抗剪强度(kPa);(σ-ua)f为土体破坏时破坏面上的净法向应力(kPa);(ua-uw)f为土体破坏时破坏面上的基质吸力(kPa),随着土体逐渐饱和,该值逐渐趋向于0;ua为土体破坏时破坏面上的孔隙气压力(kPa);uw为土体破坏时破坏面上的孔隙水压力(kPa);c′为土体有效黏聚力(kPa);φ′为土体有效内摩擦角(°);χ为土体有效应力参数,是一种材料变量,其值在0～1的范围内。由于χ(S)函数比较复杂,所以Plaxis2D软件中令χ=S(S为土体饱和度)。

土-水特征曲线(SWCC)[21]是描述土体基质吸力与含水量之间本构关系的函数曲线,Van Genuchten模型[22]是岩土工程中常用的表示土-水特征曲线函数形式的模型,也是Plaxis2D软件中渗流模块中采用的模型,其数学表达式如下:

(4)

式中:Se为土体有效饱和度;Sr为土体残余饱和度;α和n为拟合参数,其中参数α近似等于进气压力值的倒数(kPa-1),其取值范围为0<α<0.5 kPa-1,参数n为土水特征曲线指数(即曲线的形状参数)或孔径分布指数,与该曲线的陡缓程度有关,本文中n通过模拟软件拟合取1.66;ua-uw为土体基质吸力(kPa)。

采用Van Genuchten岩土体渗透系数函数模型,其数学表达式如下[21]:

(5)

式中:ψ为土体基质吸力(kPa),取正值;Ks为土体饱和渗透系数(cm/s);Kr为土体相对岩土体渗透系数(无量纲);m为拟合参数,其中m=(n-1)/n。

2 边坡稳定性有限元模拟计算

本次选用Plaxis2D软件对混合花岗岩路堑边坡渗流与变形耦合进行计算分析,并利用强度折减有限元法研究其稳定性变化规律。

2.1 边坡岩土体参数及边界条件

在地质结构方面,混合花岗岩边坡的原岩结构基本被破坏,仅具有微弱的残余强度,通常呈现出层理状、节理状等复杂结构。混合花岗岩边坡中的岩石由于风化作用,其内部矿物质和黏土矿物质被分解,导致其结构疏松,抗剪强度的主要成分逐渐变为以胶结作用为主的黏聚力,黏聚力随土体含水率的增加逐渐减小,土体强度减小明显,即土体软化,使得边坡更易受降雨作用的影响[23]。

根据地质勘察报告给出的物性参数,结合试验及现场踏勘,获得数值计算采用的边坡岩土体物理力学性质参数[21]如表1所示。

表1 边坡岩土体物理力学性质参数

根据岩土体类型、颗粒级配以及相关的试验数据[21],土-水特征曲线和土的渗透性函数通过Plaxis2D软件中的Van Genuchten方程拟合而成,如图1所示。图中Ψ为土体基质吸力水头(m),Sr为土体残余饱和度,Kr=K/Ksat表示土体相对岩土体渗透系数(无量纲),可以看出当土体饱和度为0.7时,土体基质吸力水头为-0.5 m,此时土体相对岩土体渗透系数为0.01。

图1 土-水特征曲线和土的渗透性函数Fig.1 Soil-water characteristics curves(left)and Permeability function of soil(right)

边界条件设置如下:左、右边界为法向约束,且为透水边界;底部边界为固定约束,并且为不透水边界;上表面为降雨流量边界且无其他荷载。同时,本文假设坡面不积水。

2.2 简化模型的建立

对降雨条件下边坡稳定性的分析受边坡形状因素(例如边坡台阶、边坡坡率等)的影响,为了得出一般规律先对坡率一定、无台阶的标准边坡进行分析,进而为研究实际边坡提供一定的参考。

由于混合花岗岩边坡的内部结构以及岩土体参数类似于土质边坡,这里将混合花岗岩边坡做均一化处理,建立如图2所示的均质边坡模型,模型大小为23 m×15 m,边坡高10 m,长13 m,坡度为1∶1.25,地下水水位位于坡脚以下4 m处。

图2 均质边坡模型及网格剖分Fig.2 Homogeneous slope model and mesh generation

2.3 岩土体渗透系数确定及模拟工况设置

2.3.1 岩土体渗透系数确定

由于公路全段较长,混合花岗岩的物理力学性质存在空间差异性,因此依据部分岩土体渗透试验结果和当地已有工程中岩土体渗透系数的取值范围[24],将此次模拟计算采用的岩土体渗透系数K分别设置为0.432、0.900、4.320 m/d。

根据云南临沧气象资料[25],当地旱季以中雨为主,雨季以大雨为主,因此设置降雨强度为20 mm/d(中雨)、50 mm/d(大雨)(两种降雨强度均小于边坡岩土体的饱和渗透系数)[26],并且将持续性降雨简化为均匀型降雨和间歇型降雨两种降雨类型。三种降雨工况设置见表2。

表2 三种降雨工况设置

3 模拟计算结果与分析

3.1 不同岩土体渗透系数条件下降雨强度对边坡稳定性的影响

3.1.1 对边坡土体饱和度的影响

在不同降雨强度的均匀型降雨的影响下,不同岩土体渗透系数的边坡在降雨历程中土体饱和度的变化,见图3、图4和图5。

图3 不同降雨强度下边坡土体饱和度的变化(岩土体渗透系数K=0.432 m/d)Fig.3 Variation of slope soil saturation under different rainfall intensities(permeability coefficient of rock mass K=0.432 m/d)

图4 不同降雨强度下边坡土体饱和度的变化(岩土体渗透系数K=0.900 m/d)Fig.4 Variation of slope soil saturation under different rainfall intensities(permeability coefficient of rock mass K=0.900 m/d)

图5 不同降雨强度下边坡土体饱和度的变化(岩土体渗透系数K=4.320 m/d)Fig.5 Variation of slope soil saturation under different rainfall intensities(permeability coefficient of rock mass K=4.320 m/d)

由图3、图4和图5可以看出:

1) 当岩土体渗透系数K为0.432 m/d时,降雨5 d后,土体饱和度在边坡表层土体内升高,其中工况1条件下土体饱和度增大约50%,工况3条件下增大约65%,这是因为岩土体渗透系数较低时,雨水入渗缓慢,只对一定范围内的边坡表层土体产生影响,而工况3条件下降雨强度增大,相同时间内更多雨水入渗,导致边坡土体饱和度变化更大,而土体饱和后雨水更易入渗,这也是工况3条件下降雨入渗影响深度更大的原因[图3(b)、(e)];停雨5 d后,边坡表层土体内雨水继续入渗,并且未得到补充,土体孔隙水压力逐渐减小,土体饱和度逐渐降低,其中工况3条件下降雨入渗的深度更大,边坡土体整体饱和度比工况1高出约5%[图3(c)、(f)]。

2) 当岩土体渗透系数K为0.900 m/d时,降雨5 d后,通过对比图3与图4可以看出,工况1和工况3条件下边坡土体饱和度的变化规律基本一致,区别在于土体饱和度升高幅度有所降低且降雨入渗深度增大,当K为0.900 m/d时工况1条件下边坡土体饱和度升高约40%、工况3条件下增大约50%,分析其原因是岩土体渗透系数增大后,雨水入渗变快,边坡表层土体还未达到饱和,雨水就继续入渗,这也正是雨水入渗深度相对增大的原因;停雨5 d后,土体内雨水继续入渗,之前受到降雨影响的边坡土体饱和度也逐渐降低,降雨入渗的深度约增大1倍,且工况3比工况1降雨入渗的深度约深2 m[图4(c)、(f)]。

3) 当岩土体渗透系数K为4.320 m/d时,由图5可知:在工况1条件下,降雨5 d后降雨入渗的影响深度范围进一步增大,边坡土体饱和度升高30%左右,停雨5 d后,随着土体内雨水继续入渗,之前受到降雨影响的边坡土体饱和度也逐渐降低至50%左右,雨水入渗深度增大约1 m;而在工况3条件下,雨水入渗速度较工况1更快,边坡土体饱和度升高40%以上,湿润锋周围的土体趋向完全饱和,停雨后,雨水继续入渗,边坡土体饱和度随之降低,边坡坡脚处雨水入渗达到地下水水位线处。

综上分析可以得到:当岩土体渗透系数一定时,降雨强度越大即降雨强度为50 mm/d时,降雨入渗的深度越大,约是降雨强度为20 mm/d时的2倍,边坡土体饱和度升高比降雨强度为20 mm/d时高约5%～10%;当降雨强度一定时,岩土体渗透系数越大,降雨入渗深度的影响范围就越大,岩土体渗透系数K=4.320 m/d时比K=0.432 m/d时降雨入渗的影响深度约增大2倍左右,但边坡土体饱和度的升高却随之越低,岩土体渗透系数K=4.320 m/d时比K=0.432 m/d时边坡土体饱和度降低约15%～25%。

通识教育课程（必修部分）的比例为20%，学科专业知识课程的比例为35%，教师教育类的课程占到了45%的比重。其中，理论和实践类课程各占62%和38%的比例。教师教育课程包括教学职业素养课、教育基本理论课、教学技术能力课和教师实践能力等。教学计划用两年时间完成通识教育课程、学科专业课程、教师教育课程（教学职业素养课+教育基本理论课+教学技术能力课等），第五学期实施教师实践能力课程。或者深入小学课堂一线，进行教育实习（252学时），强化实践教学技能，第六个学期进行毕业实习与创新创业实践（252学时）。

3.1.2 对边坡稳定性系数的影响

边坡稳定性系数是评判边坡整体稳定性的重要指标,本文运用Plaxis2D软件对不同岩土体渗透系数和不同降雨强度条件下混合花岗岩路堑边坡稳定性系数进行分析,得出边坡稳定性系数随整个降雨过程历时的变化曲线,见图6。

图6 不同岩土体渗透系数和降雨强度下边坡稳定性系数与降雨时长的关系曲线Fig.6 Relationship curves between slope stability coefficient and rainfall duration under different rock and soil permeability coefficients and rainfall intensities

由图6可以看出:

1) 两种工况下边坡稳定性系数都随着降雨时间增加而逐渐减小,且在停雨后边坡稳定性系数仍有下降趋势,最后边坡稳定性系数变化趋于稳定,但仍小于边坡初始的稳定性系数。

2) 在岩土体渗透系数保持不变时,降雨强度为50 mm/d时边坡稳定性系数下降幅度比降雨强度为20 mm/d时更大,例如当岩土体渗透系数K为0.432 m/d时,在50 mm/d的降雨强度下边坡稳定性系数下降0.03,而在20 mm/d的降雨强度下仅下降0.021,下降幅度增大0.009,而且随着岩土体渗透系数的增大,降幅也越大,当岩土体渗透系数K为4.320 m/d时,在50 mm/d的降雨强度下边坡稳定性系数下降幅度最大达到0.121,这是因为随着降雨强度的增大,雨水入渗量增多,受影响的土体范围增大,土体基质吸力降低更多,土体黏聚力和内摩擦角下降更快,边坡的稳定性系数降低越大;当降雨强度不变时,岩土体渗透系数越大,边坡稳定性系数降幅就越大,在降雨强度为20 mm/d时,岩土体渗透系数大的边坡的稳定性系数比岩土体渗透系数小的下降幅度增大0.015,且在降雨强度最大即达到50 mm/d时,边坡稳定性系数降幅达到最大,大的岩土体渗透系数大的边坡的稳定性系数比岩土体渗透系数小的下降幅度增大0.091,其原因是岩土体渗透系数越大,雨水入渗速度越快,降雨入渗的深度越深,受影响的土体范围越大,边坡的稳定性系数就越低。

3) 停雨后两种工况下边坡稳定性系数仍然在下降,这是因为降雨对边坡的影响存在滞后性[22]。之后,由于缺少雨水的补给,土体内的雨水逐渐消散,土体饱和度降低,土体基质吸力增大,边坡稳定性系数略微增大,但由于边坡已经发生塑性变形,其稳定性系数较初始状态还是有所降低。

3.2 不同岩土体渗透系数条件下降雨类型对边坡稳定性的影响

3.2.1 对土体饱和度的影响

在不同降雨类型的降雨影响下,不同岩土体渗透系数的边坡在降雨历程中土体饱和度的变化见图3至图5(均匀型降雨)和图7(间歇型降雨)。

由图7可以看出:在不同岩土体渗透系数下,工况1和工况2下在10 d降雨后边坡土体内部雨水入渗深度和土体饱和度均升高,且岩土体渗透系数越大,土体内部降雨入渗深度越大,而土体饱和度的增幅越小;在停雨阶段,边坡土体内部雨水继续入渗,湿润锋继续推进,更大范围的土体基质吸力减少。

在总降雨量不变的情况下,相比于间歇型降雨,均匀型降雨短时间内较大地提高了边坡表层土体的饱和度,岩土体渗透系数相对提高,使得雨水入渗速度更快,因此降雨入渗深度更深,如在3种不同岩土体渗透系数下,间歇型降雨的最大入渗深度分别为0.81、1.07、1.62 m,而均匀型降雨分别为1.23、2.16、2.60 m,相比间歇型降雨增大了约25%;停雨后土体饱和度在间歇型降雨条件下比在均匀型降雨条件下高约5%左右。

3.2.2 对边坡稳定性系数的影响

不同岩土体渗透系数和降雨类型条件下边坡稳定性系数随降雨历时的变化关系曲线如图8所示,其最小稳定性系数如表3所示。

图8 不同岩土体渗透系数和降雨类型下边坡稳定性系数与降雨时长的关系曲线Fig.8 Relationship curves between slope stability coefficient and rainfall duration under different rock and soil permeability coefficients and rainfall types

表3 边坡最小稳定性系数随岩土体渗透系数的变化

由表3和图8可知:当降雨强度一定时,岩土体渗透系数越大,对于不同降雨类型,边坡稳定性系数均表现为降低,且均匀型降雨条件下边坡稳定性系数下降得更多;当降雨类型一定时,岩土体渗透系数越大,边坡稳定性系数越低。

4 工程实例分析

4.1 工程背景

云南省墨江至临沧公路路线K272+880～K273+080段地形起伏较大,设计拟以深挖路堑形式通过,该深挖路段总长为200 m。施工开挖后将在路线右侧形成高约53.82 m的土质边坡(后文称K272边坡),如图9所示。

图9 云南墨江至临沧公路K272+940标段边坡横断面示意图Fig.9 Slope cross section diagram of Yunnan Mojiang to Lincang highway K272+940 section

根据地质调查揭露结果,K272边坡地层岩性由粉质黏土及混合花岗岩构成,其中混合花岗岩全风化,为灰黄色、灰褐色,主要由长石、石英及黑云母等矿物组成,呈砂土状散体结构,遇水易崩解。该深挖路段无地表水体存在,地表水不发育,而挖方该路堑段水文地质条件较简单,地下水水位埋深较深,对挖方路堑的影响较小,因此不考虑地表水和地下水的影响。该边坡所在区域雨量充沛,旱、雨季分明,年平均降雨量为1 112.0～1 964.4 mm,80%的雨量集中在6—9月份,且多雾而潮湿,连续降雨日达20日以上,11月至次年4月为干季,降雨量极小,气候干燥多风。

4.2 Plaxis2D建模与计算

K272边坡体是一个深挖路堑多级高边坡,坡体分为6级,且每级边坡之间设2 m宽的平台,坡体总高为54 m,其中一级边坡坡高为4 m,坡度为1∶1.25,二、三、四级边坡坡高均为10 m,坡度为1∶1.25,五、六级边坡坡高为10 m,坡度为1∶1,地下水水位位于坡脚以下10 m处。建立的K272边坡模型及网格剖分如图10所示。

图10 K272边坡模型及网格剖分图Fig.10 K272 slope model and grid subdivision diagram

数值模拟计算采用的岩土体物理力学性质参数和边界条件与2.1节中一致。

基于对当地历史降雨数据的统计分析,选取其旱季、雨季20年一遇的最大降雨量平均值设置为降雨强度,并将降雨类型简化为均匀型的降雨以及间歇型降雨,设置的3种模拟计算工况,见表4和图11。

图11 K272边坡降雨历程图Fig.11 Rainfall history diagram of K272 slope

表4 模拟计算工况设置

4.3 模拟计算结果与分析

4.3.1 对边坡土体饱和度的影响

不同岩土体渗透系数、不同工况条件下边坡土体饱和度的变化,见图12和图13。

图12 不同工况下边坡土体饱和度的变化(岩土体渗透系数K=0.900 m/d)Fig.12 Variation of slope soil saturation under different working conditions(permeability coefficient K=0.900 m/d)

图13 不同工况下边坡土体饱和度的变化(岩土体渗透系数K=4.320 m/d)Fig.13 Variation of slope soil saturation under different working conditions(permeability coefficient K=4.320 m/d)

当岩土体渗透系数K为0.432 m/d时,由于岩土体渗透系数较低,雨水入渗缓慢,降雨入渗量有限,所以3种工况无论是降雨时还是降雨停止后,边坡土体饱和度基本保持不变,只在边坡表层约0.2 m厚度的土体内土体饱和度发生了较小的变化,边坡土体饱和度升高约为5%。可见,边坡土体饱和度的变化规律并不明显,所以此处不做讨论。

当岩土体渗透系数K为0.900 m/d时,由图12(b)、(d)可以看出:在均匀型降雨条件下,边坡土体饱和度的变化只发生在边坡表层约2 m厚度的土层内,且其中大部分土体饱和度的变化较小,工况3条件下降雨强度的增大仅体现在边坡台阶周围的土体趋于完全饱和。由图12(b)、(c)可知:在降雨强度不变的情况下,均匀型降雨和间歇型降雨对边坡土体饱和度影响的范围差别不大,主要差别在于间歇型降雨对边坡土体饱和度的升高作用更大。究其原因主要是:当岩土体渗透系数约扩大2倍后,边坡土体渗透系数依旧较小,降雨入渗深度依旧较小。但降雨强度越大,降雨入渗量越大,边坡土体更易达到饱和状态,均匀型降雨下上覆土体较快达到饱和状态形成暂态饱和区[27],之后雨水更难进入土体,而间歇型降雨会有1天的缓冲期,使得雨水相较易于渗入土体。

当岩土体渗透系数K为4.320 m/d时,由图8可以看出:在均匀型降雨条件下,降雨强度越大,雨水入渗速度越快,降雨入渗深度也越大,边坡土体饱和度升高也越多,其中工况3条件下湿润锋深度较工况1扩大了1倍左右,且边坡坡脚处雨水入渗都已达到地下水水位线处;在降雨强度一定时,均匀型降雨较间歇型降雨对边坡土体饱和度的影响更大。

综上可以得出:当岩土体渗透系数较小时,雨水入渗速度有限,降雨入渗深度仅在2～2.5 m范围内,降雨强度和降雨类型对边坡土体饱和度的影响较小,当岩土体渗透系数足够大时,降雨强度越大,雨水入渗量越大,降雨入渗深度越深,如降雨强度为100 mm/d时的降雨入渗深度约是降雨强度为50 mm/d时的1倍,并且均匀型降雨较间歇型降雨对边坡降雨入渗的影响深度增大约1.3 m。

4.3.2 对边坡稳定性系数的影响

均匀型降雨条件下(工况1和工况3)边坡稳定性系数随降雨过程历时的变化曲线,见图14。

图14 均匀型降雨(工况1和工况3)条件下边坡稳定性系数与降雨时长的关系曲线Fig.14 Relationship curves between slope stability coefficient and rainfall duration under uniform rainfall condition (condition 1 and condition 3)

当岩土体渗透系数一定时,降雨强度越大,边坡的稳定性系数越小,边坡越不稳定;岩土体渗透系数越大,降雨强度越大,边坡受降雨影响的滞后性表现越不明显。由图14可以看出:当岩土体渗透系数较小时,雨水入渗量较小,降雨只作用在边坡浅层,难以渗入到边坡土体内部,降雨初期雨水主要起到重力加载作用,短时间内边坡稳定性系数会增大,随着雨水入渗,边坡浅层土体基质吸力降低,土体黏聚力和内摩擦角下降,边坡的稳定性系数降低,但是降雨对边坡稳定性的影响存在滞后性,且降雨强度越大,滞后性越短[28],可见在工况3条件下停雨2 d后边坡达到最小稳定性系数,而工况1条件下则在停雨6 d后达到边坡最小稳定性系数;当岩土体渗透系数较大时,雨水入渗较快,雨水对边坡的加载作用不明显,且随着岩土体渗透系数增大作用时间越短,这是因为岩土体渗透系数增大后,雨水渗入到坡体内更加容易,雨水对坡体产生的加载作用的效果削弱更快,而工况3降雨强度足够大,雨水短时间不能完全渗入到土体内,对坡体的加载作用相对较大,所以降雨初期只有工况3条件下边坡的稳定性系数略有增大;随着雨水继续入渗,更多的雨水渗入到土体内部,而且降雨强度越大,雨水入渗深度越深,边坡的稳定性系数越低。岩土体渗透系数越大,边坡受降雨影响的滞后性表现越不明显,甚至不表现滞后性,两种工况下边坡最小的稳定性系数皆在降雨16 d后达到,之后由于缺少雨水的补给,土体内的雨水逐渐消散,土体饱和度降低,土体基质吸力增大,边坡安全性略微增大,但由于边坡已经发生塑性变形,其稳定性系数较初始状态还是有所下降。

降雨强度为50 mm/d(工况1和工况2)时不同岩土体渗透系数和降雨类型条件下边坡稳定性系数随降雨过程历时的变化曲线如图15所示,其最小稳定性系数如表5所示。

图15 降雨强度为50 mm/d(工况1和工况2)条件下边坡稳定性系数与降雨时长的关系曲线Fig.15 Relationship curves between slope stability coefficient and rainfall duration with rainfall intensity of 50 mm/d (condition 1 and condition 2)

表5 不同降雨类型下边坡最小稳定性系数随岩土体渗透系数的变化

由表5和图15可知:当岩土体渗透系数较小时[图15(a)、(b)],降雨过程的前20 d边坡稳定性系数呈现一增一减的趋势,但边坡稳定性系数整体呈现下降趋势,这是因为降雨的压重效果导致边坡稳定性系数略有增大,且降雨对边坡产生的影响存在滞后性,停雨后雨水继续入渗,入渗路径上土体基质吸力减小、孔隙水压力增大、有效应力减小,使得边坡稳定性系数减小,降雨20 d后,由于岩土体渗透系数较小,降雨入渗深度有限,边坡稳定性系数波动较小,最终趋于稳定;岩土体渗透系数较大时[图15(c)],降雨初期滞后性表现明显,但随着降雨入渗量增大,降雨滞后性越不明显,边坡稳定性系数呈现不断下降的趋势,最终趋于平缓。

综上可以看出:降雨强度一定时,对于不同降雨类型,边坡稳定性系数均降低,且均匀型降雨下边坡稳定性系数下降得更多,约比间歇型降雨下的边坡稳定性系数小0.001;降雨类型一定时,岩土体渗透系数越大,边坡稳定性系数越小,岩土体渗透系数K为4.320 mm/d时比K为0.432 mm/d时的边坡稳定性系数小0.003。

4.3.3 对边坡滑移面深度的影响

图16为不同工况下强度折减法计算得到的K272边坡位移云图。

图16 不同工况下强度折减法计算得到的K272边坡位移云图Fig.16 Displacement cloud diagram of K272 slope calculated by strength reduction method under different working conditions

由图16可以看出:所有工况下边坡土体位移由坡顶至坡脚处依次减小,边坡滑移面深度由小到大依次是工况3、工况1和工况2。其中,工况3的边坡滑移面最浅为13.2 m,工况2的滑移面最深为16.0 m;当降雨强度为100 mm/d时,降雨速率快,降雨时间较短(工况3),雨水对边坡表层土体的冲刷影响更大,浅层土体强度降幅较大,容易发生浅层滑坡;而在降雨强度为50 mm/d,间歇型降雨模式下,降雨速率相对较小,中间停雨期有利于雨水入渗至滑坡土体更深处,浅层土体的强度降幅较小,所以更易引起较深层土体的滑移。

5 结 论

本文运用数值模拟方法得到在不同降雨条件下混合花岗岩路堑边坡土体饱和度、稳定性系数的变化规律,并以云南省墨江至临沧公路某路堑边坡为工程实例进行计算分析,得到了以下结论:

1) 当岩土体渗透系数一定时,强降雨的入渗深度更大,对边坡土体饱和度的影响范围越大,降雨强度为100 mm/d相比于50 mm/d对边坡土体饱和度的影响范围增大约1倍。

2) 对于均匀型降雨,岩土体渗透系数越大,降雨强度越大,边坡的稳定性系数就越小,边坡就越不安全。岩土体渗透系数K为4.320 m/d的边坡在100 mm/d降雨强度条件下边坡的稳定性系数相比于岩土体渗透系数K为0.432 m/d的边坡在50 mm/d降雨强度下边坡的稳定性系数小0.012。

3) 降雨强度一定时,相比于间歇型降雨,均匀型降雨入渗深度更深,坡体内部土体饱和度受影响的范围更大,边坡稳定性系数更小;降雨类型相同时,岩土体渗透系数越大,边坡稳定性系数越小。

4) 从工程实例中可以看出,实际滑坡中降雨对边坡稳定性的影响取决于岩土体渗透系数。当岩土体的渗透性较小时,降雨对边坡稳定性的影响有限;当岩土体的渗透性较大时,降雨强度越大,边坡的稳定性系数越小。

5) 当岩土体渗透系数越大,降雨强度越大时,边坡受降雨影响的滞后性表现越不明显,这是因为岩土体渗透系数越大、降雨强度越大,渗入边坡土体内的降水越多,更能快速地减小土体基质吸力,降低边坡的稳定性。

6) 降雨类型对边坡土体滑移面深度有一定影响,均匀型强降雨相较间歇型降雨对边坡浅层土体强度的影响更大,易引起浅层滑坡。