11-180——降雨作用下非饱与土质边坡稳定性分析-修改(终稿).docVIP

降雨作用下非饱和土质边坡稳定性分析 郭志元 何昌荣 俞小卉 杨浩然 （四川大学水利水电学院 四川成都 610065） 摘要 非饱和土质边坡对雨水吸力小、土体强度低、 稳定性差，结合工程算例，分析了吸力随降雨历时变化的规律、边坡安全系数与降雨强度的关系、不同坡度边坡降雨前后稳定性变化的规律。 关键词 非饱和土；降雨； 边坡稳定； 基质吸力 Stability Analysis of Unsaturated Soil Slope Under The Condition Of Rainfall Abstract: Most soil slopes in engineering are unsaturated. Since the existence of suction, the soil has high shear strength, however, when it rains, the water infiltrate into the soil and the suction is reduced, this may lead to the decrease of soil shear strength and slope stability. With some Engineering Projects, the paper analysis the rules of suction change during rainfall, study the relationship between rainfall intensity and slope stability, discuss the regular of slope stability change with different slope gradient before and after rainfall, Provide some experience for the engineer design. Key words: unsaturated soil slope; rainfall; slope stability；suction 0 引言 在公路、铁路、水利等基础设施建设中经常会遇到边坡稳定性问题，天然边坡大多为非饱和状态，四川、重庆、广西、云南等西南地区大范围分布的膨胀土也大多属于非饱和土，处于非饱和区的土体由于吸力的存在，增强了土坡的抗滑稳定性，但是一旦遇到连续性降雨天气，雨水渗入使吸力减小或丧失，土体强度减小，同时土体容重也加大导致下滑力加大，土坡失稳几率加大。吴宏伟[1]研究了降雨特征、水文地质条件对暂态渗流场和边坡安全系数的影响，指出降雨强度、降雨历时和雨型对暂态渗流场分布和边坡安全系数有明显的影响。吴长富[2]指出土体的物理力学性质、边坡最危险滑动面机率对应的安全系数随水分在坡体内的渗透运移而变化。 目前，工程设计中对边坡的稳定性计算大都采用极限平衡法，在强度参数选取上，受试验条件限制，大都采用的是常规强度试验值而没有考虑由于吸力产生的那部分强度。本文以南广高速铁路NGZQ-5标段膨胀土边坡为例，分析了降雨入渗条件下不同坡度边坡稳定系数的变化规律，探讨了边坡吸力随降雨历时削弱的规律。 非饱和土的降雨入渗理论 并不是所有的降雨都渗入土体，当降雨强度小于土壤渗透系数时，可认为降雨全部渗入土体内，当降雨强度大于土壤渗透系数时，认为降雨入渗率为土体渗透率，多余降雨形成积水或者小径流。 降雨在非饱和土的运动规律可以用非饱和土的渗透特性来反映。非饱和土的孔隙中存在着气体和水两种流体，根据土体饱和度的不同，土中气体和水呈气封闭型、水封闭型、双开敞型三种不同的形态[3]，含水率较高时，土体孔隙主要被水占据，气泡被包围在水中，可随水流动，属气封闭状态；含水率较低时，土体孔隙主要是水蒸气和结合水充斥，或者二者吸附在土颗粒表面，水被气泡隔开，不能自由流动，处于水封闭状态；双开敞型则属于气封闭和水封闭状态之间。一般认为非饱和土的渗透性也近似服从达西定律，对二维情况，若考虑各向异性，雷志栋[4]指出渗流控制方程为： （1）式中为外界来水流量；为水的体积变化系数，即体积含水率与吸力偏导数，表达式为；、分别为孔隙气压力和孔隙水压力；为水的容重。值得注意的是，与饱和土不同，非饱和土的渗透系数不是常量，而是随饱和度变化的，理想状态下，当饱和度时渗透系数与饱和土的渗透系数相等。 2 非饱和土的强度特性 由于基质吸力的存在，非饱和土的抗剪强度较同类土饱和抗剪强度和不排水抗剪强度要高。比肖普[5]根据太沙基的有效应力原理结合摩尔库伦强度准则给出了修正的非饱和土库伦强度理论，其表达式为 （2） 式中为非饱和土抗剪强度；、为不随吸力变化的饱和抗剪强度参数；为与饱和度