降雨入渗对非饱和土边坡稳定性的影响

降雨入渗对非饱和土边坡稳定性的影响
摘要：降雨往往是引起边坡失稳的主要促发因素。

本文采用极限平衡分析方法，并结合算例，讨论了降雨入渗对边坡稳定性的影响。

计算结果表明，土体的初始体积含水率，降雨的强度和时间对边坡稳定性有重要的影响。

关键词：降雨入渗非饱和土坡边坡稳定性
斜坡失稳是山区常见的自然地质灾害。

滑坡的发生与降雨的关系密切是早为人知的事实。

我国南方以及中南、西南地区广泛分布着粘性土，这些地区的山地或人工边坡经常在雨季发生滑坡，而且以浅层滑坡最为多见；在对基坑失稳事故的统计中，由于降雨诱发的就占很大比重。

这些都表明了土体边坡的稳定性与土体含水量的变化有很大的关系。

雨季边坡容易发生浅层滑坡，是由于近地表浅层土多为非饱和粘性土，雨水入渗使其饱和度增加，基质吸力降低，而基质吸力对表部边坡稳定性特别重要。

在降雨期间，随着含水量的增大，粘土的抗剪参数降低，从而土体本身的稳定性也降低。

此外，持续降雨还可引起地下水位上升或在相对隔水层以上出现暂时性地下水。

当持续降雨的历时和强度超过某种限度时，可导致土坡失稳。

浅层土的物理、力学性状因受气象因素影响随时都发生变化，而且滑坡常常给国民经济和人民生命财产造成巨大的损失，加上浅层滑坡的发生常带有突发性，且常常发生在强降雨期间。

如果在临时边坡或基坑工程设计、施工及防护中充分利用非饱和土的性质特点，不仅可以带来可观的经济效益，也可保证工程建设的安全进行。

因此研究降雨入渗对非饱和土稳定性的影响具有重要的工程意义。

1非饱和土边坡稳定性分析基本理论
在土坡稳定性分析中，目前大都采用极限平衡法进行分析。

极限平衡法是根据土体沿着假设滑动面上的极限平衡条件进行，将潜在滑动面上可利用的抗剪强度除以安全系数而予以降低，使包围在滑动面和自出表面以内的土体处于极限平衡状态。

该方法已历经70年的应用和发展，人们在使用这类方法方面积累了相当多的经验，使得这类方法在计算分析方面有相当的精度。

同时，它能给出
土坡的整体安全系数，另外，这类方法判别标准简单、明了、直观、使用方便，故极限平衡方法为工程界所广泛采用。

用简化Janbu法计算土坡稳定安全系数的方程如下[5]：
图1简化Janbu计算简图
式中Wi为条块i重力；θi为条块i滑动面的水平倾角，li为条块i 在滑动面上的宽度。

用此式计算降雨条件下土坡稳定性安全因素Fs时，土条重量Wi及抗剪强度参数ci，φi有别于一般情况。

Wi的取值，必须考虑由于水分入渗而引起的土的重度的增加，受降雨影响的土的重度可按下式计算：
式中为土的干重度，为体积含水率，为水的重度。

ci，φi的取值应根据土条块底的含水率或饱和度及c，φ与饱和度的相关关系确定。

2算例
某基坑工程（如图2所示），坡角为60°，坡高8m，天然容重γ=17.3KN/m2，初始含水量ω=18.7%，初始粘聚力c=40kpa，初始内摩擦角φ=24°，滑面如图中所示。

图2边坡计算剖面图
根据一维降雨入渗的近似计算，当降雨强度R=0.0241cm/min，土体初始体积含水率θ=0.28时，边坡稳定性系数随降雨时间的变化如表所示：
图3θ=0.280降雨不同时间的边坡稳定系数
当降雨强度R=0.0241cm/min，土体初始体积含水率θ=0.35时，边坡稳定性系数随降雨时间的变化如表所示：
表2θ=0.35降雨不同时刻后土体边坡稳定性系数
图3θ=0.35降雨不同时间的边坡稳定系数
当土体初始体积含水率θ=0.28，降雨960min后，边坡稳定性系数随降雨强度的变化如表及图所示：
图3θ=0.35降雨不同时间的边坡稳定系数
3结果分析
由上面的计算结果可以看出，该假设滑面并不是最危险滑面，我们研究的是降雨对边坡的影响程度，并不是检算某一个边坡在一定的降雨条件下是否稳定，而且同一分析土层边坡的最危险滑面是在降雨过程中不断变化的。

虽然该滑面不是最危险滑面，但不同降雨条件下的不同影响程度仍然可以从以上的计算数据中看出来。

降雨强度R=0.0241cm/min，土体初始体积含水率θ=0.28时，降雨24小时后，边坡稳定性系数下降了17.22%，而土体初始体积含水率θ=0.35时，降雨24小时后，边坡稳定性系数下降了9.01%，这表明，在同样的设计边坡稳定系数下，土体的初始含水率越低，降雨后土体的边坡稳定系数下降越快，边坡越不稳定。

土体的初始体积含水率θ=0.28，降雨16小时后，降雨强度为
0.0241cm/min时，边坡稳定系数下降了11.09%，降雨强度为0.0135cm/min时，边坡稳定性系数下降了3.00%，这表明，在同样的设计边坡稳定系数下，降雨强度越大，降雨后土体边坡稳定系数下降越快，边坡越不稳定。

在同样的土体初始含水率，同样的降雨强度下，降雨时间越长，边坡稳定系数越小，在该算例假设的滑面条件下，降雨刚开始时边坡稳定系数下降较慢，一定时间后边坡稳定系数下降变快。

假设不同的滑面，边坡稳定系数随时间的变化就会不同。

从上面的数据还可以看出，如果降雨强度和降雨时间都为零，土体各处的初始含水率为0.28时，该边坡的稳定系数为2.011，土体各处的初始含水率为0.35时，该边坡的稳定系数为1.354，含水量增加了25%，边坡稳定系数下降了32.67%。

由此可以看出，含水量的变化对土体稳定系数的影响是很大的，研究降雨入渗对非饱和土体边坡稳定性的影响具有重要的工程意义。

4结论
(1)在同样的设计边坡稳定性系数下，其他条件相同，土体的初始含水率越低，降雨后土体边坡稳定性系数下降越快，边坡越不稳定。

(2)在同样的设计边坡稳定性系数下，降雨强度越大，降雨后土体边坡稳定性系数下降越快，边坡越不稳定。

(3)当降雨强度恒定，随着降雨持续时间的延长，边坡稳定性系数逐渐降低。