考虑裂隙及雨水入渗影响的膨胀土边坡稳定性分析

考虑裂隙及雨水入渗影响的膨胀土边坡稳定性分析Analysis on the slope stability of expansive soilsconsidering cracks and infiltration of rain姚海林1,2,郑少河2,陈守义1(1.中国科学院武汉岩土力学研究所,湖北武汉　430071;2.上海交通大学建筑工程学院,上海　200030)摘　要:对膨胀土边坡进行了考虑裂隙和降雨入渗影响的稳定性分析,通过工程实例比较了考虑裂隙和不考虑裂隙的差别。

研究结果表明,考虑裂隙影响的边坡降雨入渗和稳定性分析较为合理和实用。

关键词:非饱和膨胀土;边坡;裂隙;降雨入渗;边坡稳定性分析中图分类号:T U413.6+2 文献标识码:A 文章编号:1000-4548(2001)05-0606-04作者简介:姚海林,男,1965年生,副研究员,2000年获中国科学院武汉岩土力学研究所岩土工程专业博士学位,主要从事岩土力学与工程方面的研究工作。

Y AO Hai2lin1,2,ZHE NG Shao2he2,CHE N Shou2yi1(1.Institute of Rock and Soil Mechanics,the Chinese Academy of Sciences,Wuhan430071,China;2.Institute of Architecture Engineering,Shanghai Jiaotong Uni2 versity,Shanghai200030,China)Abstract:Slope stability of expansive soils depends upon rain infiltration.But it is very difficult for researchers to successfully simulate the practi2 cal cases at present.Analysis on the slope stability of expansive soils considering the effect of crack and rain infiltration has been investigated,in which the methods with and without cracks are compared.The results obtained in this paper show that rain infiltration and slope stability analysis, considering drying cracks,is more reasonable and practical.K ey words:unsaturated expansive soil;slope;crack;rain infiltration;slope stability analysis1　引 言膨胀土滑坡是膨胀土地区的一个特殊工程地质问题,具有普遍性。

现场调查统计结果表明,膨胀土滑坡大多具有浅层性质[1]。

实践经验说明雨水入渗对非饱和土边坡稳定性具有重要的影响,大多数滑坡都是在降雨期间和降雨后发生[2]。

这类滑坡产生的机理如下:边坡膨胀土多为非饱和土,土中气相的存在导致土中产生负孔隙水压力,在气候环境作用下,土体水分通过地表蒸发,导致膨胀土浅部产生干缩裂隙。

裂隙的存在破坏了土体的完整性,导致膨胀土强度降低,并为雨水入渗提供了便利条件。

连续降雨引起大量雨水入渗,使土体孔隙水压力上升,基质吸力减小,容重增大,土体抗剪强度大幅下降,一旦达到极限平衡状态,就会导致土坡失稳。

目前对考虑水分入渗和蒸发影响的非饱和土边坡稳定性分析研究较少,膨胀土边坡更是如此。

膨胀土的饱和导水率一般为10-8～10-4m/s,透水性很低。

如果不考虑裂隙,其边坡对雨水入渗并不十分敏感,这与实际情况相差甚远。

因此非饱和膨胀土边坡水分入渗分析必须考虑土的裂隙性。

本文在定量描述膨胀土裂隙的基础上,求解在给定降雨条件下膨胀土斜坡瞬态孔隙水压力的分布,并按非饱和土抗剪强度理论得到相应的瞬态强度场,使用常规极限平衡分析方法计算边坡瞬态安全系数,比较了考虑和不考虑裂隙两种情况下的膨胀土边坡稳定性分析结果。

2　膨胀土边坡饱和非饱和渗流分析斜坡膨胀土属于非饱和土,因此降雨引起的土坡暂态渗流问题属非饱和渗流问题。

在土坡稳定性分析中,当地下水位埋藏较浅时,非饱和区土壤水运动和饱和区地下水运动相互关联,此时将两者统一起来研究,称之为饱和非饱和渗流问题。

2.1　基本方程依据质量守恒原理和非饱和流动的达西定律,当不考虑土骨架的变形并把土壤水视为不可压缩流体时,以压力水头h为因变量的基本方程为[3]c(h)5ht= ・[k(h) h]±5k(h)Z(1)式中　k(h)为非饱和导水率;c(h)为比水容量, c(h)=d(θ)/d(h),θ为体积含水率;最后一项前的正负号依Z取向而定,Z轴向下取负,Z轴向上取正。

收稿日期:2000-12-13　第23卷　第5期岩　土　工　程　学　报V ol.23　N o.5 2001年 9月Chinese Journal of G eotechnical Engineering Sept.,　2001　2.2　边界条件当降雨强度超过地表入渗能力时,斜坡表面形成径流,此时土坡表面含水率保持接近于饱和含水率的定值,并且裂隙中充满水。

假定地表的积水厚度为h 0,则裂隙两侧壁的边界条件为h =h 0+z(2)式中　z 为沿裂隙方向的竖向坐标。

地表边界条件取式(2)中的z 等于零。

当降雨强度低于地表入渗能力,地表入渗通量与降雨强度R (t )相等,即有-k (h )5h 5x sin α+5h 5zcos α+k (h )cos α=R (t )cos α(3)式中　α为斜坡的倾角。

2.3　非饱和土的导水率水在非饱和土中的渗流服从达西定律,其渗透系数是土体饱和度或基质吸力的函数,该函数称为土的导水率,采用G reen and C orey 提出的函数进行计算[4]:k (θi )=k s k sc ・30T 2s μg η・ξpn2∑mj =1[(2j +1-2i )h -2i ](4)式中　k (θi )为第i 段对应于含水率θi 的计算渗透系数;k s /k sc 为匹配因子;i 为从θs 至θL 的分段数;T s 为水的表面张力;μ为水的密度,η为水的粘滞系数;g 为重力加速度;ξ为饱和部分的孔隙率;n 为体积含水率的分段总数;p 为描述各种孔径的孔隙相互作用的函数;h 为负孔隙水压力。

2.4　膨胀土边坡的暂态非饱和渗流分析Richard 方程为二阶非线性偏微分方程,加之非均质土层、复杂的边界条件及初始条件,用解析方法求解非常困难,本文采用有限单元法,利用SEEP/W 渗流分析软件对膨胀土边坡降雨入渗问题进行了分析[5]。

为考察降雨条件下膨胀土坡水分入渗情况,选取湖北省某高速公路膨胀土路段为例,截面形状如图1所示。

假设该土坡为均匀土坡,饱和体积含水率θs =0.40,饱和渗透系数k s =9.2×10-6cm/s ,初始孔隙水压力分布和体积含水率分布如图2,3所示,土水特征曲线见图4。

边界条件如下:AB 边界为隔水边界,CDB 边界受降雨影响,侧面AC 的地下水位以上部分为零流量边界,地下水位以下为常水头边界,水头等于地下水位的初始高程。

降雨强度1.0×10-2m/h ,持续时间72h 。

有限元剖分1065个单元,3353个结点,以8结点四边形单元为主。

对两种假设情况进行了计算:不考虑裂隙和考虑裂隙。

裂隙规模结合现场实际情况,按文献[2,6]建议的方法确定。

计算中取裂隙深度2.5m ,间距1.2m ,裂隙在地表处的开度为1.7cm 。

分析时不考虑雨水入渗引起裂隙宽度缩小的影响。

持续降雨72h 两种情况的孔隙水压力和体积含水率分布见图5,6。

图1　土坡剖面图Fig.1　Section of s oil slope图2　初始孔隙水压力分布Fig.2　Distribution of original neutral pressure图3　初始体积含水率分布Fig.3　Distribution of original v olumetric water content图4　某高速公路膨胀土土水特征曲线Fig.4　SWCC of an expansive s oil from express way图5　不考虑裂隙时的体积含水率分布F ig.5　Distribution of v olumetric water content w ith out considering crack706　第5期姚海林等1考虑裂隙及雨水入渗影响的膨胀土边坡稳定性分析图6　考虑裂隙时的体积含水率分布Fig.6　Distribution of v olumetric water content consideringcrack 为便于比较两种工况,将x =20.0,39.0m 两处各时段体积含水率沿深度分布的计算结果列于图7。

图7　体积含水率沿深度的分布Fig.7　Distribution of v olumetric water content in vertical direction从图7中可以看出:对于膨胀土边坡,如果不考虑土体中的张开裂隙,降雨入渗引起的土体孔隙水压力及体积含水率分布随时间的推移变化不大。

降雨持续72h ,坡顶(x =20.0m )受降雨影响的范围不足1.0m ,边坡(x =39.0m )的影响范围约1.5m 左右。

如果考虑土体中的张开裂隙,孔隙水压力及体积含水率随时间的变化明显。

雨水首先沿裂隙进入土体,并通过裂隙两侧壁水平入渗,加之土体本身的垂直入渗,在相同的时间内,渗流场的变化远较不考虑裂隙时明显,二者有较大差别,影响区范围也比不考虑裂隙时大得多。

降雨持续72h ,坡顶(x =20.0m )受降雨影响的范围约3.5m ,边坡(x =39.0m )的影响范围约4.0m 左右。

3　膨胀土边坡瞬态强度场非饱和土中,由于气相的存在,使土中存在负孔隙水压力,负孔隙水压力使土粒之间产生吸力,加大了土体抗剪强度。

对于粘性土,抗剪强度是吸力的非线性增函数。

膨胀土是一种高塑性粘性土,其抗剪强度随着吸力的增加而增加,随着吸力的减小而减小[2]。

因此膨胀土的强度不仅与土的结构、应力路径、密度和土的矿物组成有关,还与土的体积含水率或重力含水率或土的饱和度密切相关。

自Haines (1925)和T erzaghi (1943)研究了非饱和土抗剪强度至今,许多学者提出了非饱和土抗剪强度理论。