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《巖土力學雜志》2016年第一期

摘要：

考慮非飽和黏土邊坡的基質吸力和滲流力，根據水位線位于滑面上、下的臨界平衡狀態，分別建立了滑體條塊極限平衡狀態下力和力矩平衡式，獲得了降雨條件下非飽和黏土邊坡穩定性的極限平衡條分法計算式。通過試驗、參量變換以及作用力的位置關系可以確定相關參量，并采用數值計算求解臨界平衡狀態下滑體條塊的相互作用力系數和非飽和邊坡安全系數。案例結果表明：考慮滲流力時的非飽和黏土邊坡安全系數比不考慮滲流力的安全系數降低約13.8%，且考慮滲流力作用的條間力作用系數變化率明顯大于不考慮滲流力的結果；當降雨強度超過一定值時，坡面徑流很快形成，邊坡出現不穩定的時間基本相同。

關鍵詞：

降雨；非飽和黏土邊坡；邊坡穩定性；極限平衡條分法

1引言

Bishop[1]提出的邊坡圓弧滑面方法考慮了滑體靜力平衡和力矩平衡，且計算簡單，至今仍得到一定程度的應用。潘家錚[2]認為，極限平衡法計算滑坡時，應采用滑體的最大抗滑能力，且整個過程中抗滑力會自主調整。Fredlund等[3]探討了各種邊坡穩定性極限平衡法，并進行了比較分析。陳祖煜等[48]對邊坡垂直條分法作了進一步改進，提出了確定臨界滑裂面的數值方法，計算了邊坡的最小安全系數，將改進后的Morgenstern-Price法推廣到主動土壓力計算分析領域。隨著非飽和土力學理論和土體基質吸力測試技術的發展，采用極限平衡法分析降雨條件下非飽和土邊坡穩定性已成為研究的熱點。Fredlund[9]認為，邊坡穩定性分析應該考慮基質吸力和孔隙水分，運用有限元法模擬邊坡內暫態滲流過程，并考慮邊坡正、負孔隙水壓力，計算了暴雨入滲邊坡的瞬態滲流場，通過顯著降低的安全系數來體現高強度降雨的危害。Fredlund和Rahardjo[10]研究了非飽和土中水分遷移理論，他們認為，長時間降雨會使基質吸力喪失導致邊坡破壞，并給出了計算高陡邊坡穩定條件下的臨界高度公式。

Alonso等[11]考慮了邊坡土體類別、土-水特征曲線、降雨持續時間、入滲強度以及空氣壓力變化，并結合極限平衡理論和二維非飽和滲流原理計算分析了雨水入滲條件下的邊坡穩定性。吳宏偉等[1213]認為，雨水入滲邊坡既要考慮基質吸力減小，同時還要考慮到非飽和土滲透性增大，而且認為，邊坡內上層滯水水位、初始地下水位、間歇式或持續降雨強度和持時以及各向異性的滲透系數共同決定邊坡的安全系數。李兆平[14]、KimotoS[15]、WonTaek[16]等分析了降雨條件下邊坡的穩定性和失穩的力學機制，得到降雨條件下非飽和土邊坡的瞬態安全系數。Fredlund等[1718]通過極限平衡條塊法求解了邊坡土體內負孔隙水壓力對邊坡抗剪強度及相關參數的影響。李榮建等[1920]基于Fredlund和Bishop的非飽和土理論，探討了考慮基質吸力的極限平衡和強度折減法，并分析了非飽和土邊坡的穩定性。為考慮降雨條件下基質吸力和滲流力對非飽和黏土邊坡穩定性的影響，本文采用極限平衡條分法，建立降雨條件下非飽和黏土邊坡穩定性的計算式，并進行定量分析黏土邊坡的安全性。

2非飽和黏土邊坡的極限平衡條分法計算原理

將非飽和黏土邊坡的潛在滑體垂直劃分成n個條塊，取單位寬度滑體的第i條塊進行力學計算，按水位線在滑面上、下分別分析條塊臨界平衡狀態，條塊幾何參數和受力情況如圖1所示。

2.1水位線位于滑面之上的臨界平衡式（1）由條塊滑面中心切向和法向的受力平衡，可得。

2.2水位線位于滑面之下的臨界平衡式當水位線位于滑面之下時（如圖1(b)所示），滑面上的孔隙水壓為0（p0iU），而滑面上存在基質吸力。因此，條塊滑面上的抗剪強度增加了基質吸力的有效作用，而條塊間作用面尚未達到臨界狀態，界面上的基質吸力包含在側面作用力中。因此，非飽和黏土邊坡臨界平衡計算需要考慮滑面上的基質吸力。

2.3降雨條件下滑體的臨界平衡式降雨條件下，黏土邊坡還可能會受到滲流力的作用，當滲流力作用方向平行于滑面時，可得到單位寬度滑體第i條塊上滲流力。

3邊坡安全系數求解

根據上述分析可知，通過試驗、參量變換以及作用力的位置關系可以確定相關參量，可以求解邊坡臨界平衡潛在滑面條塊的力和力矩平衡問題。根據計算方程的特性，可采用數值計算求解滑體條塊的相互作用力系數和邊坡安全系數sf，求解過程如圖2所示。

4案例分析

4.1邊坡模型公路沿線的某黏土邊坡，表層開挖后，由于持續的降雨作用，黏土含水率增大，抗剪強度明顯減小。加上邊坡較高，且分級平臺寬僅有1m，遇到降雨就很容易失穩。邊坡黏土物理力學參數如表1所示，降雨入滲邊坡計算模型如圖3所示，邊坡縱向寬度取1m。邊坡黏土初始處于非飽和狀態，黏土初始含水率為20.7%。雨水滲入后降低了黏土力學參數，并獲得了降雨條件下邊坡最不利狀態時黏土的飽和黏聚力為21.5kPa，內摩擦角為14°。

4.2不同雨水入滲深度下的邊坡穩定性按忽略滲流力和考慮滲流力分別計算邊坡安全系數。持續降雨作用下，雨水入滲到邊坡內，濕潤鋒面抗剪強度最低，因此，邊坡潛在滑面會沿濕潤鋒面形成。由于第1、2級邊坡坡率和第3級邊坡坡率不同，因此，相應的雨水入滲深度也有差別。降雨入滲邊坡分別以坡頂入滲深度與坡腳點或坡中入滲深度與坡腳點組成的滑面進行計算，計算模型如圖4所示。持續降雨入滲邊坡安全系數隨入滲深度增大的改變情況如圖5所示。由圖5可知，坡頂雨水入滲深度為345cm或坡中雨水入滲深度為406cm時，邊坡失穩。降雨入滲邊坡的滲流力對邊坡穩定性影響較大，隨著雨水入滲深度增大，滲流力的影響越來越小，如圖6所示。邊坡失穩將要出現時，考慮滲流力的安全系數比不考慮滲流力的安全系數降低約13.8%。運用極限平衡條分法，得到邊坡條塊間豎向力和水平力間的作用系數變化如圖7所示。

由圖5可知，坡頂雨水入滲深度為345cm或坡中雨水入滲深度為406cm時，邊坡失穩。降雨入滲邊坡的滲流力對邊坡穩定性影響較大，隨著雨水入滲深度增大，滲流力的影響越來越小，如圖6所示。邊坡失穩將要出現時，考慮滲流力的安全系數比不考慮滲流力的安全系數降低約13.8%。運用極限平衡條分法，得到邊坡條塊間豎向力和水平力間的作用系數變化如圖7所示。當降雨強度過大時，雨水很快就會發生坡面徑流。由圖8可知，當降雨強度大于等于3.56mm/s時，邊坡出現不穩定的時間基本相同。

5結論

（1）基于極限平衡條分法，考慮非飽和黏土基質吸力和滲流力，建立了滑體條塊滿足力和力矩平衡式，獲得了降雨條件下黏土邊坡飽和與非飽和滲流的極限平衡條分法計算式，并提供邊坡安全系數求解方法。（2）案例結果表明，隨著雨水入滲深度增大，滲流力的影響逐漸減小；考慮滲流力時的邊坡安全系數比不考慮滲流力的安全系數降低約13.8%，條塊間作用力系數隨坡面雨水入滲深度增大而減小，且考慮滲流力作用的條間力作用系數變化率明顯大于不考慮滲流力的結果。（3）當降雨強度過大時，雨水很快就會發生坡面徑流，邊坡出現不穩定的時間基本相同。

參考文獻

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作者：劉子振 言志信 單位：臺州學院 建筑工程學院 蘭州大學 土木工程與力學學院