浅谈降雨过程中边坡稳定性

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1、浅谈降雨过程中边坡稳定性　　摘要：非饱和土边坡稳定性的研究是当代岩土工程的重要课题。本文从非饱和土的理论研究出发，分析了非饱和土研究的渗透系数与抗剪强度参数。通过试验与数值分析相结合的方法，采用不同含水量下边坡的抗剪强度参数，计算分析了降雨过程中非饱和土边坡稳定性。关键词：非饱和土边坡稳定性降雨入渗抗剪强度中图分类号：U213.1+3文献标识码：A文章编号：铁路工程中的边坡工程，大都涉及到边坡稳定性问题。国内外学者对边坡稳定性进行了大量的卓有成效的工作，取得了很多有意义的研究成果。众所周知，降雨过程中或雨后是边坡失稳最易出现的时段。水的作用是影响边坡稳定的关键因素之一。本

2、文采用数值分析方法，对降雨过程中非饱和土边坡的稳定性分析进行了研究。1.降雨过程对边坡稳定性的影响6当边坡土体内部的某些面上的剪应力达到抗剪强度时，边坡稳定平衡受到破坏，这是边坡失稳的根本原因[1]。在降雨过程中，非饱和土边坡的含水量增大，重度增加，同时下滑力也增大，使得剪应力增加；而抗剪强度与含水量呈反比，随着含水量的增大，抗剪强度降低。二者综合作用，使得降雨过程中容易诱发边坡失稳。研究降雨入渗的边坡稳定性问题时有两个复杂问题需要探讨：饱和与非饱和状态下水的渗流问题、含水量变化问题[2]。与饱和土中水的渗流不同，在非饱和土中水的渗透系数并不是固定的常数，它与饱和度有关，

3、是饱和度的函数。国内外学者对非饱和土抗剪强度的做了大量的研究工作。1960年Bishop[4]参照饱和土的有效应力原理，提出了适用于非饱和土的抗剪强度表达式（1）：（1）其中为作用在土体上的正应力；为土的有效应力强度参数；为与土的饱和度及土性有关的试验参数；为孔隙气压力；为孔隙水压力。Fredlund于1978年将公式改进，提出了非饱和土的抗剪强度公式（2），定义了等效摩擦角。在公式中，正应力引起的强度与土体内摩擦角有关，而由于基质吸力引起的强度与等效内摩擦角有关。（2）从以上两个公式可以看出，非饱和土的抗剪强度参数包含了基质吸力的影响。在实际工程中，抗剪强度参数对岩土工

4、程有着重要的意义，是指导工程设计和安全施工的重要前提。因此，有必要研究非饱和土抗剪强度参数的确定。2.非饱和土参数的确定6通过以上理论研究，我们可以得出，在非饱和土研究中，主要存在两个未知量：渗透系数及抗剪强度参数。2.1非饱和土渗透系数非饱和土的渗透系数是土体饱和度的函数，土体渗透系数随饱和度的变化而变化。我们考虑以一个折减系数a来考虑饱和度对渗透系数的影响。在ABAQUS软件中，当出现非饱和渗流时，默认当饱和度＜1.0时，；当时，。计算中渗透系数按照饱和度的不同修正为。2.2非饱和土强度参数的确定在上一节中，我们已经将渗透系数与饱和度联系起来。在土中，基质吸力同样是土

5、的饱和度的函数，这就是土－水特征曲线，或称水分特征曲线。在土体这种孔隙材料中，土体非饱和意味着总的孔隙水压力＜0，既－就是材料的基质吸力[3]。在分析非饱和土问题时，必须确定非饱和土的土－水特征曲线。室内非饱和土试验的方法很多，应用比较广泛的是通过压力板仪控制基质吸力。试验过程中，将饱和试样放入压力板仪中，通过加压系统可以使仪器中试样在一定的压力下脱（吸）水、平衡，待试样稳定不再有水排出后，将试样取出称重，得出非饱和土的相应压力即基质吸力下对应的含水量。文献［1］中通过6大量的非饱和土试验，得出了非饱和土的土－水特征曲线的拟合公式（3），该公式采用指数函数拟合了脱湿段与吸

6、湿段的土－水特征曲线：（3）其中，ω为含水量，为基质吸力，a、b、c均为拟合参数。通过该公式，我们可以得出各饱和度下的负的孔隙水压力即基质吸力。同样，对非饱和土试样进行剪切试验，可以获得不同含水量下对应的非饱和土的抗剪强度参数。3.非饱和土边坡的算例分析3.1工程概况某铁路边坡，边坡高度为H=10m，边坡坡率为1:1。根据地质资料，坡体材料为山西中南部地区常见新黄土，重度为18.2kN/m3，渗透系数为k＝0.018m／s，降雨入渗强度为q＝20mm／s。3.2数值分析数值分析采用有限元分析软件ABAQUS软件。边坡模型如图一所示。土体网格单元划分形式采用四边形二次单元。

7、本构模型采用理想的弹塑性模型，基于Mohr-Coulomb破坏准则与非相关联流动法则。图一边坡模型6在降雨过程中，非饱和土吸收降雨，从天然含水量开始，逐渐增大含水量，分析非饱和土边坡稳定性的变化。不同含水量对应的抗剪强度参数不同。我们选取4个不同含水量，通过试验得出的对应的抗剪强度参数如下表所示。表1不同含水量下的广义抗剪强度参数通过数值分析结果我们可以直观的看到，随着降雨过程时间的增加，黄土边坡的塑性区逐渐增加，非饱和土边坡的强度降低，塑性区逐渐贯通，当含水量为15.5%时，塑性区贯通，边坡即将破坏。（a）含水量9.5%（b