降雨入渗下膨胀土边坡的稳定性分析
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第20卷第l期 2012年2月 安徽建筑工业学院学报(自然科学版) Journal of Anhui Institute of Architecture&Industry Vo1.20 No.1 Feb.2012 降雨入渗下膨胀土边坡的稳定性分析 沈梦芬 ' 谭晓慧 , 李 丹 , 熊吴翔 , 胡 娜 (1.合肥工业大学资源与环境工程学院,合肥230009;2.广东省公路建设有限公司,广州510275) 摘要:膨胀土是一种特殊的非饱和土。随着降雨的入渗,膨胀土中的吸力和抗剪强度都将减小,因而研究 膨胀土边坡在降雨入渗作用下的稳定性具有重要意义。文章以合肥轨道交通1号线膨胀土边坡为研究对象, 采用Geo--Studio软件研究了降雨强度及历时、土体裂隙、时间推移对边坡稳定性的影响。在此基础上,运用 正交试验设计方法对膨胀土的水力学参数(土水特征曲线拟合参数a、n、1TI及饱和渗透系数K )进行了边坡 稳定性的敏感性分析。结果表明:长时间的弱降雨对膨胀土边坡的稳定性有较大影响;裂隙的存在使降雨人 渗作用下边坡的安全系数有较大降低;降雨对边坡稳定性的影响是持续性的;在影响膨胀土边坡稳定性的4 个水力学参数中,饱和渗透系数K 为主要因素,土水特征曲线拟合参数a、n为不重要因素。 关键词:膨胀土;降雨人渗;边坡稳定性;安全系数;正交试验 中图分类号:P 642.22 文献标识码:A 文章编号:1006—4540【2012)O1—066—05 Slope stability analysis of expansive soil under rainfall infiltration SHEN Meng—fen , TAN Xiao—hui ,LI Dan , XIONG Hao-xiang , HU Na (1.School of Resources and Environmental Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China; 2.Guangdong Provincial Highway Construction co.,ltd,Guangzhou 510275,China) Abstract:Expansive soll is a kind of special unsaturated soil.With the rainfall infiltrating into expan— sive soll,both of the suction and shear strength will decrease.Thus it’S significant to research the ex- pansive soil slope stability under the rainfall infiltration.This paper takes the expansive soil slope of Hefei Rail Transit Linel test section as the study object.We use the Geo—Studio software to research the influence of the rainfall intensity,duration,soil cracks and the process of time on the stability of expansive soll slope.Based on this,the orthogona1 experiment is used to research the slope stability sensitivity of expansive soil’S hydraulic parameters(fitting parameter a,n,m of soil water character— istic curve and saturated hydraulic conductivity K t).The results show that a long period of weak rainfall has a greater impact on the expansive soil slope stability.Soil cracks can reduce the stability of the expansive soil slope greatly.The influence of rainfall on the slope stability is continuous.Among the 4 hydraulic parameters which affect the expansive soil slope stability,K is the main factor,and the fitting parameter a and n are unimportant factors. Key words:expansive soll;rainfall infiltration;slope stability;safety factor;orthogona1 experiment 降雨是诱发边坡失稳的主要因素。降雨人渗 使土体饱和度增大,含水量增加,土体中基质吸力 减小,土体的抗剪强度大幅下降叫。持续的降雨 收稿日期:2011-l1—26 还会引起地下水位上涨、相对隔水层以上出现暂 时性地下水,从而导致边坡失稳甚至出现滑坡。 因此,进行降雨入渗下边坡稳定性的分析和研究 基金项目:国家自然科学基金资助项目(40972194);中国博士后科学基金项目(2011M501039);合肥工业大学地质学博士后流动站 资助项目。 作者简介:沈梦芬(1988一),女,硕士研究生,主要研究方向为地质工程。 第1期 沈梦芬,等:降雨入渗下膨胀土边坡的稳定性分析 67 显得尤为重要。 在考虑降雨入渗对边坡稳定性的影响方面, 孙建平等l_2]建立模型,考虑了降雨人渗对边坡重 力场和孔隙水压力场的影响,并将该模型运用到 工程实践。陈浩等_3 利用Geo—Studio软件模拟 了降雨条件下土质边坡的内部渗流场,分析地下 水位线、坡体饱和度、压力水头随降雨时间的变化 规律。海龙等_4]则用该软件对不同的降雨强度和 历时等对边坡稳定性的影响进行了模拟。为了研 究降雨对膨胀土边坡稳定性的影响,本文拟以合 肥轨道交通1号线的基坑边坡为研究对象,采用 Geo—Studio软件建模分析降雨强度与历时、土 体裂隙等对该非饱和膨胀土边坡稳定性的影响。 在因素的敏感性分析方面,肖桃李等I5]采用 人工神经网络法研究容重、黏聚力、内摩擦角等参 数对边坡稳定性的影响。陈高峰等_6]运用均匀设 计试验方法分析了土体参数和地震加速度对边坡 稳定性的敏感性。田东方等l_7]采用正交试验法分 析了雨强、土体渗透性、初始含水率、坡度等的影 响。但是,有关土体的土水特征曲线参数及饱和 渗透系数等对膨胀土边坡稳定性的敏感性研究还 较少,故本文拟用正交试验设计法来研究这些因 素对膨胀土边坡稳定的敏感性。 1边坡计算模型 为研究降雨入渗下该膨胀土边坡的稳定性, 本文主要采用岩土工程分析软件Geo—Studio的 SEEP/W和SLOPE/W模块来进行渗流计算及 边坡安全系数的求解。主要计算步骤为:1)在 SEEP/W中建立边坡模型,利用有限元法计算由 于降雨人渗引起的非饱和土中的孔隙水压力。2) 在SLOPE/w中调用SEEP/W中求得的不同时 刻的孑L隙水压力值,经极限平衡条分法计算后,即 可得到相应的不同时刻的边坡安全系数值。 1.1计算模型及边界条件 合肥轨道交通1号线试验段基坑工程的某非饱 和膨胀土边坡的坡比1:1,中间有宽为2m的平台 (见图1)。其土体参数为:黏聚力c ̄42kPa,内摩擦 角(b一12。,容重7=19.9kN/m3,饱和渗透系数 === 0.75mm/d。进行渗流分析时,边界条件设置如下: 边坡表面为降雨人渗边界:当降雨强度小于 表层土体的饱和渗透系数时,按流量边界处理,大 小为降雨强度;反之,按给定水头边界处理。模型 左右两侧的地下水位距地表分别为6m及3m;地 下水位以下为给定水头边界条件,地下水位以上 为不透水边界。模型底面为不透水边界。 22 …, 0 2 4 6 8 l0】2 14 l6 18 20 22 24 26 28 30 32 34 图1均质边坡剖面图(模型1) 一 一c( ) 一 ln(1 q-106 ̄ ;一 68 安徽建筑_T-,_lk学院学报(自然科学版) 第20卷 1.3边坡安全系数的计算 边坡安全系数的计算在SL.()】)E/w模块中进 行。设边坡滑面形状为圆弧滑面,定义滑弧的圆心 及半径范围,然后选择边坡稳定性分析的方法为 Mogenstem--Price法,并且调用由SEEP/W模块 求得的某计算时步的孔隙水压力,即可求得与该时 步对应的降雨后某时刻的边坡安全系数 。 2考虑降雨入渗的边坡稳定性分析 降雨作用下影响边坡稳定性的因素有很多, 比如边坡的几何外形、土体的强度参数及水力学 参数等,本节主要研究降雨强度与历时、土体裂 隙、时间推移对边坡稳定性的影响。 2.1 降雨强度与历时的影响 根据已有资料对降雨类型的划分En],设计如 表i所示的5种降雨方式,各种降雨方式的总降 雨量均为180ram,分别计算这5种降雨方式下在 降雨停止时刻边坡的安全系数(见图3模型1)。 表1 5种降雨方式 方式 强度类型 降雨强度 降雨历时 降雨量 mm/d d rflIn 1 l 1 1j{5 l l l U i j 4 ) 降雨类型 图3降雨停止时刻边坡的安全系数 图3的横坐标“0”表示降雨前的状态,“1”~ “5”分别对应5种降雨方式。由该图模型1的结 果可见:降雨前边坡的安全系数最大;降雨方式l ~5对应的安全系数依次减小,即:降雨总量一定 的情况下,短时间的强降雨对膨胀土边坡稳定性 的影响较小,而长时间的小雨却对膨胀土边坡的 稳定性有着较大的影响。 产生这种现象的原因是:降雨前,边坡土体处 于不饱和状态,土体中存在较大的基质吸力;降雨 后,随着雨水的人渗,边坡土体的孔隙水压力逐渐 增加,吸力逐渐减少,强度随之下降,因而边坡的 安全系数随着降雨的进行而有所减少。由于膨胀 土的饱和渗透系数非常小,表1中各种降雨方式 的降雨强度均远远大于研究土体的饱和渗透系 数,因此,发生短时间的强降雨时,雨水来不及完 全下渗就沿着边坡表面流走;而在长时间的弱降 雨作用下,雨水的渗入量相对较多,因而边坡的稳 定性相对较差。 2.2土体裂隙的影响 上述分析的研究对象是完整均质膨胀土边 坡。由于膨胀土具有典型的胀缩性,膨胀土边坡 的表层土体在阳光、雨水的交替作用下会形成较 多的裂隙,使得其边坡表层土体的渗透性远远大 于下层土体。 有研究指出[1。 :裂隙的存在对边坡中孔隙 水压力和体积含水量分布有较大影响,且膨胀土 的渗透性越低,越应注意裂隙的作用。因此,为研 究土体裂隙对膨胀土边坡稳定性的影响,建立图 4所示的非均质边坡计算模型(模型2),它与模型 1的区别在于其表层2m土体的饱和渗透系数为 下层土体的100倍。模型2在表1所示的5种降 雨方式下的安全系数计算结果见图3模型2。 u 2 4 O 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 图4非均质边坡剖面图(模型2) 由图3可知,边坡模型2的安全系数变化趋 势与模型1一致。但在降雨作用下,存在裂隙的 边坡的安全系数比降雨前的安全系数减小更多。 这是因为:模型2边坡的表层渗透系数较大,雨水 较易渗入膨胀土体中,因而降雨对该边坡的稳定 性有较大的影响。因此,不能忽略裂隙的存在对 膨胀土边坡稳定性的影响。 2.3时间推移的影响 在一次降雨过程中,边坡最危险滑动面及其 对应的安全系数会随着水分在坡体内渗透运移而 第1期 沈梦芬,等:降雨入渗下膨胀土边坡的稳定性分析 69 变化 ],即随着时间的推移而逐渐变化。图5和 6分别描述了模型1和模型2在表2中的五种降 雨方式下边坡的安全系数 随着降雨时间推移 的变化情况。 由图5~6可知:1)降雨量相同时,降雨强度 越大、历时越短,边坡安全系数的降低量也越小。 2)降雨导致边坡的安全系数减小;降雨停止时刻, 边坡的安全系数达到最小值;降雨停止后,随着边 坡土体的排水,安全系数值逐渐回升,但仍小于边 坡的初始安系数。3)对于相同的降雨方式,模型 1的安全系数降低值小于模型2的相应值,模型1 的安全系数恢复到稳定的时间长于模型2的相应 值,即:土体的饱和渗透系数越小,雨水入渗到坡 体中所需的时间越长,降雨对边坡稳定性的影响 越小,边坡安全系数恢复到初始值的时间也越长。 时间(天) 图5边坡土体安全系数随时间变化(模型1) U jUU zuu jUU 4UU )UU 时间(天) 图6边坡土体安全系数随时间变化(模型2 J 3边坡稳定性的水力学参数分析 上述研究中,土体的水力学参数保持不变。 基于上述研究成果,本节以表l的第3种降雨方 式作用下的模型1为研究对象,重点研究膨胀土 的土水特征曲线参数口、 、 及饱和渗透系数 K 对降雨停止时刻膨胀土边坡稳定性的影响。 3.1正交试验设计的概念和基本原理 正交试验设计是在试验因素的全部水平组合 中,挑选部分有代表性的水平组合进行试验,从而 瓣 _专糍 了解全面试验情况的一种试验方法。如图7,标 有圆圈的9个试验点是在27个全面试验点中选 择的,仅是全面试验的三分之一,同时这些点分布 均衡,具很强的代表性,因而能比较全面地反映试 验的基本情况。 3.2试验步骤 正交试验的设计步骤见图8。为研究降雨入 渗情况下膨胀土的水力学参数对边坡稳定性的影 响,将土水特征曲线的拟合参数口、 、m及饱和渗 透系数K 共4个因素作为试验指标,每个指标 分别考虑4个水平(见表2)。4因素4水平选择 L】。(4 )正交表较为合适,多的一个空列可作为试 验误差计算以衡量试验的可靠性(见表3)。 图7正交试验原理图 3.2正交试验分析结果 将表3中各因素的水平数字换成表2中相应 的值,即可计算各种情况下对应的边坡安全系数 值。经过16次计算后,得到的边坡安全系数值见 表3的最右列。由此表即可分析得到各因素影响 的主次顺序。 一靴~一一票一 70 安徽建筑工业学院学报(自然科学版) 第20卷 表3 L16(4 )正交表及试验分析结果 2 2 4 1 2 2 1.864 3 3 4 3 4 3 1.862 4 4 2 1 1 3 1.865 5 1 3 1 4 4 1.862 6 2 1 3 1 4 1.865 7 3 1 1 3 1 L 863 8 4 3 3 2 1 1.864 9 1 l 4 2 3 1.865 1O 2 3 2 3 3 1.863 11 3 3 4 1 2 1.865 12 4 1 2 4 2 1.862 13 1 4 2 1 1 1.865 14 2 2 4 4 1 1.862 15 3 2 2 2 4 1.864 16 4 4 4 3 4 1.863 R(10一 ) 2.5 2.5 15 30 2.5 圭 璺壁 空竺三 . 以因素a为例,由表3可知,因素a的水平1 反映在第1、5、9、13次试验中,其对应的 之和 为:K1—7.455。 同理可得K 、K。、K ,然后计算因素的极差 R。尺表示该因素在其取值范围内F 变化的幅 度。R越大,表示该因素的水平变化对 的影响 越大,因素就越重要。极差的计算公式为: R一[max(K )一min(K )]/4 (3) 利用公式(3)可以获得因素a的极差R(口) 一2.5E一4。同理算可得R( )、R(m)、R(K ) 及空列的极差。 根据表4所示各因素的极差大小可知:因素影 响主次顺序为 > >口=== 。K 为主要因素,而 口、 极差与空列的极差持平,为不重要因素。 4结 论 本文以合肥轨道交通1号线试验段某基坑工 程为背景,通过Ge0一Studio软件分析了降雨入 渗条件下膨胀土边坡的稳定性分析,研究了降雨 强度及历时、土体裂隙、时间推移对边坡安全系数 的影响,并对影响膨胀土边坡稳定的水力学参数 采用正交试验的方法进行了参数的敏感性分析。 主要结论有: 1)降雨量一定时,短时间的强降雨对膨胀土 边坡稳定性的影响有限,而长时间的弱降雨却对 膨胀土边坡的稳定性有较大影响。 2)裂隙的存在加速了雨水的人渗,使得在降 雨作用下膨胀土边坡的安全系数有较大降低,因 而不能忽略裂隙对膨胀土边坡稳定性的影响。 3)降雨对边坡稳定性的影响有一定的持续 性。随着降雨的进行,边坡的安全系数逐渐减小; 降雨结束时,边坡的安全系数达到最小值;此后, 随着时间的推移,边坡的安全性有所提高;土体的 渗透系数越大,边坡安全系数减小及恢复所需的 时间越短。 4)正交试验是一种能够研究多因素并获得因 素敏感性大小的高效率试验设计方法;通过正交 试验,对影响膨胀土边坡稳定性的水力学参数(土 水特征曲线参数 、 、 及饱和渗透系数K )进 行了敏感性分析,得出这4个参数的影响大小为: K £> >n=== 。 参考文献 1戚国庆.降雨诱发滑坡机理及其评价方法研究ED3. 成都:成都理工大学,2004. 2孙建平,刘青泉,李家春等.降雨入渗对深层滑坡稳 定性影响研究[J].中国科学G辑:物理学力学天文 学,2008,38(8):945—954. 3陈浩,黄静,林锋.GeoStudio软件在土坡饱和 一非饱和渗流分析中的应用[J].岩土工程与地下工 程,2008,28(6):67—68. 4海龙,梁冰.考虑降雨入渗条件的土体边坡稳定性 分析[J].水资源与水工程学报,2010,21(4):46—5O. 5 肖桃李,李新平,米健.土质边坡稳定性影响因素的 研究EJ].地质灾害与环境保护,2007,18(2):89—93. 6陈高峰,程圣国,陈灯红等.基于均匀设计的滑坡稳 定性影响因素敏感性分析[J].灾害与防治工程, 2006,61(2):38—42. 7 田东方,刘德富,周明涛.边坡降雨入渗与坡面径流影 响因素敏感性分析[J].水力发电,2010,36(4):l1一l4. 8叶为民,白云,金麒等.上海软土土水特征的室内试 验研究EJ].岩土工程学报,2006,28(2):260--263. 9 John K.Seepage Modeling with SEEP/W E M].An Engineering Methodology,2004:113—115. 10 Sillers W S,Fredlund D G_Statistical assessment of soil--water characteristic curve models for geotechni— cal engineering[J].Canadian Geotechnical Journal, 2001,38:1297—1313. 11人民铁道网.降雨强度与等级是如何划分的[EB/ 0L].http://聃 .peoplerail.com/baike/changshi/ 2O1O71/n181617768.htm1.2O1O—O7--01. 12吴长富,朱向荣,尹小涛等.强降雨条件下土质边坡瞬 态稳定性分析D].岩土力学,2008,29(2):386—39l_ 13郑少河,姚海林,葛修润.裂隙性膨胀土饱和一非饱 和渗流分析EJ].岩土力学,2007,28:281—285.
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