朱 亭，謝安勇

(九江市公路管理局永修分局)

1 影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素

影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素是邊坡中的滲透水壓力和滲透場分布，最具有破壞邊坡穩(wěn)定性的莫過于歷時(shí)長、強(qiáng)度大的暴雨。最近些年來，由于降雨導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性的破壞越來越多，備受學(xué)者們的關(guān)注，他們研究的重點(diǎn)是對非飽和土土力學(xué)，對于非飽和土的力學(xué)性質(zhì)影響特別大的就是由于土中氣相的存在引起的，土、水和氣三相交界面上的吸力，這是一項(xiàng)十分復(fù)雜的性質(zhì)。目前我國在非飽和土的強(qiáng)度、變形問題上面已經(jīng)有了初步的理論，但發(fā)展還不夠成熟。土在實(shí)際工程中我們見得最多的就是以土粒、孔隙水、孔隙氣形式存在，我們就是借用土—水特征曲線來測定和分析吸力，由于實(shí)際性狀跟經(jīng)典土力學(xué)原理不是完全的相符，這也是我們一個(gè)有待進(jìn)步的研究方向。對于滲流與應(yīng)力的相互作用如果不加以考慮就會(huì)帶來一定的誤差，同時(shí)如果不考慮地下水位非飽和區(qū)土體基質(zhì)吸力的抗剪強(qiáng)度得到的結(jié)果也會(huì)有很大的誤差。顯然，只有對降雨入滲過程有效的分析和模擬才能深入的研究公路邊坡性問題。

2 根據(jù)飽和土力學(xué)理論的邊坡穩(wěn)定性剖析方式探究

飽和土體Mohr－Coufomb 強(qiáng)度準(zhǔn)則的基礎(chǔ)是極限平衡方法，分析土體所受力與內(nèi)部強(qiáng)度所提供的抗力在臨近破壞狀態(tài)下的平衡，著重于計(jì)算自身或結(jié)構(gòu)物作用下的穩(wěn)定性程度，他最大的優(yōu)點(diǎn)就是對土體破壞瞬間的變形機(jī)制，對于力矩平衡和應(yīng)力邊界有較為深刻的計(jì)算，不足之處在于對土體變形過程沒有關(guān)心。飽和土力學(xué)理論認(rèn)為降雨入滲是造成坡地內(nèi)地下水位上升的主要因素，邊坡穩(wěn)定性降低，甚至出現(xiàn)失穩(wěn)是由于靜水壓力增大，最開始分析降雨過程中邊坡體內(nèi)的水壓力運(yùn)用的就是分段法以及基本拋物線法，后來隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，開始使用飽和滲流模型來模擬降雨作用下邊坡體內(nèi)的滲流場。

3 根據(jù)非飽和土力學(xué)理論的邊坡穩(wěn)定性剖析方式探究

在雨水達(dá)到淺水面的時(shí)候經(jīng)歷了一個(gè)非飽和到飽和過程的滲流過程，降雨前研究土體處于非飽和狀態(tài)的物理性質(zhì)在邊坡穩(wěn)定性降低甚至失穩(wěn)中起著至關(guān)重要的作用，隨著土體力學(xué)的不斷發(fā)展，降雨影響邊坡穩(wěn)定性提供了一些新的理論基礎(chǔ)。邊坡中處于非飽和狀況的土體物理!力學(xué)性質(zhì)，在降雨入滲過程當(dāng)中的轉(zhuǎn)變(見表1)。

表1 幾種土體的非飽和抗剪強(qiáng)度

4 降雨作用下的邊坡穩(wěn)定分析方法

極限平衡分析方法是工程中應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定分析最常用的方法，飽和土的有效應(yīng)力是傳統(tǒng)極限平衡分析法的基礎(chǔ)，在計(jì)算邊坡的安全系數(shù)的時(shí)候就是采用有效抗剪強(qiáng)度參數(shù)，其中不考慮地下水位以上非飽和區(qū)土體壓力水頭提供的抗剪強(qiáng)度，其中在考慮降水時(shí)邊坡穩(wěn)定，最主要的是考慮土體抗剪強(qiáng)度的降低，然而土體抗剪強(qiáng)度的降低主要是因?yàn)榻涤耆霛B坡體內(nèi)部浸潤面抬高，土體飽和容重增加。其不足之處就是沒有考慮負(fù)壓區(qū)抗剪參數(shù)的降低和非飽和區(qū)土體的抗滑作用。人們在不斷實(shí)踐的過程中也不斷的進(jìn)行一些有益的探索和改進(jìn)，特別是加拿大學(xué)者Fredlund，他在非飽和土的研究方面做出了巨大的貢獻(xiàn)，在模擬暫態(tài)滲流過程運(yùn)用有限元法，且運(yùn)用參數(shù)研究邊坡的穩(wěn)定性，在研究中加入了正負(fù)孔隙水壓力，分析暴雨入滲下邊坡的瞬態(tài)滲流場和穩(wěn)定性，得到的結(jié)果就是安全系數(shù)顯著降低的原因是高強(qiáng)度的降雨，而滲透系數(shù)對其影響不大，結(jié)果表明在邊坡穩(wěn)定性中基質(zhì)吸力起著舉足輕重的作用。

5 兩相流—應(yīng)力耦合方法

溫度和壓力函數(shù)的情況就是顆?？蓧嚎s、孔隙流體的密度，其就是在兩相流不混溶流體的理論的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出兩相流—應(yīng)力耦合模型，運(yùn)用Galerkin 經(jīng)驗(yàn)公式實(shí)現(xiàn)兩相流計(jì)算，通過各控制方程在空間域和實(shí)踐域離散，逐漸的開發(fā)相應(yīng)的有限元程序，通過其算例的數(shù)值模擬可以較為準(zhǔn)確的反映非飽和土的溫度與壓力變化時(shí)飽和度的規(guī)律，其相對滲透率與飽和度Sv 有關(guān)。如圖1 所示:

圖1

式中，a、b、c 為常量;Se 為有效飽和度，與水相殘余飽和度有關(guān)。毛細(xì)壓力定律表達(dá)式為:

式中:P0為水的重度;R 為表面張力;k 為固有滲透率;n 為孔隙率。水的重度P0與表面張力R、固有滲透率k、孔隙率n相關(guān)，如圖2 所示。

圖2

通過改變有效應(yīng)力導(dǎo)致應(yīng)變，耦合任何嵌入的本構(gòu)模型與兩相流滲流來模擬此效果多孔固體的本構(gòu)反應(yīng)增量有如下形式

式中:H 為本構(gòu)公式的泛函形式;k 為過程參數(shù)。由式中可以看出孔隙壓力和飽和度的變化是由體積變化所引起的，數(shù)值的計(jì)算中，結(jié)合附加耦合效應(yīng)與飽和度增量顯式方程，更新每一個(gè)計(jì)算過程的結(jié)點(diǎn)，準(zhǔn)確的計(jì)算出流固耦合。

6 模型參數(shù)選取

選取云南高速公路具有代表性的殘積土邊坡的土體參數(shù)的推薦值，采取van Genuchten 公式插值替代水O 土特征曲線和滲透性函數(shù)插值方式，相干計(jì)算參數(shù)如表2 所示。土體初始飽和度設(shè)為假定殘余飽和度為0)，氣相的滲透系數(shù)通過式(2)，由水相的飽和滲透系數(shù)計(jì)算得到。

表2 邊坡土體參數(shù)選取表

參照貴州地區(qū)氣象條件，以及與我國的氣象部門采用的降雨強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比，在實(shí)驗(yàn)中我們假設(shè)3 種情況的降雨強(qiáng)度，第一種是強(qiáng)度為100 mm/d，第二種降雨強(qiáng)度為200 mm/d，第三種雨強(qiáng)度為300 mm/d。

圖3 空隙壓力云圖

圖3 中可以看出，4m 以上的區(qū)域?yàn)槊?xì)水不能達(dá)到的區(qū)域，該區(qū)域必須保持初始的飽和度恒定孔隙水的壓力值。大雨時(shí)，持時(shí)的增加導(dǎo)致孔隙水壓力和幅度增加。坡腳處孔隙水壓力增加較快，壓力會(huì)超過右側(cè)壓力，孔壓的區(qū)域變得很小。

［1］龍馭球.彈性地基梁的計(jì)算［M］.北京:人民教育出版社，1981.

［2］吳為義.盾構(gòu)隧道周圍地下管線的性狀研究［D］.杭州:浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，2008.

［3］吳小剛，張土喬，宋潔人，等.參變管道系統(tǒng)在隨機(jī)交通載荷下響應(yīng)特征分析［J］.中南公路工程，2006，31(2):58－61.