摘要：土質(zhì)邊坡飽水狀態(tài)是一種極限狀態(tài)，也是邊坡最不穩(wěn)定狀態(tài)。為了解不同飽和含水率對土質(zhì)路塹邊坡穩(wěn)定性的影響，文章利用有限差分軟件FLAC 3D建立不同飽和含水率的邊坡數(shù)值仿真模型，基于流固耦合理論對邊坡孔隙水壓力、剪切應(yīng)變增量、安全系數(shù)展開分析。研究表明：隨邊坡飽和含水率增大，邊坡孔隙水壓力由地表往深部呈線性增大趨勢；邊坡剪切應(yīng)變增量增加則滑坡可能性提高，飽和含水率達某特定值，其穩(wěn)定性不再明顯變化；邊坡安全系數(shù)降低，飽和含水率為18.9%時的邊坡失穩(wěn)，含水率＞18.9%后，流固耦合效應(yīng)不再明顯。

關(guān)鍵詞：邊坡穩(wěn)定；飽和含水率；流固耦合；土質(zhì)邊坡；數(shù)值模擬

中文分類號：U416.1+4A250794

0引言

邊坡穩(wěn)定性是公路建設(shè)過程中需重點關(guān)注的問題之一，其不僅影響施工穩(wěn)定性，對行車安全亦有顯著影響［1］。安全系數(shù)常應(yīng)用于評價邊坡穩(wěn)定性。邊坡安全系數(shù)在強度折減理論的基礎(chǔ)上發(fā)展，從單一折減系數(shù)發(fā)展至雙折減系數(shù)法，乃至于今后的多強度折減法［2］。非飽和、飽和狀態(tài)是土石邊坡存在的兩種自然狀態(tài)，非飽和是常態(tài)工況而飽和狀態(tài)為非正常工況。邊坡自然排水在暴雨影響下已達不到排洪要求，使土石邊坡內(nèi)部的土質(zhì)含水率迅速升高，最終達到飽和狀態(tài)。雨水不能及時排出，在邊坡內(nèi)部積蓄，導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性面臨巨大挑戰(zhàn)［3］。非飽和、飽和邊坡穩(wěn)定性求解方法不斷優(yōu)化，傳統(tǒng)邊坡分析法將巖土體重度視為常數(shù)，比如水位線上方、下方分別采用非飽和、飽和重度，飽和狀態(tài)的巖土體重度計算方法未發(fā)生過改變，而非飽和重度與飽和度、基底吸力關(guān)系密切且呈非線性關(guān)聯(lián)［4］。邊坡穩(wěn)定性分析方法主要分為極限平衡法、有限元應(yīng)力法。在條分法的基礎(chǔ)上，利用極限平衡法求解的每一個土體安全系數(shù)均相等，而有限元分析的每個單元體安全系數(shù)均有所不同［5］。近年來，眾多學(xué)者對非飽和、飽和-非飽和等類型的邊坡穩(wěn)定性展開了分析研究，如趙永清等［6］針對砂土邊坡于雨后發(fā)生失穩(wěn)或滑坡等現(xiàn)象，基于土力學(xué)原理并假定砂土處于飽水狀態(tài)，進而利用極限平衡法求解出邊坡安全系數(shù)；董建軍等［7］將基質(zhì)吸力分量、抗剪強度、滲流公式引入至非飽和-飽和滲流理論中，求解得出應(yīng)力-滲流耦合影響下的邊坡穩(wěn)定性；張占輝［8］發(fā)現(xiàn)降雨、地下水滲流是影響邊坡破壞的主要因素，降雨導(dǎo)致地下水發(fā)生滲流，同時引起邊坡孔隙水壓力、應(yīng)力重分布，邊坡安全系數(shù)呈下降變化；張珊［9］利用試驗所得實際土質(zhì)物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，以有限差分法對不同含水率的土質(zhì)邊坡安全系數(shù)進行求解。

以往研究多為分析非飽和、飽和-非飽和工況下的土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性，更多從滲流-應(yīng)力耦合、滑動機理角度切入，但實際當(dāng)中只需把控最不利情況即可確保邊坡不受破壞?；诖耍疚脑诠仿穳q土質(zhì)邊坡全部處于飽水狀態(tài)的背景下，以流固耦合理論為基礎(chǔ)，利用有限差分法對不同飽和含水率工況的邊坡穩(wěn)定性展開分析，以孔隙水壓力分布規(guī)律、剪切應(yīng)變增量（滑動面）、邊坡安全系數(shù)等對邊坡穩(wěn)定性進行評價分析。

1工程概況

該擬建公路路塹邊坡由殘積土組成，土體性質(zhì)為砂質(zhì)黏土，邊坡高27.5 m。超高邊坡工程經(jīng)風(fēng)險總體評估后，需對其進行穩(wěn)定性分析，為后續(xù)防護工程設(shè)計打下基礎(chǔ)。邊坡計算尺寸具體見圖1，其干密度為1.85 g/cm3，現(xiàn)場取樣測得區(qū)域內(nèi)土體飽和含水率分布范圍為10.8%～21.6%，滲透率為1.32×10-7 m/s，彈性模量為40 MPa，泊松比為0.25，粘聚力為26 kPa，內(nèi)摩擦角為30°。

2有限差分法模型

由于降雨、地下水、自然蒸發(fā)等自然因素的影響，邊坡含水狀態(tài)會經(jīng)歷循環(huán)過程，包括干燥狀態(tài)、非飽和狀態(tài)、飽和狀態(tài)?；诹鞴汤碚?，可知土體力學(xué)效應(yīng)與滲流效應(yīng)相互影響，邊坡含水量循環(huán)變化可使土體孔隙比發(fā)生變化。為進一步研究處于不同飽和含水率條件下的邊坡穩(wěn)定性，在力學(xué)邊界的基礎(chǔ)上考慮滲流邊界。力學(xué)邊界：底部設(shè)置豎向位移約束，側(cè)面建立水平位移限制，表面為自由邊界；滲流邊界：土體處于飽水狀態(tài)，側(cè)面、下部為不透水邊界，表面為零水壓邊界。利用邁達斯軟件進行前處理，通過接口轉(zhuǎn)化為FLAC 3D網(wǎng)格數(shù)據(jù)，利用有限差分軟件強大后處理功能進行數(shù)值模擬。計算單元為混合網(wǎng)格單元，節(jié)點數(shù)、單元數(shù)分別為7 540個、3 630個。數(shù)值分析采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，網(wǎng)格劃分見圖2。數(shù)值模擬工況為飽和含水率為0（干燥狀態(tài)）、10.8%、13.5%、16.2%、18.9%、21.6%等六種工況，需采用流固耦合分析求解孔隙水壓力場。

3邊坡流固耦合穩(wěn)定性分析

邊坡流固耦合分析中，滲流模式開啟后并不能直接求解安全系數(shù)。鑒于此，開啟滲流模式求解邊坡孔隙水壓力場以及剪切應(yīng)變增量（滑動面），關(guān)閉滲流模式，調(diào)用命令“model factor-of-safety associated”求解不同工況的邊坡安全系數(shù)，再用“model factor-of-safety list”調(diào)出邊坡安全系數(shù)。以孔隙水水壓力描述邊坡處于不同工況下的滲流場分布情況，以剪切應(yīng)變增量判別邊坡潛在滑動趨勢，以邊坡安全系數(shù)評價邊坡穩(wěn)定性。

3.1孔隙水壓力分析

飽水狀態(tài)下，邊坡裂隙、孔隙、空隙內(nèi)充滿水，由于模擬介質(zhì)為連續(xù)介質(zhì)，水、土在以往數(shù)值模擬中求解模式有所不同，而流固耦合分析則將兩者分析整體化，體現(xiàn)了滲流-應(yīng)力耦合效應(yīng)。不同飽和含水率邊坡初始孔隙水壓力場見圖3，可看出孔隙水壓力場從上往下依次增大，且飽和狀態(tài)下未出現(xiàn)負(fù)孔壓。

分析圖3中不同飽和含水率的邊坡孔隙水壓力分布規(guī)律，可以得出：

（1）不同飽和含水率的邊坡孔隙水壓力均呈從下往上逐漸降低的趨勢，孔隙水壓力峰值處于邊坡底部，飽水狀態(tài)的邊坡處于最不利狀態(tài)。形成此情況的原因是因為邊坡防排水未設(shè)置完善，造成邊坡整體匯水且并未向外排出，地表水逐漸向下進行滲流，使得浸潤線向下移動，進而導(dǎo)致邊坡下部含水量急速升高且土體性質(zhì)劣化。

（2）考慮到邊坡經(jīng)歷降雨、蒸發(fā)、土體裂化等影響，土體飽和含水率會發(fā)生變化，將土體視為連續(xù)介質(zhì)，邊坡整體飽和含水率一致。邊坡表面孔隙水壓力為零，底部孔隙水壓力為最大值，邊坡各計算單元的孔隙水壓力隨飽和含水率的增大呈線性增大變化，增大速率分別為1 080、350、1 620、1 890、2 160，與飽和含水率相對應(yīng)。

3.2剪切應(yīng)變增量分析

邊坡應(yīng)變增量既可有效反映出邊坡的位移趨勢，在FLAC 3D軟件中也可借助內(nèi)置計算公式求解出應(yīng)力增量、總應(yīng)力，因此分析邊坡應(yīng)變增量是十分有必要的。應(yīng)變增量類型中的最大剪切應(yīng)變增量可直觀反映出邊坡潛在滑動趨勢與塑性區(qū)分布規(guī)律。圖4為不同飽和含水率的邊坡最大剪切應(yīng)變增量分布云圖，可明顯看出邊坡滑動面與塑性區(qū)貫通情況。

分析圖4中不同飽和含水率的邊坡最大剪切應(yīng)變增量分布特征得出：

（1）邊坡最大剪切應(yīng)變增量反映出不同飽和含水率的邊坡潛在滑動面，圖中白色區(qū)域即為潛在滑動面，剪切應(yīng)變增量峰值大概位于坡腳、坡頂中間處。隨著飽和含水率逐漸增大，邊坡潛在滑動范圍更加明顯且剪切應(yīng)變增量也隨之增大，結(jié)合孔隙水壓力分布規(guī)律，進一步說明邊坡處于不同飽和含水率條件下的流固耦合效應(yīng)有所不同，滲流場與應(yīng)力場相互影響，使得剪切應(yīng)變增量也發(fā)生改變，從而導(dǎo)致邊坡潛在滑動可能性隨飽和含水率升高而逐漸提高。

（2）提取圖4的剪切應(yīng)變增量峰值進行分析，其變化規(guī)律見下頁圖5。剪切應(yīng)變增量隨飽和含水率增加而增加，邊坡由干燥過渡至飽水狀態(tài)，剪切應(yīng)變增量發(fā)生突變，說明滲流場對應(yīng)變場存在明顯影響。在飽和含水率為10.8%～16.2%時，剪切應(yīng)變增量峰值變化緩慢；飽和含水率從16.2%變化為18.9%時，剪切應(yīng)變增量峰值再次發(fā)生突變，而后趨于平緩?？偨Y(jié)剪切應(yīng)變增量峰值與飽和含水率關(guān)系，預(yù)測當(dāng)飽和含水率增加至某一特定值后，剪切應(yīng)變增量峰值不再明顯增加，說明飽和含水率對潛在滑動面的影響存在一定局限，含水率超過一定范圍，對邊坡穩(wěn)定性再無顯著影響。

3.3邊坡安全系數(shù)分析

基于“二分法”理論，有限差分軟件FLAC 3D利用強度折減法求解邊坡安全系數(shù)，通過不斷減小土體的粘聚力、內(nèi)摩擦角得以實現(xiàn)，進而求解得出不同飽和含水率的邊坡安全系數(shù)。以安全系數(shù)K=1作為邊坡穩(wěn)定性評價標(biāo)準(zhǔn)，邊坡安全系數(shù)與飽和含水率關(guān)系曲線見下頁圖6，強度折減法計算過程見式（1）［10］：

[HL（1：1，Z]cf=cf

φf=arctan[JB（（]tanφf[JB））][HL）]（1）

式中：cf——折減后粘聚力（Pa）；

φf——折減后內(nèi)摩擦角（°）。

分析圖6中的不同飽和含水率的邊坡安全系數(shù)變化規(guī)律，可以得出：

（1）不同飽和含水率的邊坡安全系數(shù)存在顯著差異，表明不同飽和含水率的邊坡穩(wěn)定性有所不同。隨著飽和含水率逐漸增加，邊坡安全系數(shù)隨之降低；邊坡干燥狀態(tài)的安全系數(shù)為2.37，說明穩(wěn)定性良好，由干燥變?yōu)轱査疇顟B(tài)，安全系數(shù)發(fā)生突變；以安全系數(shù)K=1作為邊坡穩(wěn)定性評價標(biāo)準(zhǔn)，得出當(dāng)飽和含水率增大至18.9%時，安全系數(shù)降至0.93，此刻邊坡發(fā)生破壞失穩(wěn)，之后飽和含水率持續(xù)增大，邊坡亦發(fā)生失穩(wěn)。

（2）分析圖6的邊坡安全系數(shù)變化量比值，得出安全系數(shù)變化量比值與飽和含水率的關(guān)系曲線（見圖7）。邊坡安全系數(shù)變化量比值發(fā)生突變在于兩個階段：第一突變階段為干燥狀態(tài)變?yōu)轱査疇顟B(tài)，邊坡安全系數(shù)發(fā)生突變（峰值），說明飽和狀態(tài)下邊坡流固耦合效應(yīng)對穩(wěn)定性的影響顯著；第二突變階段為飽和含水率由18.9%增大為21.6%，安全系數(shù)趨于穩(wěn)定，邊坡已發(fā)生失穩(wěn)破壞，繼續(xù)增大飽和含水率對安全系數(shù)影響較小，也說明了飽和含水率＞18.9%后，流固耦合效應(yīng)對邊坡穩(wěn)定性影響不再顯著。

4結(jié)語

本文以某擬建公路路塹邊坡作為背景進行分析，基于流固耦合分析，考慮最不利情況（邊坡整體飽水狀態(tài)），構(gòu)建干燥狀態(tài)、不同飽和含水率的邊坡流固耦合模型，利用有限差分法對孔隙水壓力分布規(guī)律、剪切應(yīng)變增量（潛在滑動面）、邊坡安全系數(shù)進行分析研究，以安全系數(shù)對不同飽和含水率的邊坡穩(wěn)定性作出評價，得出以下觀點：

（1）孔隙水壓力由地表往深部土體呈逐漸增大趨勢，邊坡自然排水較差造成匯水，地表水向下滲流，同時浸潤線向深部移動，導(dǎo)致下部土體逐漸過渡至飽水狀態(tài)，力學(xué)性質(zhì)劣化；邊坡各計算單元的孔隙水壓力隨飽和含水率的增大呈線性增大趨勢，地表水向深部土體滲流對邊坡孔隙水壓力場影響顯著。

（2）隨著飽和含水率增大，邊坡潛在滑動面更加明顯，滲流場與應(yīng)力場相互影響導(dǎo)致剪切應(yīng)變增量發(fā)生明顯變化，同時滑坡可能性也逐漸提高；剪切應(yīng)變增量隨飽和含水率增加而增加，干燥變化為飽水的剪切應(yīng)變增量發(fā)生突變，滲流場對應(yīng)變場存在明顯影響；預(yù)測飽和含水率達某特定值時，其剪切應(yīng)變增量不再增加，同時邊坡穩(wěn)定性不再顯著變化。

（3）不同飽和含水率的邊坡穩(wěn)定性有所不同。邊坡安全系數(shù)隨飽和含水率增加而降低，飽和含水率增大至18.9%時，邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞；安全系數(shù)于干燥狀態(tài)變?yōu)轱査疇顟B(tài)時發(fā)生突變，邊坡流固耦合效應(yīng)對穩(wěn)定性影響顯著；當(dāng)邊坡飽和含水率＞18.9%后，流固耦合效應(yīng)對邊坡穩(wěn)定性影響不再顯著。

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作者簡介：甘霖（1975—），工程師，主要從事道路工程方向研究工作。