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摘要：分析了降雨对黄土边坡稳定性的不利影响，提出了考虑降雨作用的黄土边坡稳定分析方法，并以山西省临离高速公路为工程背景，研究了降雨强度、降雨时长、雨型和土体渗透系数对边坡稳定性的影响，从而揭示边坡受降雨作用下的瞬态变化过程。研究成果对黄土地区路堑高边坡稳定性评价具有一定的借鉴意义。
关键词：黄土边坡；稳定性；降雨；安全系数
1.引言
黄土在我国西北广泛分布，其突出的结构性、湿陷性给工程建设开展带来很多困难，提出很大挑战。随着国家西部黄土地区公路建设的迅猛发展，黄土路堑高边坡在降雨条件下的稳定性已成为工程非常关注的问题。人们早已认识到降雨导致的边坡中渗透水压力的改变和渗流场的产生，是影响边坡稳定以及产生坡体变形的主要诱因，在此方面许多学者做过大量研究工作：孙博等结合兰州某滑坡治理工程，根据降雨强度和持续时间计算边坡浅层土体在不同时刻的含水量，运用非饱和土抗剪强度理论，对降雨条件下的黄土边坡的稳定性进行了分析。胡晋川等进行了现场试验和数值模拟，并通过离心模型试验，研究了阶梯状黄土高路堑边坡在降雨条件下的变形发展过程、坡面降雨入渗规律、含水量变化与护坡作用以及稳定性分析。颜斌等根据非饱和土渗流理论，对某高速公路的黄土边坡在百年一遇降水强度下的入渗规律和稳定性进行了数值模拟。但以往研究多采用连续型的降雨模式，而对于黄土地区，降水多为短时间的暴雨模式。我国西北地区年平均降雨量虽不大，但降雨期较集中，且多以暴雨形式出现。当黄土入渗率较小且边坡较陡时，瞬间暴雨来不及下渗便顺着边坡面流走，造成坡面的强烈冲刷和面状侵蚀，水流汇集于低凹处形成冲沟将坡面切割得支离破碎，千沟万壑。因此，本文以离临高速公路黄土路堑为依托，探究暴雨模式下黄土边坡的稳定性。
2.降雨对黄土边坡稳定性影响的机理分析
黄土边坡失稳是一个复杂的动态过程，有许多不确定性，受内因和外因两个方面影响。黄土边坡的物质组成和结构是内因，降雨是主要的诱发外因。黄土是一种以粉粒为主，富含钙质，具有大孔性及垂直节理的特殊性土。黄土的结构是在历史过程中形成的，干旱和半干旱的气候是黄土形成的必要条件。季节性的短期降雨把松散的粉粒黏聚起来，而长期的干旱气候又使土中水分不断蒸发，于是，少量的水分连同溶于其中的盐类便集中在粗粉粒的接触点处，可溶盐逐渐浓缩成为胶结物。这样就形成以粗粉粒为主体骨架的大孔隙结构。在降雨条件下，当黄土入渗率较大时，雨水会沿着大孔隙或垂直节理入渗，使粉粒间联结处的盐类溶解，骨架强度随之降低，且使边坡土体含水量增加，土体重量增大。这种变化可以产生两方面的影响：一方面使潜在滑面上的滑动力增加；另一方面也可增加法向作用力，但滑动力的增加幅度比法向力所产生的抗滑力大，使边坡稳定安全系数降低产生深层滑动。当降雨强度接近于黄土入渗率时，则可能使边坡表层土体含水量急剧增加形成暂态饱和区，降低土体的抗剪强度产生浅层滑移。
3.分析方法简介
目前国内外考虑降雨入渗条件下的土坡稳定分析方法主要有以下几种：
（１）利用极限平衡法分析计算，在计算中引入一个孔隙水压力系数来反映雨水入渗效果。但孔隙水压力系数是一个非常粗略的概念，如何确定其大小尚未从理论上解决。
（２）考虑残余强度的方法。该方法认为由于降雨入渗导致土体发生强度软化，土体抗剪强度会随着变形的发展逐渐趋于残余强度，通过对土体峰值抗剪强度的折减直至取土的残余强度来反映降雨作用的影响程度。
（３）考虑渗透力作用的边坡稳定计算方法。通过有限单元法或其他一些简化方法得到边坡的渗流场及各个节点的渗透力，将渗透力作为边坡稳定计算中的外荷载求其安全系数。该方法从渗流角度考虑土中水分运动产生的渗透力对边坡稳定的影响，但并没有从理论上解决土中水分的入渗使土体软化，导致土体抗剪强度下降的问题。
（４）非饱和土抗剪强度理论的分析方法。黄土是一种典型的非饱和土，孔隙中既有水又有空气，其抗剪强度 
可用Fredlund的双应力变量强度理论表示为：
（1）
式中：
为破坏面上净法向应力，kpa；
为破坏面上基质吸力，kpa；
为破坏面上的孔隙气压力，kpa；
为破坏面上的孔隙水压力，kpa；
为有效粘聚力，kpa；
为有效内摩擦角，（°）。
由式（１）可以看出，土体抗剪强度与破坏面上基质吸力成正比。降雨时，由于雨水入渗使土体接近饱和，孔隙水压力 
接近孔隙气压力 
，基质吸力
趋近于０，土体的抗剪强度也随之下降。这就从理论上解释了边坡土体在雨季或由于降雨而诱发边坡土体产生变形破坏的原因。
4.算例
4.1计算条件及假定
临离高速公路是山西省高速公路规划网的重要组成部分，它穿越晋西黄土高原区。该区地形起伏大、冲沟发育，深挖路堑形成的高边坡多，边坡高度普遍在３０～８０ｍ之间，坡比为1：0.75～1：1。地层结构：属于老黄土单一结构型。由于原边坡冲沟的冲刷，边坡稳定性较差。
边坡有限元的平面应变计算模型采用15节点三角形单元，边坡底部固定约束，两侧滑动约束。根据黄土物理力学性质的差异将其分为６个区域，从上至下分别为区域１～６。材料模型选用摩尔－库仑模型。根据室内试验资料并整理可得边坡各层土性参数，见表１。黄土通常没有剪胀性，取剪胀角为零。
表1 边坡各层土性参数表
根据黄土地区的气候特点，本文以该地区８月份的降雨情况进行模拟。其月平均降雨量为145ｍｍ，假设间歇式集中降雨，共５个层次降雨强度，分别（15～35ｍｍ／h），降雨持续时间假定1-3h。
4.2计算结果及分析
表2 暴雨式降雨条件下边坡稳定性安全系数计算结果统计
从表2中可以看出、随着降雨强度和时长的增长，安全系数呈现出加速降低的趋势。分析原因是因为降雨强度远小于黄土渗透系数，雨水会沿着大孔隙或垂直节理入渗，使坡体内部一定范围的土体饱和发生深层滑动。
当降雨强度较大时接近于黄土渗透系数，瞬间暴雨来不及下渗便顺着边坡面流走，造成坡面的强烈冲刷和面状侵蚀，或积聚在边坡表面，使表层土体迅速饱和形成暂态饱和区，基质吸力也随之丧失，导致边坡稳定安全系数迅速降低，发生浅层滑动。
5.结语
黄土路堑高边坡可能因短暂的暴雨而降低稳定性。降雨入渗造成黄土边坡一定范围的土体含水量增加，饱和度提高，基质吸力下降导致抗剪强度减小，是黄土边坡稳定性降低的主要原因。
参考文献：
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［２］ 唐栋，李典庆，周创兵，等．考虑前期降雨过程的边坡稳定性分析［Ｊ］．岩土力学，2013，（11）：39－48．
［３］ 夏元友，张亮亮．考虑降雨入渗影响的边坡稳定性数值分析［Ｊ］．公路交通科技，2009（10）：115—119．
作者简介：
杨海波，男，（1983—），河南陕县人，现就于陕西东鑫垣化工有限责任公司公司，工程师，主要从事建筑工程施工管理的相关工作。
论文作者:杨海波
论文发表刊物:《基层建设》2019年第22期
论文发表时间:2019/10/29
标签：黄土论文; 入渗论文; 强度论文; 稳定性论文; 孔隙论文; 安全系数论文; 基质论文; 《基层建设》2019年第22期论文;