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饱和土力学作为边坡稳定性分析的主要理论依据,其理论已经较为完善,目前研究的重点逐步向非饱和领域倾斜。由于非饱和理论考虑了土体非饱和区域内基质吸力对坡体稳定性的影响,因此,应用非饱和理论对边坡的稳定性进行分析可以更切近实际情况。
降雨作为一种影响边坡稳定性的主要的外在因素,在当前的分析研究中得到了越来越多的关注和重视。降雨受自然因素的控制本身就是一个复杂的过程,其对坡体稳定性的影响主要通过降雨时期的非饱和暂态渗流和降雨后期雨水渗入后对坡体原有物理力学性质的改变来实现。通过对降雨期间边坡内部的非饱和渗流进行研究,将有助于掌握其实际的应力应变状态并进而正确的评估其稳定性。
本文简要介绍了多孔介质非饱和渗流的相关理论、土水特征曲线及其预测模型、饱和非饱和渗透系数方程及其简化形式等,以上理论是分析非饱和渗流的基本要素。对饱和土力学和非饱和土力学间的差异,通过对土水势的介绍,统一了压力水头的概念;此外,土水特征曲线反映了基质吸力和土体含水量间的关系;饱和非饱和渗透系数方程则反映了土体渗透能力随饱和度的变化情况。
在程序实现方面,本文详细介绍了FLAC2D程序的模型概化原理、基本流动分析原理和水气两相流分析原理,给出了相应的计算方程和数值计算公式。通过FLAC2D程序可以对降雨条件下的边坡进行流固耦合计算和两相流分析。
在实际模拟方面,本文以湖南醴潭高速公路建设中的一个边坡为例,对开挖后边坡在不同降雨强度和持时条件下的稳定性进行了分析,分析采用FLAC2D程序的两相流(tpflow)模块进行。采用强度折减法计算滑动面和稳定性安全系数,分析计算所得主要结果如下:
(1)降雨入渗是一个缓慢推进的过程。边坡坡表土体的逐渐饱和使雨水的入渗量逐步增大,降雨初期坡率发生变化所在区域饱和度上升较其他区域要快,随降雨持时增加,坡脚区域逐步趋向饱和,地下水位相应抬升,两侧压力水头使地下水向坡脚附近区域集中,促进了渗流向坡体内部的深入。
(2)孔隙水压力的变化总体上要快于饱和度的变化。非饱和区域受降雨影响不断被压缩,降雨初期气体主要向坡面外流出,随着相对“隔气层”的出现,气体一部分继续往坡面外流动,一部分被压入坡面内部,气体向外流动的趋势随相对“隔气层”厚度的增加而趋于停止。
(3)坡脚区域最先与地下水建立联系。通过对水相流的分析,坡脚区域受降雨积水影响,土体饱和度和孔隙水压力上升相对较快,渗透流动最先到达岩土交界面,最先与地下水建立联系。
(4)降雨入渗后土体饱和度上升,基质吸力降低,C、φ值通过饱和度进行相应的折减后坡体的安全系数降低,随降雨持时的增长,这种降低的趋势更趋明显。
(5)剪应变和剪应变率的变化显示边坡滑动面后缘有向前部移动的趋势,坡脚区域既是高饱和区域也是高剪切应变区域,其变形破坏的可能性更大。
(6)随着降雨强度和持时的提高,边坡稳定安全系数减小,滑动面有向前缘移动的趋势,剪应变量也发生相应的变化。降雨入渗不断深入坡体内部,使土体的含水量提高,基质吸力减小,边坡的安全系数相应减小,剪应变量则持续增大。随降雨持时的增长,边坡的滑动面有向前缘浅层移动的趋势,此时,坡体的安全系数减小,受潜在滑动体自重减小的影响,剪应变量增加速度变缓。随后,潜在滑动面向前缘的移动逐渐稳定,坡体的安全系数继续减小,剪应变量又有所增大。