基于非饱和土力学理论的工程弃土堆积体边坡稳定性分析

摘要

近年来，随着极端气象条件的频繁出现，对人类的生存形成了严峻的考验，人们对极端气象条件下形成的地质灾害逐渐重视起来。由于三峡水库的修建，库区移民迁建人口约110.56万人，全迁或部分搬迁的县(市)级城镇13座，乡镇级集镇116个，库区内移民安置区面积15000km2。迁建过程中产生大量的工程弃土、弃渣，被直接倾倒于岸坡之上，在极端气象条件下，这些工程弃土堆积体有可能发生滑坡，对迁建区的居民的生命财产造成影响。因此，工程弃土堆积体滑坡对极端气象条件的响应机制研究成为一个重要的课题。本文在分析前人研究成果的基础上，采用试验研究、理论分析和数值模拟相结合的研究方法，以重庆三峡库区某工程弃土堆积体为实例，分析了在极端降雨作用下，工程弃土堆积体边坡内浸润线、孔隙水压力和入渗深度随降雨强度、降雨历时和孔隙比的变化关系；然后分别通过修正后和未修正的稳定性计算公式，对工程弃土堆积体边坡不同孔隙比、不同降雨条件进行稳定性计算，得到了不同孔隙比下的工程弃土堆积体边坡在不同降雨条件下的瞬态稳定系数；最后对两种计算公式的计算结果进行了对比分析。主要研究内容及成果如下：
　　 (1)分析国内外最新研究情况，并对三峡库区的工程弃土的颗粒曲线、天然容重、抗剪强度参数和土水特征曲线性质参数进行试验研究分析，表明该类工程弃土为含细粒土砾；库区工程弃土的饱和渗透系数随孔隙比的增大，总体上呈现增大的趋势。饱和渗透系数在孔隙比小于0.7时，随孔隙比的增大趋势较缓，反之，饱和渗透系数随孔隙比的增大而迅速增大；饱和度低于60％时，土体的粘聚力随饱和度的增加而增大；饱和度大于60％以后，土体的粘聚力随饱和度的增加而迅速减小；土体的内摩擦角()值随着土体随着饱和度由20％增大时，呈现缓慢减小，饱和度超过40％后又呈现迅速减小，饱和度大于60％时，又趋于缓慢减小，饱和度大于80％以后，又呈现迅速减小的趋势；在同一饱和度下，基质吸力随土体的孔隙比的减小而增加，在同一孔隙比下，基质吸力随着饱和度的增加而减小。饱和度达到80％以后，基质吸力的大小不再受到密实度的影响，孔隙比大于0.7081后，土水特征曲线随饱和度的变化并不明显。
　　 (2)利用非饱和土强度理论，考虑土体基质吸力对瑞典圆弧法计算公式进行了修正，使之同时适用于饱和边坡与非饱和土边坡的稳定性计算。
　　 (3)根据三峡库区历年极端最大降雨事件，假定工程弃土堆积体边坡连续经历前期降雨(25mm/d)4天与极端降雨(100mm/d、200mm/d、300mm/d)2天，利用GEOSTUDIO(2004)软件计算了给定边界条件下的非饱和工程弃土堆积体边坡内的渗流过程，得到了各个时刻坡内部的孔隙水压力分布情况。数值计算结果表明：在极端降雨作用下，对孔隙水压力有明显影响的几个参数为：极端降雨强度与渗透系数的关系、降雨历时。在前期降雨量相同、降雨历时一致时，极端降雨强度与渗透系数越大，降雨入渗深度越大，对边坡内孔隙水压力影响范围越大。工程弃土堆积体边坡坡脚处的孔隙水压力变化较坡腰处与坡肩处更为剧烈，受极端降雨影响最为明显。
　　 (4)根据不同时刻各个节点上的含水量与孔隙水压力值，利用规范中的瑞典圆弧法与修正后的瑞典圆弧法分别对各个时刻的稳定系数进行了计算，计算结果表明：修正公式后的稳定性较传统的计算公式计算出的稳定性整体有所提高，提高幅度为0.245-0.293。非饱和边坡土体孔隙比为0.7081时：
　　 1)未修正公式时，极端降雨Ⅰ作用45.6小时以后，工程弃土堆积体边坡稳定系数小于1；修正公式后，极端降雨Ⅰ作用下，极端降雨作用48小时后，工程弃土堆积体边坡稳定系数为1.062。
　　 2)未修正公式时，极端降雨Ⅱ作用40.3小时以后，工程弃土堆积体边坡稳定系数小于1；修正公式后，极端降雨作用48小时后，稳定系数下降为1.023，工程弃土堆积体边坡处于临界稳定状态。
　　 3)未修正公式时，极端降雨Ⅲ作用36小时以后，工程弃土堆积体边坡稳定系数小于1；修正公式后，时间由36小时修正为44.5小时，时间增加8.5小时，使得非饱和边坡土体基质吸力充分发挥作用，结果更加接近实际情况。