降雨条件下土坡饱和-非饱和渗流及稳定性分析

基于非饱和土力学理论,利用有限元法对降雨条件下边坡的饱和-非饱和渗流及稳定性进行了探讨。数值分析表明,雨水入渗使边坡非饱和区土体的基质吸力减小,是导致边坡稳定性降低的主要因素。进而考察了基质吸力的不同取值及裂隙的不同位置对边坡稳定性的影响,结果表明：在降雨初期基质吸力取值越大,得到的边坡安全系数越高,但经过长时间降雨即边坡土体基本达到饱和后,基质吸力的取值不同对边坡安全系数基本上没有影响;裂隙的存在为雨水入渗提供了良好的通道,因而导致边坡稳定性相对于无裂隙状态来说有所降低。降雨初期下游裂隙使边坡稳定性降低较快,但随着降雨历时的增加,即下游土体逐渐变为饱和状态后,边坡的稳定性变化则主要由上游裂隙控制。     

降雨条件下土坡饱和-非饱和渗流分析

分析了降雨入渗的过程,提出了降雨概念模型:讨论了如何用饱和-非饱和渗流数值方法分析边坡在不同雨型下的渗流场;分析结果表明:雨水入渗过程受初始渗流场影响很大,初始含水量的大小影响湿润锋的推进。暴雨情形下,雨水入渗缓慢,浅部土体保持一定吸力,雨停后渗流场仍有较大变化。     

降雨入渗影响下边坡中的非饱和渗流特性

为了分析降雨入渗影响下非饱和土坡渗流特性,利用自制降雨模拟系统和实时监测系统,对降雨诱发非饱和土坡失稳过程进行全方位、多参量的实时监测,研究不同降雨条件下,不同坡度、不同压实度边坡坡体不同位置雨水入渗率和湿润峰的实变规律.结果表明:降雨入渗条件下,陡坡和高压实度土体不利于雨水入渗,而缓坡和低密实度土体入渗率变化快;实际土体吸力和含水量实时变化规律不同步,提出试验湿润峰概念,含水率（吸力）湿润峰点可按含水率（吸力）实时曲线的过渡区和雨后残余含水率（吸力）的线性交叉点确定;考虑单向吸湿或脱湿路径下土体含水率和吸力具有唯一对应关系,含水率湿润峰点与吸力湿润峰点的绝对值时差即为形成湿润峰所需时间;对比湿润峰实测值与Lumb半经验值散点分布规律,基于Lumb湿润峰深度计算公式提出非线性修正表达式.      

降雨入渗条件下粗粒土路堤暂态饱和区发展规律及稳定性研究

为了分析降雨入渗条件下粗粒土路堤暂态饱和区发展规律及稳定性,结合工程实际及气象资料,通过拟定不同的降雨计算方案,采用饱和-非饱和渗流理论对粗粒土路堤边坡在不同降雨条件下雨水入渗过程进行数值模拟.研究结果表明:降雨过程中路堤边坡表面会形成一定范围的暂态饱和区,暂态饱和区的形成及发展过程与降雨强度及降雨时间密切相关;降雨入渗仅会引起路堤边坡坡面以下水位线的大幅上升,对路堤中部地下水位线影响较小;降雨停止后,路堤上部暂态饱和区迅速消散,而路堤中下部暂态饱和区消散过程则表现出明显的滞后特征,但总体而言暂态饱和区的面积呈下降趋势;降雨入渗将导致入渗区域内基质吸力的丧失与含水率的增加,是造成路堤边坡稳定性降低的主要因素,路堤的失稳形式表现为整体滑移与表面局部坍塌相结合.     

强降雨作用下强风化泥岩降雨入渗特性试验研究

土体降雨入渗特性是实施坡面泥石流和土体滑坡发育过程研究的重要因素。研制了人工降雨土柱入渗试验装置,实施了10、20、30、40、50、60 mm/h共6种降雨强度下强风化泥岩的入渗试验,最长降雨历时105 min。试验结果表明：可将土体入渗过程可分为无压入渗、有压入渗和饱和入渗3阶段,其中土体的入渗率在无压入渗阶段和饱和入渗阶段均随降雨历时增长近似为常数,在有压入渗阶段则快速降低;通过定义降雨作用下土体入渗锋,包括初始入渗锋和终止入渗锋,分析了入渗锋所处位置随降雨强度的变化关系,初始入渗锋和终止入渗锋之间的幅值随降雨强度的增大而变宽;提出了可表征重庆地区侏罗系强风化泥岩入渗过程的土体降雨入渗公式。研究成果对于构建重庆地区降雨诱发型滑坡及坡面泥石流的预测预报模型有积极意义。     

降雨入渗条件下多级黄土高边坡稳定性分析

在西北地区进行基础工程建设,遇到了大量的多级黄土高边坡工程。边坡工程属于永久性工程,难免遇到降雨状况。降雨入渗会引起边坡土体饱和度与土体重度的变化,进而导致边坡体基质吸力与有效应力场的变化,使边坡的稳定性受到较大的影响。本文通过考虑边坡体不同深度处基质吸力随雨水入渗的变化情况,建立了渗流场与应力场的耦合计算模型,对降雨入渗条件下多级黄土高边坡的稳定性进行分析。最后,依托实际边坡工程,利用PLAXIS 3D岩土有限元软件,建立边坡稳定性计算模型,通过设置降雨量随时间的变化函数与渗流边界条件,进行降雨入渗条件下多级黄土高边坡的稳定性数值计算,并与理论分析结果进行了对比分析。根据数值计算结果可得到多级黄土高边坡在降雨入渗条件下的变形、基质吸力、有效应力、潜在滑移面以及安全系数的变化情况,从而对降雨入渗影响下多级黄土高边坡的稳定性做出分析。研究结果可为降雨入渗条件下多级黄土高边坡的稳定性的研究提供一定的指导作用。     

考虑非饱和浸润层厚度和累积入渗量的改进Green-Ampt模型

矿山内排土场因其储量大、结构松散和强度低等特点,在降雨条件下极易产生侵蚀或整体失稳破坏,因此降雨入渗分析对预测内排土场稳定性至关重要。以元宝山露天煤矿内排土场为原型,按相似试验理论进行物理模型试验,研究降雨入渗特征,根据试验结果对经典Green-Ampt入渗模型进行改进。结果表明:雨水入渗过程中,随着浸润锋的向下运移,坡面侵蚀由溅蚀凹槽开始,逐渐过渡为径流侵蚀,最后呈现为溯源侵蚀破坏,整体呈现平行于坡表面的浅层滑坡特征;浸润锋之上非饱和浸润层的存在,导致经典Green-Ampt模型计算结果不准确;在考虑浸润层厚度和累积入渗量基础上,推导出改进的Green-Ampt模型;改进后的Green-Ampt模型为分段函数,能够反映降雨入渗使坡面由非饱和向饱和过渡的实际特征。验证结果显示,使用改进模型,浸润锋入渗深度和累积入渗量的预测精度显著提升,虽然冲蚀破坏和初始含水率的差异导致降雨入渗后期的预测精度有所下降,但相关结果对煤矿内排土场降雨初期稳定性分析具有重要意义。改进后的Green-Ampt模型的计算结果与实测数据更为接近,能为分析露天煤矿内排土场降雨入渗规律及边坡稳定性研究提供参考。     

强降雨条件下具有张裂缝边坡临界滑动场

降雨持时较长且雨强较大时,雨水的入渗不仅会增大孔隙水压力,且易使张裂缝充水形成静水压力,对边坡稳定不利。结合降雨条件下饱和-非饱和渗流分析,考虑降雨过程中的瞬态孔隙水压力场与瞬态强度场,并同时考虑张裂缝充水时的静水压力,对边坡临界滑动场法进行改进,提出降雨条件下具有张裂缝边坡临界滑动场数值模拟方法,且对其进行了验证。将该方法用于一个典型均质黏土边坡算例,结果表明,（1）文中方法可考虑张裂缝具体位置、深度及其充水状态下对边坡稳定性的影响,并能搜索出任意形状危险滑面,计算结果合理可靠;（2）降雨条件下张裂缝中静水压力对边坡稳定性及滑面形状有较大影响;（3）降雨条件下张裂缝位置对边坡稳定有较大影响,距坡肩越近,张裂缝对边坡稳定性影响越大;（4）张裂缝处在最不利位置且充水时存在一个最不利深度。     

降雨过程中边坡临界滑动场

降雨入渗过程中孔隙水压力的升高与基质吸力的降低引起边坡稳定性的下降,是导致边坡滑塌的主要诱导因素。利用饱和-非饱和渗流有限元计算得到的孔隙水压力场,基于Fredlund提出的非饱和土抗剪强度理论,对边坡临界滑动场进行改进,提出可以考虑降雨过程的边坡临界滑动场数值模拟方法,能够方便、快速地计算出边坡局部、整体安全系数和相对应的临界滑动面在降雨过程中的变化历程。将该法用于一个典型均质边坡和一个非均质边坡在降雨过程中的稳定性计算,分析降雨持续时间、降雨强度和非饱和强度参数取值等因素对边坡稳定性的影响,并将计算结果与其他方法进行比较,结果表明临界滑动场方法能搜索任意形状最危险滑面,计算的安全系数合理。     

考虑非饱和土基质吸力的丁家坡滑坡变形机制及稳定性评价

丁家坡滑坡位于云阳县黄石镇中湾村,对拟建的云阳—开州（云开）高速公路安全具有潜在的威胁。为了查明丁家坡滑坡特征,开展了野外工程地质测绘、钻探与试验测试,采用Geo-studio完全耦合计算模式分析了不同降雨工况下滑坡渗流场、应力场、位移场的变化,考察了基质吸力在滑坡稳定性评价中的作用,并计算了不同降雨历时、降雨强度下滑坡的稳定性系数。结果表明:（1）丁家坡滑坡的斜坡地形、松散的岩性、潜在的临空面等因素决定了滑坡的形成与发育,坡体渗透性较好,降雨作用激励滑坡的变形,目前该滑坡处于蠕滑阶段;（2）降雨入渗后,坡体孔隙水压力增加,基质吸力减小,有效应力和抗剪强度降低,在土-岩界面形成剪应力集中,产生应变和位移,滑坡变形破坏;（3）高强度短历时的降雨使坡体浅层迅速饱和,易形成浅层滑,低强度长历时的降雨使坡体浸润较深,易造成深部滑动,其潜在滑动面主要为土-岩界面;（4）在非饱和状态下土体基质吸力对滑坡的稳定性具有重要影响;（5）目前滑坡处于基本稳定状态,一旦发生降雨,滑坡稳定性将降低,降雨历时越久、降雨强度越大,滑坡越易失稳。相对于滑坡Ⅱ区,滑坡Ⅰ区对云开高速公路安全的影响更大,应该重点对滑坡Ⅰ区进行防护治理。该研究可为工程设计、施工及滑坡的预警预报提供依据。     

考虑前期降雨的边坡稳定降雨阈值曲面

在经验性降雨阈值和边坡稳定性数值分析两大类研究的基础上,考虑了降雨入渗和非饱和土性质,使用岩土有限元软件Plaxis高级模式对滑坡预警降雨阈值进行研究分析。算例表明,将降雨量在降雨时间范围内分成2段后,得到的边坡稳定性变化与实际情况更接近,重新定义前期降雨为在给定初始条件下引起边坡最危险滑裂面到坡面之间土体吸力分布发生变化的降雨。前期降雨时长与潜在滑裂面最大深度成正比,与饱和渗透系数成反比。将前期降雨量引入到降雨强度—持时曲线中作为第三个空间坐标轴,将该曲线拓展为前期降雨量-降雨强度-持时曲面。通过一基岩型边坡算例展示了阈值曲面的建立方法,并通过与模型试验数据的对比验证了其可靠性。     

降雨入渗条件下软岩边坡稳定性分析

降雨条件下软岩边坡的失稳模式是进行边坡处治的基本依据之一。为研究软岩边坡在降雨条件下的稳定性,提出了一种既能考虑渗流场对边坡稳定性的影响,又能体现岩石软化效应对边坡失稳所带来的不利作用的新方法。运用二维渗流数值计算方法,对降雨条件下的边坡孔隙水压力大小及暂态饱和区面积在空间及时间上的分布进行了模拟。并将渗流场计算结果与暂态饱和区岩石软化试验所得岩石物理力学参数随时间的取值相结合,采用强度折减法分析软岩边坡在降雨入渗条件下的稳定性。对算例边坡的研究表明：降雨入渗条件下软岩边坡的失稳在降雨初期表现为边坡表层局部分层垮塌。随着降雨历时的增长,失稳形式则表现为局部分层垮塌与整体滑移相结合。降雨停止后,边坡负孔隙水压力的消散,对软岩边坡安全系数的继续降低具有一定的延缓作用。     

降雨条件下酉阳大涵边坡滑动机制研究

以某厚堆积层滑坡为例,基于非饱和土力学理论,利用有限元方法,对雨水入渗条件下坡体的渗流及动态稳定性进行了计算和分析,研究了水分在坡体内的运移对边坡稳定性的时间效应。结果表明：边坡堆积体结构松散,土体强度差,边坡前缘坡降大,坡脚的开挖,为滑坡形成提供了便利条件;强降雨条件下使得坡脚附近首先发生变形失稳,牵引坡体后缘产生张拉裂。雨水沿坡面入渗,在坡体内形成渗流场,弱化岩土体参数,同时坡面形成饱和径流,使滑坡体前缘产生向下的渗透力,促使前缘坡体发生滑动,进而引发分级坡体产生滑移;强降雨初始阶段,滑坡体安全系数降低较快,很容易发生滑坡。该研究揭示了降雨入渗诱发厚堆积层边坡滑动机制,并以此建议采取以截、排、堵措施对边坡进行排水,同时设置嵌岩锚索抗滑桩及进行削坡清方措施对边坡进行综合治理,通过稳定性计算,效果良好。     

间歇型降雨对堆积层斜坡变形破坏的物理模拟研究

为研究间歇型降雨作用下缓倾堆积层斜坡的变形破坏特征,以樱桃沟滑坡为例,进行了降雨作用下斜坡变形破坏的物理模拟研究。试验结果表明：前期降雨作用下坡体变形特征表现为前缘滑移沉陷、中部滑移、后缘沉陷、坡体裂缝生成,且前缘裂缝扩张明显,后期降雨作用下坡脚区域首先发生滑塌,然后依次向后缘传递发生逐阶滑塌破坏;降雨入渗易在基岩面上储存,形成暂态地下水位、高孔隙水压力区域和坡向渗流场,基岩面附近土体饱水时间长,软化程度高,抗剪强度弱化显著,边坡易沿基覆界面土层发生滑坡;坡体滑动易发生在降雨间歇期,触发特征表现为雨后坡体暂态饱和区水分和坡表积水持续下渗,导致地下水位上升滞后于降雨,造成坡体内浮托力、渗透力和孔隙水压力增大,有效应力降低,诱发滑坡。     

不同降雨模式下膨胀岩边坡模型试验研究

采用原状膨胀岩进行室内边坡模型试验,研究膨胀岩边坡在连续降雨和湿-干循环模式下的变形和水分入渗特性,揭示两种模式下膨胀岩边坡的变形破坏模式。试验发现,连续降雨模式下初期数次降雨对膨胀岩边坡变形影响最大,有明显的水平方向位移,后期变形很小且趋向稳定。湿-干循环模式下边坡膨胀变形及深部岩体含水率降雨完成后一段时间才达到峰值,随循环次数及降雨量增大,边坡变形速率及变形量都明显增大,岩体裂隙不断发育,水分入渗深度增大,但限于表面一定深度,对深部岩体影响较小。试验结果对工程应用有一定的指导意义：连续降雨模式初期膨胀较大,须加强和完善初期的排水措施,做好边坡的支挡防护措施;湿-干循环模式下,随循环次数增加,做好坡面的防护措施,以起到保湿防渗作用;两种降雨模式均说明纯膨胀性泥岩边坡不发生典型的圆弧滑动等破坏模式,而工程边坡的滑动多发生在软弱夹层上,因此,要做好该类边坡的软弱夹层特性勘察,对于不含软弱夹层的纯泥岩边坡要重点监测其浅层变形特性。     

强降雨作用下堆积层滑坡稳定性分析

强降雨作用易造成堆积层滑坡发生,带来严重的生命财产损失。基于Green-Ampt（GA）模型,同时考虑湿润锋以上饱和带渗流作用,推导了一种新的滑坡降雨入渗函数,弥补了GA模型只适用于无限长坡的不足。为考虑降雨入渗对土体条块强度的影响,采用整体抗剪强度准则评价滑坡稳定性,并在受力分析时考虑了湿润锋以上饱和带渗透力作用,建立了滑坡稳定性系数表达式。研究结果表明：滑坡降雨入渗的尺寸效应非常明显,湿润锋扩展速率随着坡长的增大而增大,当滑坡无限长时新降雨入渗模型与GA模型计算结果相同,说明GA模型是新模型的一个特例。此外,降雨初期,滑坡稳定性下降较快;随着降雨的持续,稳定性下降速率逐渐放缓。与模型试验结果对比表明,提出的降雨入渗模型和评价方法计算结果与试验揭示的现象一致,证明了该方法的可靠性。     

Water infiltration characteristics of unsaturated soil slope and its effect on suction and stability

Rainfall has been considered the cause of the majority of slope failures and landslides that happened in regions experiencing high seasonal rainfalls. The mechanism of the failures was mainly due to the lost of matric suction of soils by rainwater. This paper presents the results of a laboratory model study on the effect of slope angle and surface cover on water infiltration into soil and soil matric suction. A field infiltration test is carried out for comparison. A parametric study is also done to examine the effect of permeability ratio, development of perched water table and rainfall intensity on the factor of safety against instability of a soil slope. Results of the model study show that different surface covers on slopes have an effect on the water infiltration. Generally the covered surface (grass or geosynthetic net) has a lower infiltration rate compared with the bare (no cover) surface. On the effect of slope angle, it was observed that water infiltration decrease with increase in the slope steepness. With regards to the movement of the wetting front, it appears that water infiltration is more at the toe compared with the top of the model slope. Based on the parametric study, it is found factor of safety of the slope against instability drops for slope with higher ratio of permeability for the permeable and impermeable stratum. As the perched water table is formed, the factor of safety decreased. The rainfall intensity also has a marked effect on the slope factor of safety. The higher the intensity of the rainfall, the higher is the infiltration rate into the soil, hence the lower is the factor of safety against slope instability.     

Numerical modeling of rainstorm-induced shallow landslides in saturated and unsaturated soils

For the assessment of shallow landslides triggered by rainfall, the physically based model coupling the infinite slope stability analysis with the hydrological modeling in nearly saturated soil has commonly been used due to its simplicity. However, in that model the rainfall infiltration in unsaturated soil could not be reliably simulated because a linear diffusion-type Richards’ equation rather than the complete Richards’ equation was used. In addition, the effect of matric suction on the shear strength of soil was not actually considered. Therefore, except the shallow landslide in saturated soil due to groundwater table rise, the shallow landslide induced by the loss in unsaturated shear strength due to the dissipation of matric suction could not be reliably assessed. In this study, a physically based model capable of assessing shallow landslides in variably saturated soils is developed by adopting the complete Richards’ equation with the effect of slope angle in the rainfall infiltration modeling and using the extended Mohr–Coulomb failure criterion to describe the unsaturated shear strength in the soil failure modeling. The influence of rainfall intensity and duration on shallow landslide is investigated using the developed model. The result shows that the rainfall intensity and duration seem to have similar influence on shallow landslides respectively triggered by the increase of positive pore water pressure in saturated soil and induced by the dissipation of matric suction in unsaturated soil. The rainfall duration threshold decreases with the increase in rainfall intensity, but remains constant for large rainfall intensity.     

三峡库区黄土坡滑坡降雨入渗模型研究

传统的入渗模型未考虑坡角和降雨强度对滑坡入渗过程的影响,为了更好地描述黄土坡滑坡降雨入渗过程,在Green- Ampt入渗模型的基础上推导了考虑坡体倾角和小降雨强度影响的降雨入渗模型。为了获取改进的入渗模型参数,在黄土坡滑坡1#崩滑体上进行了双环渗透试验与降雨、土的含水率和基质吸力现场监测。结果表明,黄土坡滑坡1#崩滑体饱和渗透系数为4.81×10-5 m/s;降雨时体积含水率增加,降雨停止后体积含水率降低,深部表现出一定的滞后特性;基质吸力变化趋势与体积含水率相反,降雨使其减小,降雨停止后逐渐增大。通过双环渗透试验与现场监测,获取了黄土坡滑坡降雨入渗模型参数值。将入渗模型计算值与现场监测数据进行对比,该模型计算值与现场监测数据吻合,说明该降雨入渗模型可用于黄土坡滑坡降雨入渗分析。