陈文锋 张 超 姚 琴

(中电建路桥集团有限公司，北京 100048)

高边坡稳定性问题是岩土工程领域的一个重要研究课题，由于强降雨、岩土重力以及其他外力的影响，高边坡常易发生滑动或崩塌破坏。因此，对高边坡发生失稳破坏进行预警，具有重要的工程实践应用意义。

有限元分析中采用强度折减法[1-7]是目前边坡稳定性分析中实用性良好的一种数值分析方法，通过土地强度以及摩擦角等参数的折减直至边坡达到临界破坏状态以获得安全系数。高边坡稳定性分析中降雨是影响边坡滑坡失稳的一个重要因素，有限元软件分析边坡稳定性时考虑降雨入渗[8-12]的影响可以更符合实际工程需要。现有边坡预警未考虑降雨影响，将折减系数—位移曲线分为匀速、加速、失稳三个变形阶段，匀速与加速交接点为预警点，加速与失稳交接点为极限位移点[13]。综上所述，降雨对高边坡失稳具有重要的影响，可通过有限元软件实现考虑强降雨入渗引起的土体饱和度、孔隙水压力和渗透系数变化对高边坡稳定性的影响分析，现有考虑强降雨影响的高边坡失稳预警点判据研究较少。

本文基于边坡工程失稳监测数据所得坡顶位移特征曲线，利用强度折减法并结合有限元软件分析降雨入渗对高边坡稳定性的影响，提出高边坡失稳预警点与失稳破坏点判据。

1 强度折减法下高边坡入渗分析原理

1.1 强度折减法原理

在边坡稳定极限状态下，施加外荷载所产生的剪应力与抵抗外荷载所发挥的最小抗剪强度相等，即与边坡强度指标折减后所确定的抗剪强度相等。当假定边坡同一土层的土体抗剪强度的发挥情况相同时，土体抗剪强度折减系数相当于边坡整体稳定安全系数F，又称边坡强度储备安全系数，与极限平衡法得出的稳定安全系数在概念上一致[14]。

折减后土体抗剪强度参数如式(1)所示：

φm=tan-1[(tanψ)÷Fr]

(1)

其中，φm为实际的抗剪强度；ψ为摩擦角；Fr为强度折减系数。假定不同的强度折减系数Fr，使用不同强度折减系数Fr折减后的强度计算，查看有限元模型计算结果是否收敛，不断增加强度折减系数Fr，计算结果不收敛时即土体达到临界破坏，此时的强度折减系数Fr即为边坡稳定安全系数Fs。

1.2 非饱和土体渗流原理

雨水入渗岩土体会引起岩土体抗剪强度降低，地下水位的抬升会引起岩土体孔隙水压力提高，因此需研究瞬态降雨渗流对高边坡应力、应变和位移的影响[14]。

有限元模型中非饱和土体的渗透系数同基质吸力的变化如式(2)所示：

Kw=awKws÷[aw+(bw×(ua-uw))cw]

(2)

其中，Kws为饱和土的渗透系数，取5.0×10-6m/s(即0.018 m/h)；uw和ua分别为非饱和土体的水压力和空气压力，考虑高边坡坡面和外界空气直接接触，因此ua取0;aw,bw,cw均为非饱和土材料系数，分别取1 000，0.01和1.7。

土体的饱和度同基质吸力的变化如式(3)所示：

Sr=Si+(Sn-Si)×as÷[as+(bs×(ua-uw))cs]

(3)

其中，Sr为土体的饱和度；Si为残余饱和度，取0.08；Sn为土体的最大饱和度，取1；as,bs,cs均为土体材料系数，分别取1,5×10-5,3.5。

2 边坡失稳破坏预警方法

2.1 边坡失稳位移变化特征

大量的边坡稳定性研究及边坡工程失稳监测数据[15-17]表明，边坡在自重应力和外部环境因素的影响下，随时间作用的推移，其坡顶位移呈现非线性的增长；当坡顶位移达到一定值时，边坡将出现失稳破坏。边坡失稳过程的位移变化特征曲线如图1所示。

在图1中，AB段为初始固结阶段，边坡岩土体经过漫长的地质年代，其变形速率逐渐减小；BC段为匀速变形阶段，边坡岩土体在初始固结变形的基础上，受重力作用表现出匀速变形的特性，该阶段受外部环境影响较大，表现为变形速率存在一定轻微的波动，整体匀速变形趋势不变；CD段为加速变形阶段，受外界环境因素的影响与时间的推移，坡顶位移出现大幅度的增长，包括坡顶水平位移与竖向位移，此时应对边坡进行加固处理，避免边坡发生失稳破坏；DE段为失稳阶段，坡顶位移超过最大容许位移，坡顶位移变化率急剧增大，边坡发生失稳破坏。

2.2 边坡安全预警与失稳破坏判据

边坡在自然状态下受到外界环境以及外力的影响下，具有一定的内部应力调节能力，使边坡保持稳定平衡状态，当外界环境、外力和自重应力的总作用力超过边坡可承受的扰动极限时，边坡稳定性逐渐被破坏直至发生失稳破坏。在边坡稳定性分析中，选取特殊部位的位移拐点作为评判边坡稳定性的依据，如坡顶位移拐点，具有明确的物理意义，可直观反映出边坡失稳破坏的宏观变化形式。通过极限平衡法求得边坡安全稳定系数，其中条分法与坡顶位移拐点法求得的边坡安全稳定系数误差在3%以内[18]，说明有限元分析所得坡顶位移拐点法可行。

从图1可知，BC段坡顶位移为匀速变化阶段，C点处坡顶位移μ1表现出加速变形的趋势，边坡开始出现一定程度的失稳预兆，当坡顶位移达到或超过该值时应进行失稳预警，因此C点为边坡失稳预警点。CD段坡顶位移为加速变化阶段，D点处坡顶位移μ2为边坡稳定的“最大变形量”，D点后边坡发生失稳破坏，因此D点为边坡失稳破坏点。

综合以上分析可得，坡顶位移量在μ1与μ2之间是边坡失稳发展过程的重要阶段，边坡由稳定状态向失稳状态过渡。因此，可以采用边坡坡顶位移值作为边坡失稳预警与失稳破坏评判依据，当边坡坡顶位移达到失稳预警值μ1时，应进行边坡加固措施以防止边坡变形加剧；当边坡坡顶位移达到失稳破坏值μ2时，边坡将发生失稳破坏。

3 实例分析

3.1 工程概况及计算模型

依托工程为广东佛(山)清(远)从(化)高速公路北段典型高边坡，区域位于广州市花都区石角镇，该区域属于北江水系，水位、水流量受季节气候影响较大，雨季降雨量流沛，地下水位较高、水流量大。由于高速公路开挖深度为22 m，以及开挖区域受连续强降雨的影响，致使边坡上部土体常出现滑动，给边坡下方居民造成严重的安全隐患，应实时监测边坡并发出预警和破坏警报。

基于广东佛清从高速公路段地质特点选取典型高边坡并建立有限元模型，依据高速公路高边坡区域路基断面对称性的特点，选取高边坡路基左半部分进行有限元模型计算，设定左半部高边坡路基纵断面宽度为49 m，纵断面高度为32 m，路面宽度为18 m，高边坡边坡高度为22 m，边坡底宽度为12 m，边坡地下水位高度为6 m，几何尺寸如图2所示。

建立高边坡有限元计算模型，在高边坡坡顶、坡底及边坡处设置降雨入渗条件，高边坡两侧及底部设置位移约束条件，高边坡有限元模型采用的计算单元类型为CPE4P孔隙流体/应力类型，有限元模型网格属性采用四面体扫略形式，单元格共有1 329个，计算模型如图3所示。

3.2 计算假设与边界条件

基于强度折减法分析高边坡降雨条件下边坡稳定性时，作出以下假设：

1)高边坡土体同一土层的性质均匀，各向同性；

2)高边坡土体同一土层的强度折减效果相同；

3)高边坡降雨分析时，降雨入渗强度始终小于降雨最大强度，降雨垂直高边坡坡面方向入渗。

模型边界条件：

1)对高边坡二维模型左右两侧土体法向位移进行固定约束，对高边坡二维模型底部一侧水平及法向位移进行固定约束；

2)依据高边坡原地下水位及高边坡区域持续性降雨情况，设置随地下水位高度升高的高边坡静水孔压边界；

3)忽略降雨引起的地表积水，高边坡降雨入渗边界函数采用降雨强度即单位流量q(m/s)表示。

3.3 高边坡模型参数的选取

对广东佛清从高速公路段进行现场地质勘探及降雨情况收集，得到高边坡区域土体物理参数和高边坡区域降雨历史数据。参考高边坡区域地勘资料及降雨历史数据，设定高边坡有限元模型土体物理参数见表1，降雨相关参数取值见表2。依据高边坡地勘资料数据，结合式(2)，式(3)得到广东佛清从高速公路段高边坡土体的渗透折减系数、饱和度和孔隙压力，具体参数值如表3所示。

表1 高边坡模型材料参数表

表2 降雨最大强度、时长和入渗强度参数取值表

表3 渗透折减系数、孔隙压力与饱和度参数值

3.4 预警值与破坏值选取

基于强度折减法的边坡稳定性研究[19,20]与边坡失稳监测数据表明，在岩土自重应力和降雨入渗的影响下，高边坡坡顶位移随强度折减系数的增加发生剧烈变化的拐点为边坡失稳破坏发生点，即安全系数取值点。为实现边坡安全预警，需确定边坡失稳破坏前的预警值。通过ABAQUS软件对上述模型进行有限元分析，得出折减系数改变对坡顶位移的影响如图4所示。

从图4可知，A点(折减系数：1.381、水平位移：7.016 mm)，B点(折减系数：1.406、水平位移：-159.129 mm)，C点(折减系数：1.381、竖向位移：-486.496 mm)，D点(折减系数：1.406、竖向位移：-729.589 mm)，AC两点和BD两点对应安全系数相同；AB段水平位移的变化率随折减系数的增大而逐渐增大，B点后水平位移的变化率随折减系数增大而发生突变，水平位移突增6.3倍；CD段水平位移的变化率随折减系数的增大而逐渐增大，D点后水平位移的变化率随折减系数增大而发生突变，竖向位移突增1.8倍。因此，边坡失稳破坏值可根据B点(或D点)选取，其中高边坡失稳破坏时水平位移限值对应B点，竖向位移限值对应D点。本实例中，高边坡失稳破坏时水平位移、竖向位移限值分别为159.129 mm和729.589 mm。

根据图4曲线的变化趋势可知，A点和C点后位移的变化率随折减系数的增大而逐渐增大，A点后水平位移变化率达到48%，AB段变化率持续增加，A点后水平位移出现负值；C点后竖向位移变化率达到10.2%，CD段变化率持续增加。高边坡失稳破坏严重威胁人员安全，为预防边坡失稳造成的人员伤亡，高边坡失稳破坏预警点可根据A点(或C点)选取。

4 结语

本文研究高边坡失稳发展规律，结合强度折减法和降雨入渗原理，提出一种降雨入渗条件下高边坡稳定性安全预警与失稳判定方法，主要结论如下：

1)基于边坡失稳变形发展规律，可以将边坡失稳变形划分为初始固结阶段、匀速变形阶段、加速变形阶段和失稳阶段等四个阶段，由此判断得出失稳预警点和失稳破坏点。

2)在得到强度折减系数与坡顶位移的关系曲线后，可将水平和竖向位移发生突变作为高边坡失稳破坏判断依据，其中水平位移变化率大于500%，竖向位移变化率大于150%。

3)高边坡接近失稳破坏时，失稳破坏预警点的选取可借助坡顶位移变化，按照水平位移变化率大于40%，竖向位移大于10%考虑。