饱和砂质路基边坡渗流破坏研究

饱和砂质路基边坡渗流破坏研究

陈银象

惠州市道路桥梁勘察设计院广东惠州516001

摘要：渗流作用下饱和边坡浅层稳定性取决于水流方向和水力梯度，尤其是在地表附近。存在渗流的饱和边坡是最危险的。在这种情况下，边坡可能会因为抗剪强度大大降低并且沿着危险滑动面发生剪切破坏，另一种情况是，边坡完全失去颗粒间的接触应力发生液化现象。第一种破坏，我们称之为库伦滑动破坏模式，第二种我们称之为液化破坏模式。本文通过理论推导的方式研究饱和砂质边坡在渗流作用下的破坏模式。

关键词：渗流；砂质边坡；库伦滑动破坏；液化破坏

0引言

降雨（雪）入渗是造成滑坡的一个主要因素，降雨会引起土体含水量的改变，进而引起土体的自重的改变，增大滑动土体的下滑力，同时降雨会软化岩土体，润滑滑动面，降低滑动面的抗剪强度，最终诱发滑坡的出现。Chai采用参数研究，研究了土壤的水力传导性、层厚度、边坡倾角和渗透速率等几个变量的影响。结果表明，该工程的导流长度与两土层的渗透性和边坡倾角的差异呈线性相关。降雨渗透的影响取决于上层的饱和渗透率[1]。于玉贞等以非饱和土的堤坝为例，探讨了Bishop和Fredlund非饱和土抗剪强度公式应用于强度折减有限元法的差异，成果表明，他们在本质上是一致，而从非稳定渗流条件下的分析成果来看，强度折减有限元法更适合边坡的整体稳定问题的求解[2]。李延涛等对不同工况下的饱和—非饱和土边坡渗流场模拟计算，得出：降雨强度和降雨时间是否连续，边坡的基质吸力就会有不同的表现，对边坡的稳定性也会有不同程度的影响[3]。在强降雨条件下，H.Rahardjo设计了一种陡坡角残积土边坡的毛管屏障系统。利用细砂作为细粒度层和花岗岩晶片作为粗粒层，采用细砂层结构。这两层都被包含在土工格室中；利用张力计对毛细管屏障系统的性能和有效性进行了检测，并对其进行了研究，结果表明，在降雨过程中，特别是在斜坡的顶部，毛管屏障系统有效地维持了负孔隙水压力[4]。

渗流作用下饱和边坡浅层稳定性取决于水流方向和水力梯度，尤其是在地表附近。存在渗流的饱和边坡是最危险的。在这种情况下，边坡可能会因为抗剪强度大大降低并且沿着危险滑动面发生剪切破坏，我们称之为库伦滑动破坏模式；另一种情况是，边坡完全失去颗粒间的接触应力发生液化现象，我们称之为液化破坏模式。本文基于理论推导的方式，判断边坡在此状态下的破坏模式以及发生破坏的条件。

1库伦滑动破坏

在进行理论推导前，我们假定边坡是一无限、均质、砂性土边坡，所谓的无限边坡模型可以用来分析直移边坡运动，滑动体沿着近似平行地表的平面前进，伴随着旋转或具有旋转或坍塌特点。

渗流条件下的饱和边坡图1所示。渗透力的大小与水力梯度和土体体积成正比。梯度的数学表达式可以由渗流方向（）和边坡倾角（）的函数关系推导出，它实际上是局部均匀渗流的“出口”梯度。以下是推导过程：

直移滑动的运动通常由软弱面控制，比如节理、裂隙、断层或层间抗剪强度的变化的情况。直移滑动也可能发生在均质的粗粒无黏性土边坡中，比如沙丘、沙堤、防洪堤等。在均质的无限边坡分析中，滑动面被认为是平行地表的平面，端部效应可以被忽略。这种分析在滑体的深度与长度之比很小时（）是有效的。

抵抗库伦破坏的最小稳定性发生在渗流方向为时，此时对应为水平流向，有效内摩擦角等于30o时，临界坡脚为15o，当渗流方向垂直边坡时，临界坡脚最大。即使边坡以较小的角度发生渗流时，稳定性也会降低。

对于渗流梯度，最危险的渗流梯度发生在流向接近0时，即渗流方向垂直边坡时，此时，但此时的临界坡脚最大。