（地质工程专业论文）裂缝充水对土质滑坡稳定性影响的试验研究.pdf

摘要 裂缝充水对土质滑坡稳定性影响的 试验研究 作者简介：樊建利，男，1 9 7 5 年8 月生，师从于成都理工大学李天斌教授， 2 0 0 8 年6 月毕业于成都理工大学地质工程专业，获得工学硕士学位。 摘要 自然界中，滑坡体上经常因变形产生拉张裂缝，降雨形成的地表径流通过裂 缝入渗进入滑坡体对滑坡的稳定性产生影响。本文以这种普遍现象为线索，采用 室内试验研究土质滑坡裂缝充水对其稳定性产生的定量( 或半定量) 影响，为滑 坡预测预报及其防治研究提供新思路。本项研究首先针对滑坡中的单条裂缝，研 究其充水情况下的流线分布特征、入渗量及入渗强度等；然后根据单裂缝水的入 渗特征，对具有多条裂缝的滑坡稳定性进行试验与评价。通过研究，获得的主要 认识和结论如下： ( 1 ) 根据自然界土质滑坡的物质组成特征，选择粘土、细砂、粗砂、石子 及水作为基础材料，按一定的质量比例配制出三种滑坡体材料及四种滑带材料。 对滑体材料及滑带材料进行相关参数的测定，并对滑带材料进行不同饱和度下的 抗剪强度测试，得出抗剪强度与材料饱和度之间呈线性趋势变化关系。 ( 2 ) 在设计的测试设备内制作单裂缝试验模型，然后向裂缝内充水，并观 察和测试水在试验模型内的渗流情况和不同时刻流线的分布特征。根据流线分布 计算出入渗量。改变裂缝深度、裂缝内水位高度及试验材料，研究入渗量与这些 试验条件的关系，得出裂缝内水的入渗特征曲线。研究揭示，裂缝水的入渗量及 平均入渗速率与入渗时间呈对数函数趋势关系；入渗量与裂缝内水位高度的二次 方呈正比关系，与试验材料渗透系数呈正比关系。综合以上关系，得出入渗量与 裂缝内水位高度、材料渗透系数及裂缝深度的关系表达式。 ( 3 ) 选择配制的一种滑体材料及滑带材料进行裂缝充水对土质滑坡稳定性 影响的综合试验。按滑坡体上裂缝数量多少共进行了四次试验，根据试验结果归 纳出滑坡存在多条裂缝下裂缝内水的入渗特征，即，相同时间下入渗量随滑坡体 上裂缝数量的增加而增加，平均入渗速率也随裂缝数量的增加而加快。入渗量及 平均入渗速率与入渗时间呈对数函数趋势关系。 ( 4 ) 通过裂缝充水对滑坡稳定性相关因子影响的研究，对滑坡稳定性进行 分时段综合评价，得出滑坡从试验开始到试验结束的稳定性变化过程，即滑坡稳 定性随裂缝内水的入渗时间增加而不断降低，在裂缝充水结束后，滑坡稳定性逐 成都理工大学硕士学位论文 渐提高。根据综合试验结果，推出滑坡稳定性系数与裂缝内水的入渗量的半定量 函数关系表达式。并得出裂缝充水特征通过控制入渗量间接控制滑坡的稳定性， 裂缝内水产生的静水压力对滑坡的稳定性具有明显的不利影响。 关键词：土质滑坡裂缝充水试验入渗量稳定性 a b 仃a c t t h et e s tr e s e a r c ho ns o nl a n d s l i d e ss t a b i l i t yi n n u e n c e db y c r a c kw a t e r i m r o d u c t i o no f 廿1 e 卸m o r ：f a 坷i 卸l i ，m a l e ，w 弱b o mi na u g ，19 7 5 ，w h o s et u t o r w 嬲p r o f e s s o rl i t i a l l b i n h eg r a d u a t e d 丘d mc h e n g d uu l l i v e r s 埘o ft e c l l i l 0 1 0 9 yi 1 1 g e o l o 酉c a le n g 证e e r i i l gm 萄0 r 锄d 嗍黜d t h ema s _ t e rd e g r e ei nj u n e ，2 0 0 8 a b s t r a c t i i ln 加鹏，s o m ep u l lc r a c k sa r ec a u s e d 舶q u e n t l yb yl a n d s l i d em a l s sd e f o n n e d ； n m n i n gw a t e ro nt 1 1 ee a n h sg u 【r f a c eb 血g e db yr a i 谢1w i l ln o w i n t oc r a c ba n d i r l f i l n a t ei n 幻1 a i l d s l i d em 雒sa i l di n n u e n c el a i l d s l i d e s 蛾l b i l i 何1 1 1 i sp a p e r b 嬲e so n t l l i s do fc o 伽【i l o np h e n o m e n o 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n ea n dw a t e r 嬲b 舔i cm a t e r i a l s ；、) ，i t h m e s em a t 舐a l s ，缸e et y p e so fl a i l d s l i d em a s sm a t e l j a l sa i l df o l l r 锣p e so fs l i d i n gz o n e m 砷鲥m s 孤ec o m p o u n d e d t h e nt e s tt h ep a r 锄e t e r so fl 龇l d s l i d em a s sm a t e r i a l s 锄d s l i d i r 培z o n em a t e r i a l s a tt h es 锄et i i i l e ，s l i d i n gz o i l ec u n i n gs t r e n g mi st e s t e da t d i 丘打e n ts a n 删i o n ，b y 也i sm e a i l s ，o b t a i nn l er e s u l tt h a tc 吡i i l gs 协e n g t hh a v el i i l e a r i 够 n e n di nc 胁l g i n g 、析t hs a t u r a t i o n ( 2 ) m a l 【i n gs i n g l ec r a c kt e s t i i l gm o d e l i n l ee q u i p m e n t ，f i l lc r a c k 埘t 1 1w a t e r t l l e n o b s e r v e 锄dt e s tw a t e r ss e 印i n ga i l ds 仃e a i ：i d i i l e sd i s t r i b u t i n gf e a t u r ei 1 1d i f f e r e n tt i i i 坨 w i t ht h ed i 嘶b u t i i l gf e a t u r eo fs t r e 锄l i l l e ，a m o u mo fi i l f i l 仃a t i o nc 锄b ec o 锄t e d c i 煳g et l l 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n g z o n em a t e r i a lt ot e s t l 锄d s l i d e s 曲如i l i 够s 皿h e t i c a l l y t e ：s t i n gi sd i v i d e di n t of o u rt i m e sb yt l l en u m b e ro f c r a c k si nl a n d s l i d em 嬲s 谢t ht l l er e s u l t s 盘o mt e s t i n go f 洫f i m a t i o ni ns i l l g l ec r a c k ， w ec 趾c o n c l u d ed i s t r i b u t i n gf e a ：t i j r eo fs 仃e a “i n ei nl a i l d s l i d em 嬲sa 1 1 df e a t l 鹏so f 砌l t r a t i o n 谢t hm o r cc r a c k si nl 锄d s l i d em 嬲s n a m e l y ，i i li d e m i c a l t i m e ，锄1 0 u mo f 删! i l t r a t i o n 谢l li n c r e 缌e 谢t ht h ei n c r e a s m g0 fc m c k s n u n 曲e r ，mm es 锄ew a y a v e r a g er a t eo fm l t l a t i o n 、航l li 1 1 c r e 嬲e a m o u n to fi i 】血l 慨t i o na n da v e r a g er a t eo f i 蚯l 仃a t i o nh a v er e l a t i o no fl o g 撕n l i l l 丘m c t i o n 仃e n db e t w e e nh o u r so fi 而l 仃a t i o n ( 4 ) 1 1 l r o u g l lr e s e a r c ha b o u t 砌u e n c et 0f l a c t o r sr e l a t i o nt ol a i l d s l i d e s 鼬i 1 毋 e 丑e c tb yc r a c kw a t e r ，w ec o m p u t et l l el a n d s l i d e ss t a b i l i 锣i i ls y n t h e s i sa i l dw o r ko u t t l l ep r o c e s so fl a i l d s l i d e ss t a b i i 时c l m g n 锄e l y ，1 a l l d s l i d e ss t a b i l i 够r e d u c e s0 n 锄d o nf o l l o w i n gt h ei n c r e 鹊i i 培o fi i l f i l t i a t i o nt i i n eo fc r a c kw a t c r ；、) l ，! h e nn ow a t e ri i lc r a c k ， l 戤d s l i d e s 虹b i l 姆谢l lr i s eg 斌u a l l y o nm eb a s i so fc o n s e 畔e n c eo ft h e 跚吐e s i s t e s t ，w eg e tm fq u a n t i 黟r e l a t i o ne x p r e s s i o no fl a n d s l i d e s 蚰如i l i 够a n d 锄o u n to f i n f i l 仃a t i o no fc r a c kw a t e r ，肌dg e tc o n c l u s i o nt h a tf c a ：t u r eo fw a t e rl e v e li nc m c k 、析l l c o n t r o l l a n d s l i d e ss t a b i l i t ) ri z l d n c t l yb yc o 劬r o l l i l l g 锄o u l l to fi n f i l 仃a t i o n ；p r e s s u r eo f s t i l l 硼她rmc r a c kh a so b v i o u sl 脚如li 1 1 f l u e n c et ol a n d s l i d e s 嘲b i l 时； k e y w o r d s ：s o i ll a l l d s l i d e c r a c k 、) l 棚甜t e s t 锄u n to fi r m l 仃a t i o n 虹b i l 毋 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盛壑理王丕堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的教材。与我一同工作的同志对本研究所作的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示感谢。 学位论文作者签名： 妣子年彩月 学位论文版权使用授权书 f7日 本学位论文作者完全了解盛都理王太堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盛都理王太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 学位论文作者导师签 渊年占月7 日 第1 章前言 第1 章前言 1 1 选题依据及研究意义 降雨是边坡失稳的主要诱发因素【2 】。“中国地质灾害数据库 记录了1 9 4 9 年 至1 9 9 5 年期间发生在我国的滑坡灾害，其中6 8 5 的滑坡是由降雨引起。孙广 忠( 1 9 9 8 ) 编写的中国典型滑坡一书中列举了9 0 多个滑坡实例，9 5 以上 的滑坡都与降雨有着密切关系。在中国重大地质灾害实例分析( 钟立勋，1 9 9 9 ) 一文列举的2 7 顶中国重大地质灾害中有1 5 项是暴雨引发。据国土资源部中国 地质环境公报( 2 0 0 5 ) 公布的数据，2 0 0 5 年全国共发生各类地质灾害1 7 7 5 1 起， 突发性地质灾害主要发生在汛期，5 9 月突发性地质灾害的发生总数占全年地质 灾害发生总数的8 5 9 。 我国是一个多山国家，地质灾害发生频繁，规模总体较大，造成的人员伤亡 及经济损失数字惊人。据2 0 0 7 年地质灾害通报( 1 6 月) 2 0 0 7 年1 月6 月， 除北京、天津、上海、内蒙、吉林、海南外，全国2 5 个省( 区、市) 都发生了 地质灾害，共发生2 8 1 7 起。其中，滑坡2 0 6 6 起、崩塌4 4 1 起、泥石流1 4 1 起， 9 2 是降雨等自然因素引起。共造成1 9 0 人死亡、1 3 人失踪、1 4 2 人受伤，直接 经济损失达6 1 4 亿元。 2 0 0 7 年1 月6 月，地质灾害造成人员死亡和失踪1 0 人及以上的省( 区、 市) 有8 个，与去年同期相比增加了2 个。四川死亡6 3 人、失踪3 人，重庆死 亡2 9 人，山西死亡2 0 人，江西死亡1 7 人，广东死亡1 5 人，贵州死亡1 3 人， 湖北死亡4 人、失踪8 人，广西死亡1 0 人。地质灾害造成直接经济损失分别为： 湖北2 0 7 亿元，重庆1 2 4 亿元，四川o 7 4 亿元。 2 0 0 7 年上半年全国由于降雨诱发的特大型及大型滑坡地质灾害如表1 1 。 表1 12 0 0 7 年1 月6 月全国降雨诱发的特大型和大型滑坡地质灾害( 据2 0 0 7 年地质灾害通报) 灾害类伤亡情况( 人)直接经济损 省、区、市发生时间地点成因 型 死亡失踪受伤 失( 万元) 滑坡泥 四川省 2 0 0 7 5 2 4九龙县烟袋乡1 2051 2 6 7 7 5 降雨 石流 湖南省2 0 0 7 6 9靖州大堡子镇滑坡o002 2 0 0大雨 贵卅i 省2 0 0 7 6 2 6西秀区龙宫电站后山滑坡 0009 0 0 强降雨 成都理工大学硕士学位论文 2 0 0 7 年5 月2 4 日凌晨，四川省甘孜州九龙县普降暴雨，在短时间内降雨量 达3 0 余毫米，引发多处泥石流、崩塌、滑坡灾害。全县受灾面积2 2 4 余万亩， 涉及1 1 个乡镇，4 7 村1 3 5 组，4 0 5 0 户1 6 2 0 0 人，本次灾害共造成死亡1 2 人， 受伤1 8 人，经济损失5 0 4 2 5 万元。其中乌拉溪乡河坝村庙子沟泥石流灾害最为 严重，造成1 2 人死亡，5 人受伤，直接经济损失达1 2 6 7 7 5 万元( 见表1 - 1 ) 。5 月2 3 日傍晚1 9 时乌拉溪乡开始降小雨，2 4 日凌晨2 时至3 时、3 时3 0 分至5 时大雨，4 时左右庙子沟上游有多处小型滑坡发生。滑坡体物质堆积于沟内，造 成沟道局部堵塞，4 时3 0 分左右堵塞体溃决形成泥石流。凌晨5 时，泥石流到 达沟口，直冲沟口村民住房、排洪堤、农田、省道等，造成了重大的人员伤亡和 财产损失。泥石流堆积体呈扇形堆积于沟口，扇体长约2 0 0 m ，前缘宽约3 0 0 m ， 厚约2 4 m ，成份以泥砂块石为主，块石直径o 5 l m ，泥石流堆积物约8 万立 方米( 图1 1 ) ，属中性粘性泥石流。庙子沟位于雅砻江支流九龙河右岸，沟谷出 露地层主要为二叠系变质砂岩、板岩，第四系残坡积块碎石在沟域广泛分布。本 次泥石流灾害为降雨诱发滑坡形成的特大型自然灾害。 圈1 12 0 0 7 年5 月2 4 日九龙县乌拉溪乡河坝村庙子沟泥石流 ( 据四川省地质环境监测总站2 0 0 7 年6 月) 降雨诱发滑坡造成的损失可谓非常巨大，因此，近年来降雨对滑坡稳定性 的影响受到人们的关注和重视，针对该方面进行了大量的研究并取得了丰硕的成 果。目前，较为普遍的认识是：降雨入渗使得边坡体内的地下水位升高，滑面处 岩土体软化，降低边坡的稳定性，导致滑坡发生。基于这一认识的评价、分析方 法是，运用饱和渗流理论，模拟降雨引起的潜水面升高；运用刚体极限平衡方法， 计算潜水面升高后的边坡稳定性。这是一种基于饱和土力学理论的边坡稳定性分 析方法。除此之外，降雨通过地表非饱和区入渗影响滑坡稳定性方面的研究也有 2 第l 章前言 了深入探索，如黄润秋、许强在降雨入渗及水库诱发滑坡的评价与预测一书 中提到非饱和土强度理论及滑坡降雨入渗理论【l 】等。这些成果都从不同方面对滑 坡的稳定性进行了研究，为滑坡的预防防治及治理等提供了科学的理论依据。 滑坡是一个系统性很强的复杂事物，它的产生受多方面因素的影响。在大量 的滑坡调查中发现，滑坡体上往往产生不同程度的拉张开裂。降雨形成的地面径 流通过地表拉裂缝注入滑坡体，增加滑坡体重度、导致地下水位升高、降低滑带 土及滑体土的力学强度，或者雨水充满拉裂缝形成静水压力。但目前针对雨水通 过地表裂缝入渗对滑坡稳定性方面的研究非常少，且大多从定性方面描述，从定 量或半定量研究雨水通过地表裂缝入渗对滑坡稳定性的影响则基本属于空白。 裂缝充水对土质滑坡稳定性影响的试验研究是在现有研究条件下，通过 室内模拟试验以定量或半定量的方式研究裂缝充水入渗一滑坡稳定性等方面的 关系。该研究首先可以填补降雨通过地表裂缝入渗对滑坡稳定性影响定量或半定 量方面研究的空白；其次，将使我们对于由降雨因素导致边坡失稳的作用机制有 一个更加深入的认识，为降雨型滑坡地质灾害预测预报以及评价方法体系提供依 据；第三，为地质灾害防治提供一定的理论依据。比如，若及时对滑坡体上的裂 缝进行夯实填埋，可以避免降雨通过地表裂缝入渗到滑坡体，降低降雨对滑坡稳 定性的影响，减少滑坡灾害的发生，这不仅节约了滑坡治理费用，而且有效保护 了当地居民的生命财产安全，经济效益和社会效益非常可观。 因此，裂缝充水对土质滑坡稳定性影响的的试验研究，具有重大的理论意义 和实践意义。 1 2 国内外研究现状及存在的问题 目前，国内外在降雨对滑坡稳定性影响方面的研究主要采用下述方法： 降雨在边坡内渗流状况的研究。该方面的主要研究内容是：饱和一非饱和渗 流理论；将降雨过程中渗流场的变化作为重要因子对边坡稳定性进行分析； 边坡稳定性分析方面的研究，主要运用极限平衡法【3 叫，塑性极限分析法【7 j ， 数值方法【8 一，可靠度方法【l o - 1 2 1 ，人工智能方法【1 3 】等等。极限平衡法是最早出现， 并广泛应用于工程实践的一种边坡稳定性分析方法。 1 2 1 饱和土力学理论的边坡稳定性分析方法研究 1 7 7 6 年，法国工程师c a c o u l o i n b 提出了计算挡土墙土压力的理论方法， 是极限平衡方法的雏型。廿世纪二十年代，f e l l e l l i u s 率先提出极限平衡条分法， 边坡稳定性分析的极限平衡理论己经形成。后来经过b i s h o p ，j a n b um o 玛e i l s t e m 等人的发展【1 4 - 1 6 1 ，极限平衡条分法形成了较完整的理论体系。 成都理工大学硕士学位论文 极限平衡法作为边坡稳定分析的经典方法，已经历了数十年的研究与应用， 主要方法有：f e l l e i l i u s 法、b i s h o p 法、j 锄b u 法、m o 玛e n s t e m & 研c e 法、s p e n c e r 法、s 黜a 法【1 7 】以及目前国内工业、民用建筑和铁道部门使用很广泛的不平衡推 力传递法等。 极限平衡方法建立在大家所熟悉的饱和土体m o l 盯- c o u l o r n b 强度准则基础 上，是通过分析在临近破坏状态( 极限状态) 下，土体受力与内部强度提供的抗力 之间的平衡，计算岩土体在自身或结构物作用下的稳定性程度。极限平衡法只注 重土体破坏瞬间的变形机制，可以满足力平衡、力矩平衡和应力边界条件，而不 关心土体变形过程。 基于饱和土力学理论的极限平衡方法认为降雨入渗造成边坡内地下水位上 升，水压力增大，导致边坡稳定性降低，甚至出现失稳。其作用机理是静水压力 增大，最初，对于降雨过程中边坡体内的水压力的分析，主要是应用分段法、基 本抛物线法等解析方法【7 】，求出一定降雨入渗量( 降雨量乘以降雨入渗系数) 下的 边坡浸润线，再计算浸润线到滑面的距离来确定水压力。廿世纪六十年代，开始 运用数值方法依据饱和渗流模型来模拟降雨作用下边坡体内的渗流场，降雨入渗 量直接补给到潜水面上。廿世纪七十年代以后，这种渗流场数值模拟方法逐渐在 边坡工程中广泛应用【1 8 例。 1 2 2 非饱和土抗剪强度理论的研究现状 非饱和土的抗剪强度理论一般采用考虑基质吸力作用下的延伸的 m o h r - c o u l o m b 准则。 早在6 0 年代，b i s h o p 就在他的非饱和土有效应力理论的基础上，提出了非 饱和土强度表达式【1 7 】： o = c + 【( 仃一甜。) + z ( 。一“。) 】t a n 伊 ( 1 - 1 ) 式中- r ，- 为非饱和土的抗剪强度，o 为总应力，为孔隙气压力，为孔隙 水压力，( ) 为基质吸力，c 和痧为常规意义下的有效应力强度参数有效凝聚 力和有效内摩擦角，x 为经验系数，与饱和度、应力路径及土的类型有关，但是 由于x 的影响因素很多，确定它的值比较困难，所以此公式一直以来应用不是很 广泛。 f r e d l u n d 在7 0 年代运用多相连续介质力学理论，分析了非饱和土单元总的 力的平衡和其中各相的力的平衡，并在m o h r - c o l l l o i n b 破坏准则的基础上提出了 以有效应力分量仃一“。和 。一“。) 为应力变量的破坏准则【1 7 】： 4 第1 章前言 o = c + ( 仃一甜。) t a i n 矽+ ( 甜口一甜，) t a i n 伊6 ( 1 2 ) 式中缈6 为因基质吸力增加引起抗剪强度增加的曲线的倾角，是基质吸力的 函数，p 一材口) 为破坏面上的净法向应力， 。一甜。) 为破坏面上的基质吸力：其它 符号含义与式( 1 1 ) 相同。 f r e d l u n d 等【2 6 1 在9 0 年代在对非饱和土进行了微观分析的基础上，提出了用 土水特征曲线来预测非饱和土抗剪强度的公式： 旷州。) 删也。飞) 器驯 ( 1 3 ) 沈珠江幽等提出用双曲线来拟合与吸力有关的抗剪强度公式，即： 旷州徊卅揣删 ( 1 - 4 ) 式中d 为参数，其它符号意义同前。 在b i s h o p 和f r e d l u n d 理论之后，卢肇钧等人系统地研究非饱和土的抗剪强 度，对粘聚力、摩阻力和吸附强度三个组成部分进行了分析，对膨胀压力与吸附 强度的相互关系进行探讨后发现：非饱和土在体积不变的条件下浸水测得的膨胀 压力n 与吸附强度 。一甜。) 切n 伊6 有近似的线性关系，因而认为测得的膨胀压 力几可能代替由吸力所产生的内部有效应力，从而其吸附强度可以用膨胀压力来 估算【2 8 2 9 】： f ，= 唧，讹缈( 1 - 5 ) 式中f ，为由吸力所产生的吸附强度，即毕肖普公式中的z 口一“w ) t a i l 矿或 f r e d l u n d 公式中的 口一甜。) t a l l 伊6 ，p 。为膨胀压力，所为由非饱和土种类所决定 的线性参数，为内摩擦角。 5 成都理工大学硕士学位论文 滑坡稳定性受降雨的影响是一个渐进的过程。雨水向滑坡体内入渗过程中， 滑体物质及滑带物质经历了饱和度不断增加直至完全饱和的历程。以上关于非饱 和土抗剪强度的理论研究为滑坡稳定性现状评价及变化过程探索提供了很好的 理论依据，同时，非饱和土抗剪强度理论使饱和土抗剪强度理论得到发展，对滑 坡稳定性评价及变化过程的深入研究具有重大的指导意义。 1 2 3 降雨条件下边坡的稳定性分析方法研究 降雨前，边坡中处于非饱和状态的岩土体物理、力学性质，在降雨入渗过程 中的变化( 表1 2 ) 对于边坡稳定性降低甚至失稳至关重要。近年来，非饱和土力 学理论的发展，为如何恰当估计降雨对边坡稳定性的影响提供了新的理论基础及 相应的分析方法。 裹1 2 几种土体的非饱和抗剪强度【1 7 】 c 由 b 土类试验方法参考文献 ( k p a )( 度)( 度) 压石页岩w = 1 8 6 1 5 82 4 81 8 1 常含水量三轴试验 b i s h o p 等( 1 9 6 0 ) 漂砾粘土w = 1 1 6 9 6 2 7 32 1 7 常含水量三轴试验 b i s h o p 等( 19 6 0 ) 马德里灰色粘土w = 2 9 2 3 22 2 51 6 1固结排水直剪试验 e s c a r i o ( 19 8 0 ) d h a 眦u r i 粘土w - 2 2 2 3 7 32 8 51 6 2 固结排水三轴试验 s a t i j a ( 1 9 7 8 ) pd - 1 5 8 0 k 咖3 d b a n a l l r i 粘土w - 2 2 2 1 1 32 9 01 6 5 常含水量三轴试验 s a 嘶a ( 1 9 7 8 ) pd _ 1 4 7 8 k g m 3 固结排水多级三轴 h o 和f r e d l u n d 香港风化花岗岩 2 8 93 3 41 5 3 试验( 1 9 8 2 a ) t a p p e r 卜n o t c hh i l l 粉土 固结排水多级三轴 0 。03 5 ，o1 6 o k 阳h n 等( 19 8 9 ) w = 2 2 2 ，pd = 1 5 9 0 k g ，m 3 试验 廿世纪五十年代，美国公路研究实验所的人员最先注意到处于非饱和状态的 土中的基质吸力对公路及机场设计的重要意义( c r o n e y ，1 9 5 2 ) 。1 9 6 1 年，制造出第 一台用于非饱和土三轴试验的仪器( b i s h o p ，d o n a l d ，1 9 6 1 ) 。随后，b i s h o p ( 1 9 6 0 ) ， s a 坷a ( 1 9 7 8 ) ，f r e d l 吼d ( 1 9 8 2 ) 等进行了大量的有关非饱和土的力学试验( 见表 1 2 ) 。1 9 7 8 年，f r e d l u n d 等得出适用于非饱和土体的引伸的m o h r c o u l o n l b 抗 6 第1 章前言 剪强度公式【l7 1 。 f r e d l u l l d 等( 1 9 8 1 ) 提出了考虑基质吸力的边坡稳定性分析方法一普遍极限 平衡法( g l e 方法) 【1 6 】。普遍极限平衡法建立在非饱和土的引伸的m o h r - c o u l o n l b 强度准则基础上。这是一种基于非饱和土力学理论的边坡稳定性分析方法。也是 目前最为有效的研究降雨入渗对边坡稳定性影响的方法。1 9 9 3 年，f r e d l u i l d 与 d j o 在他们的著作中介绍了适用于非饱和土的土压力理论，并提出竖直或近 乎竖直边坡的临界高度的计算公式。 l 啪b 【3 0 】研究了香港地区降雨和滑坡的关系，采用简化的一维垂直入渗模型， 根据抗剪强度和饱和度的经验关系研究地质条件和降雨特征对斜坡稳定性的影 响。分析出香港地区斜坡的稳定性不仅是由土的入渗能力来控制的，还取决于降 雨的类型和降雨量的大小，但在研究中未考虑水平渗流分量的影响，对入渗量的 假定也不符合实际情况； s a i i u i l o r i ，t s n b o y a i n 3 l 】采用g a l e z k i n 有限元法模拟恒定降雨强度条件下的 边坡暂态渗流过程，并对边坡稳定性进行参数研究，分析出斜坡稳定的影响因素 有土坡的渗透状况，斜坡的长度以及土层的厚度等等； o i l s o 等【3 2 】在考虑土体类型、降雨历时、降雨强度和土体渗透性能的基础 上采用考虑空气压力变化耦合的分析方法计算二维非饱和渗流场，进行土坡二维 非饱和渗流和极限平衡法的联合分析，研究了降雨入渗对边坡稳定性的影响； s h i ! i l a d a 掣3 3 】用g a l e r l t i n 有限元法模拟了二维非饱和渗流，并采用刚体弹簧 模型进行了斜坡稳定性数值分析。得出不同的降雨强度和基质吸力的变化对斜坡 安全系数的影响情况； s 眦等p 4 】发展了应力和两相流耦合理论，分析了降雨条件下土坡的浅层破 坏。在对实际边坡分析时，分别研究了在考虑和不考虑空气压力影响条件下的土 坡渗流情况，并得出考虑空气压力的分析是合理的结论； n g 等【3 5 】对香港地区利用有限元方法对降雨情形和初始条件的暂态渗流对斜 坡稳定性进行了研究，分析出降雨特征、水文地质条件和坡面防渗情况对斜坡安 全系数的影响； h 砌l a r d j o ，x w l i ， d g t 0 1 1 等( 2 0 0 1 ) 通过对新加坡南洋理工大学校 园内，由1 9 9 5 年2 月的暴雨诱发的2 0 多处滑坡进行分析，提出前期降雨对边坡 稳定性有重要影响【4 l 】。 非饱和土力学理论用于降雨对边坡稳定性的影响研究，在我国始于廿世纪九 十年代，基于非饱和土力学理论，提出了考虑入渗和蒸发影响的土坡稳定性分析 方法【3 9 1 ，该方法通过数值方法求解任意给定的入渗和蒸发边界条件下边坡土体 的瞬态含水率分布及与其相对应的瞬态抗剪强度参数分布，在此基础上，运用常 规的稳定性分析方法求得瞬态的边坡稳定性系数。在三峡工程永久船闸高边坡进 7 成都理工大学硕士学位论文 行了降雨入渗的试验研究，对高边坡山体饱和、非饱和渗流场作了初步分析幽。 采用不互溶趋替法试验等方法来确定非饱和岩体的土水特征曲线及渗透参数。然 后在实验基础上假定岩体渗透各向同性，为了计算过程中的迭代收敛，将饱和渗 透率放大( 约1 0 0 倍) 。以固定降雨入渗系数( o 1 6 5 ) 乘以多年平均降雨速率( 3 6 3 6 1 0 。6 c 州s ) 作为降雨入渗边界条件，用有限元数值模拟分析了类似多年平均降雨 强度下边坡中的稳定渗流状态及强降雨过程中的边坡中地下水运动和水压力分 布变化趋势。依据斜坡非饱和土体在临近破坏时的状态参数( 孔隙比和平均有效 应力) ，将斜坡土体分为两种类型，即剪缩型和剪胀型，通过对超孔隙水压力的 消散过程进行分析，来研究填土边坡在暴雨入渗条件下的破坏机理【4 3 1 。 吴宏伟、陈守义等【3 6 】( 1 9 9 9 ) 针对香港地区降雨的特点和地下水位分布的特 点，用有限元法深入系统地研究了降雨强度、降雨历时、土体渗透性及阻水层埋 藏条件等因素对暂态渗流场和斜坡稳定性的影响，得到了一些有益的结论，但在 研究中未考虑前期降雨的影响。 朱伟等( 1 9 9 9 ) 对日本堤防进行了雨水、洪水入渗情况下的稳定性等方面的研 究【4 5 】； 朱文彬、刘宝琛( 2 0 0 2 ) 利用饱和一非饱和土的渗流理论与非线性弹性模型对 土坡在降雨期间的渗流、位移与稳定性的发生发展过程进行了研究m 】。 史弘鹤、王殿春【3 8 】在研究雨水入渗和蒸发过程的基础上，提出了一种考虑土 体一气一水的耦合暂态渗流场模型，用此模型分析了降雨入渗引起的暂态渗流场 的变化，并分析了渗流场变化对土坡稳定的影响； 陈守义等【3 9 】提出了一种考虑入渗和蒸发影响的土坡稳定性分析方法。采用数 值方法求解任意给定入渗和蒸发边界条件下斜坡土体的瞬态含水率分布和斜坡 土体瞬态抗剪强度参数分布，在此基础上再使用常规土坡稳定分析方法计算土坡 的瞬态安全因数。 姚海林【3 7 】等对非饱和膨胀土的暂态渗流场进行了参数分析研究，分析了降雨 强度和土体渗透性对土坡稳定的影响，在分析裂隙的作用时，分析了裂隙的开裂 深度对土坡的孔隙水压力和体积含水率的影响； 高润德等【4 0 】针对南水北调中线工程河南段某一黄土边坡，研究了雨水入渗作 用下的土体渗透性和坡顶垂直裂缝对边坡稳定性的影响。 目前，岩土工程界在具体的岩土工程的设计与施工中仍然采用基于饱和土力 学理论建立起来的边坡稳定性评价分析方法、规范。 1 2 4 存在的问题 前人取得的成果为本课题的研究提供了丰富的理论基础资料，在此基础之 上，本课题得以顺利开展有了很好的保障条件。但从前人的研究成果来看，针对 8 第1 章前言 此次研究还存在一定的问题，主要体现在以下方面： 降雨形成的地表径流使裂缝充水并向周围入渗，增加滑坡体的重度，降低滑 带土的抗剪强度；雨水向下渗透补给地下水，抬高地下水水位，增大地下水对滑 坡体的浮托力，地下水向滑坡前缘流动，产生一定的动水压力；除此之外，进入 裂缝的雨水在裂缝内形成水柱产生静水压力。 针对以上方面，研究不足处主要有：( 1 ) 雨水入渗量的研究不足。裂缝充水 时间( f ) 、裂缝内水位高度( 办) 、裂缝特征以及土体渗透系数( j ) 等控制入渗 量，但以上控制影响因素与入渗量关系不甚明确；特别是量化关系更为不明；( 2 ) 入渗水在滑体内的分布运移特征、对滑体重度的改变状况、对地下水的补给强度 等方面未进行深入的研究；( 3 ) 地下水流动形成动水压力对滑坡稳定性的影响研 究程度不足。( 4 ) 裂缝内形成水柱产生静水压力，该压力对滑坡稳定性产生的影 响未有深入的研究。 1 3 主要研究内容、研究思路及技术路线 1 3 1 主要内容 裂缝充水对土质滑坡稳定性的影响从水向滑坡体内入渗开始，即雨水形成的 地表径流注入裂缝，然后水向周围入渗。雨水在滑坡体内的入渗引起与滑坡稳定 性相关因子的性质变化，这些相关因子有滑体重度、滑体土及滑带土的抗剪强度、 地下水水位( 产生浮托力) 、动水压力、静水压力等，不同的入渗量对滑坡稳定 性相关因子的改变程度不同，入渗量越大，则对相关因子的改变程度越大，反之 越小。相关因子的改变程度，直接反映滑坡体的稳定程度。 基于上述认识，本论文的研究内容包括以下几方面： ( 1 ) 滑坡裂缝充水及裂缝内水的入渗量变化特征研究。 研究的主要内容是：首先针对单条裂缝展开研究，即进行不同裂缝充水高度 在不同的裂缝特征及不同滑体物质成分的条件下裂缝内水的入渗量的研究。该研 究内容可通过滑体重度变化量及地下水位变化量进行反算，得出入渗量与以上因 素的关系。多裂缝综合试验时，通过类比，运用单条裂缝试验的研究结果计算得 出入渗量。 ( 2 ) 裂缝内水的入渗对滑坡稳定性相关因子的影响研究。 裂缝内水向周围入渗后开始对滑坡稳定性相关因子产生影响，该方面研究的 内容有： 滑坡体重度的变化。根据研e e n 一舢n p t 模型入渗问题近似解原理( 活塞原 理) 【l j ，渗流边界内视为饱和区，流线边界以外视为非饱和区( 如图1 2 ) 。饱和 9 成都理工大学硕士学位论文 区滑体重度为饱和重度。通过渗流边界的变化量计算出滑坡体重度的变化量。 圈l - 2 滑坡体重度分布变化示意图 滑带土抗剪强度的变化。研究滑带土在不同的饱和度下抗剪强度的变化。不 同饱和时间导致土体饱和度的不同，饱和度的变化导致土体抗剪强度的不同。通 过饱水及剪切试验，归纳出饱和度与土体抗剪强度的关系，并以饱水时间作为参 照，将抗剪强度变化特征类比应用到综合模拟试验中。 地下水水位变化。主要研究裂缝内水的入渗量与地下水位变化的关系。 动水压力。研究地下水水力坡度的变化，计算出动水压力的变化。 静水压力。研究裂缝内水柱对滑坡体产生静水压力的大小、作用方式等。 ( 3 ) 裂缝充水对滑坡稳定性影响的定量评价研究 滑坡稳定性相关因子的变化，导致滑坡稳定性降低，甚至引起滑坡整体失稳。 通过相关因子的变化来评价滑坡的稳定性变化过程，并从该变化过程归纳出裂缝 充水程度、裂缝特征等与滑坡稳定性的初步规律。 1 3 2 研究思路与技术路线 滑坡体上经常因变形产生拉张裂缝，降雨形成的地表径流通过裂缝入渗进入 滑坡体对滑坡稳定性产生影响。本课题是以这种普遍现象为线索展开研究。 本次研究，拟在室内建立滑坡模型，采用模拟试验法进行研究。室内建立的 滑坡模型为一土质滑坡模型。具体研究思路及过程如下： ( 1 )