DOI：10.3969/j.issn. 1672-2469. 2018. 09. 045
李超，刘策，关天冶
(吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林长春130012)
摘要：以福建三明市某高速公路石英片岩边坡为依据，通过岩土体室内外物理力学试验，考察了该地区风化石英片岩边坡的岩体强度的各向异性。在考虑到坡积土层和裂隙节理发育的风化层在降雨入渗过程中具有非饱和性，利用残积土层的粒径分布数据及节理发育岩体的节理裂隙统计数据计算各岩土层的土水特征曲线，从而分析在降雨整个过程中的入渗规律及稳定性趋势特征。
关键词：风化石英片岩；降雨；各向异性；非饱和；稳定性
中图分类号：U213 文献标识码：A文章编号：1672-2469(2018)09-0169-05
我国是世界上最大的发展中国家，在近30年
的迅猛发展中，也带动了工程基础建设的步伐，但我国2/3的国土为山地，特别是西部地区受青 藏高
原隆起的影响，地形变化大，地质构造复杂。因此在这一地区开展大规模水电工程、公路工程 等建设活动，不免需要经常地开挖岩土体，形成 大量的人工边坡，可见岩质边坡的稳定性问题事 关工程建设和运行期间的安全和经济价值。山田 刚二认为[1-]：滑坡是以岩性、地质构造、地形 和风化状态等为内因，以降雨、融雪等气象条件 和挖方填土引起的应力变化等为外因而综合生成 的极复杂地质现象。这一定义指出风化作用及岩 体岩性是引发滑坡的内因之一，而降雨是引发滑 坡的主要外在因素。因此本文通过考虑岩土体的 非饱和作用来分析降雨人渗条件下石英片岩渗透 特征，并在涉及到岩体强度的各向异性前提下分 析边坡稳定性的滞后作用。
土的导水能力在饱和-非饱和条件下，可以通 过渗透系数函数来直观反映。饱和状态下，颗粒间 所有孔隙被水充填；而在非饱和状态下，孔隙中包 含部分空气，气体所占据的体积为渗流的非传导通 道，导致渗流路径更加曲折，使整体渗透系数减 小。因此可以断定，含水量是渗透系数的主要影响 因素之一。加拿大专家F r e d lu n d通过测量和估算的 体积含水量函数和饱和渗透系数，来预测非饱和渗 透系数函数[7-0]。该方法控制方程如下：
"&(&广)2
2(&) -2=
(&)
⑴
B' (&)
式中，Z—测得的饱和渗透系数，m/s;Z—计算 所得的非饱和渗透系数，m/s;2=—饱和体积含水 量；自然对数的底2.71828 ;/到#之间的数值间距；C一代表负孔隙水压力计算方法的虚拟变 量；y—最终函数描述的最小负孔隙水压力；#一最 终函数描述的最大负孔隙水压力；<；一对应第y步 的负孔隙水压力；2'—方程起始值。
2裂隙岩体饱和-非饱和渗流理论
事实上，N a ra s im h a n就曾假定了裂隙中流动沟 槽均互相平行，并假设裂隙壁面接触点引起的水流 弯曲远小于气泡水流弯曲，推导出单裂隙饱和度- 毛管压力关系如下[5]:
V L i=
6, V “ =(2)
<0 > 1
< l>= = 2/(l)]l⑶
V / >= 2"/(/]/(4)
式中，6—单裂隙饱和度；/i一裂隙最大开度；/一裂隙开度；/(/一裂隙开度分布函数。
周创兵[6]在研究裂隙岩体的非饱和渗流时假定
收稿日期：2018-06-01
作者筒介：李超（1990年一），男，助理工程师。
• 169 *
5.00E
-05
4.50E -05 4.00E -05 3.50E -05 | 3.00E -05 备 2.50E -052.00E -05热 1.50E -05 1.00E -05
5.00E -06 0.00E +00
0.01
残坡积 土层
0.01
1
100
基质吸力
/kPa
图1
渗透系数函数及体积含水量函数
因，本文展开了平行于片理面、斜交片理面和垂直 于片里面方向的岩块直剪试验，并为后续的各向异 性岩质边坡的应力分析提供参数依据，通过室内的 直剪试验，获取结果见表1&
试验的结果表明：岩体抗剪强度不仅与岩体所 受法向应力有关，而且与岩体含水量有关；饱和状 态下岩体的抗剪强度比天然状态时的抗剪强度平均
减小20%；与天然状态相比，黏聚力2、内摩擦角 够的变化也比较明显，2平均下降71. 4%这充分说
明在降雨条件下，尤其是大降雨发生时，岩体失稳 的可能性会大大增加，这也正是地质灾害经常在降 雨后发生的主要原因。
4
渗流场有限元分析及稳定性评价
本文采取研究区风化程度高，裂隙发育完全， 较大坡高的坡段作为计算剖面，并在该基础上分析 在特定降雨条件下该高切坡的渗流场在降雨过程中 的渗流趋向特点及考虑强度各向异性的稳定性分析。该所建立的剖面模型高程以坡角（高程
620. 2m )以下20m 为模型底边界，并设置模型底高
裂隙开度服从G i n a
分布，并最终推导出节理饱和
度-毛管压力关系式如下：
<L >
6,1----< h >>
7 2 5co s
2bt 二------= $
式中<
h
>= = 2
]
b
; <
h
> —节理平均开
h
度；$—中间变量；h =—对应于$的临界开度，即
开始排水的最小开度；5—水气表面张力；2—弯 液面与裂隙壁的接触角；$—毛细压力。当/(B 服 从G a m m a 分布，其概率密度函数为！
f (x ) = ,2xe ’
此时，$，<h >=可分别表示如下：$ = e -,h -(,h = - 1) - e -,h"a p (,
hm ap - 1 )
< h >= = e -^hmap -2h =-吾）
-- 2h m a p -吾)$ = e ，■(敗-1
) -e ，m1 (yShm ap -1
)< h >= = e -^hmap -2h =
-吾）
--
2h a p -吾)
滑翔机德雷克斯勒式中，= ^―
，从而由基于毛细吸持理论的
L a p la c e 方程（公式（7))，并结合式（8) ~ (10)理论
计算出单裂隙饱和度-毛管压力关系曲线。
通过现场勘测资料，野外所测得的200余条结 构面统计数据，研究区风化石英片岩的裂隙宽度 如下：
全风化层：饱和渗透系数4.219m /s
；裂隙宽 度 2 ~5m m 。
强风化层：饱和渗透系数1.086m
/s ；裂隙宽
度 0. 5 ~ 5m m 。
因研究区中风化层及微风化层渗透系数很小， 且预计降雨人渗达不到中风化层，因此在采用有限 元分析计算时中风化层和微风化层采用饱水渗透系 数，因此本文仅以全风化层和强风化层为计算对 象。通过数据的计算拟合，所获取非饱和渗透系数 函数和体积含水量函数如图1所示。
3
岩块直剪试验分析
片理面的存在是石英片岩地层力学性质、强度 特征和破裂模式表现出明显各向异性特征的根本原
(7)
wuxiaworld
(8) (9)
(10)(11)
(5)(6)
•
170 •
表1点荷载试验成果表
天然与片理关系
c值/MPa'弧度'(。）饱和与片理关系c值/MPa'弧度'(°)样1垂直0.030.6637.8样1垂直0.010.5933.8样2垂直0.020.6537.2样2垂直0.010.5129.5样3平行0.020.4928.2样3平行0.010.4525.9样4平行0.070.528.8样4平行0.010.5330.1样5斜交0.010.6436.5样5平行0.010.3620.8样6斜交0.250.6235.4样6斜交0.010.4827.5样7斜交0.140.6336.1样7斜交0.020.6235.4
表2计算参数表
岩性残坡积全风化强风化中风化微风化饱和渗透系数/(cm/s)5.0310 ~034.2210-03 1.0910-037.1210-066.1210 ~08内聚力（//)/MPa0.080.160.190.320.4
内聚力（4 )/MPa0.080.230.250.440.58内摩擦角（//)/(。）2120232830内摩擦角（4)/(。）2122253142
干密度/(kg/m3)21002300235025602580孔隙率/825211683
程为06#岩层从上到下为残坡积土、全风化层、
强风化层、中风化层、微风化层，如图2所示。
4.1计算参数的选取
依据现场的渗水试验、点荷载试验、及岩体直
剪试验等，确定了不同岩土层的渗透系数、强度各
向异性情况，各种岩土层的基本物理性质参数见表2。
4.2初始条件和边界条件的确定
在计算饱和-非饱和渗流的过程中，将切坡表 面的边界条件设置为单位流量边界Q=7. 375m m/h，左右边界设置为不透水边界/=0，本文采用当地 区域历史平均降雨强度7.4m m/h，降雨持续时间为 6h，计算时间至64h剖面边界条件如图3所示。
渗流场计算采用G E O-S T U D I O的S E E P/C模 块，该模拟计算软件基于有限元理论分析方法对岩
图'剖面边界条件设置图歌王dvd
土体渗流问题进行计算，可以得到饱和-非饱和的 渗流数值计算结果，如图4所示。
5考虑各向异性边坡稳定性分析
研究区边坡稳定性计算采用g e o-s t u d i o中的 S L O P E模块，并考虑平行于片理方向和垂直于片理 方向物理强度的各向异性，从而求得相对客观的稳 定性系数，如图5、6所示。
•
171 •
丽
100100
90
80'
榧40 30
500
30 =300
30 -300
20 ^00
10-100
号孑安孑參々安矛歹夕夕夕
^ S 々令孕孑發々旁矛孑夕夕夕
^导号令孕彳參々吾矛歹夕夕#
距离
/m
距离
/m 距离
/m
(a) 2h 孔隙水压力分布图(b)4h 孔隙水压力分布图(c)6h 孔隙水压力分布图
90
檢40
300
30020=200
10 400
10-100
n i
I I I I I I I I I I I I II
^导兮爷安彳皆々旁矛旁夕
距离/m
(d)18h 孔隙水压力分布图
S
今令安导没々旁矛冷夕
距离
/m
(e )30h 孔隙水压力分布图 图4
剖面边界条件设置图
距离
/m
(f )64h 孔隙水压力分布图
1.286364
1.210317
1.146218
100
90
日60日60
^令令爷孕孑舍々孕矛^令令令孕今孕々爸矛
距离/m 距离/m
(a )初始边坡最危险滑面
(b)2h 边坡最危险滑面(c)4h 边坡最危险滑面
1.072178
1.074492
1.123465
日6C
m 5Q
聰50
植40
距离/m
距离/m 距离/m
(d)
6h 边坡最危险滑面(e )14h 边坡最危险滑面
(f ) 18h 边坡最危险滑面
1.127490
1.172442
S 60
聽50mo
距离/m
距离/m (g ) 30h 边坡最危险滑面
（h ) 64h 边坡最危险滑面
图）不同历时边坡最危险滑动面
• 172 *
°'9〇
20 40
中医英语
60 80
时间
/h
图3
降雨条件下稳定性系数曲线
主要内容和结论如下！
(1) 通过计算可得出降雨引起的人渗导致岩土 体含水量增加，孔隙水压力上升，基质吸力下降， 加大了岩土体的容重，并导致了岩土体抗剪强度的
降低。而在降雨过程中坡肩表层的残坡积土孔隙水
压力变化最为显著，全风化次之，强风化层孔隙水 压力变化较小。在降雨初期残坡积层最先形成暂态 饱和区，在降雨6h 停止后，暂态饱和区不断下移， 并在残坡积土层形成了孔空隙水压力区，随着雨后
坡内渗流的继续进行，高孔隙水压力区由降雨6h
时的大范围连接区域变成数块分割断裂的小区域，
并所属高孔隙水压力区不断下移到强风化层。(2) 在考虑到风化石英片岩物理强度的各向异性 情况下，运用G e o s tu d u 有限元软件的S L O P E 模块设
置该高切坡各向异性物理参数，分析在降雨过程中其
稳定性的动态变化，通过计算显示，由于在降雨停止 后坡内渗流继续进行，因此在边坡的稳定性分析上反 映出了稳定性系数的滞后性，在降雨6h 停止后边坡稳定性系数持续降低，在大约14h 时降为最低 1.107，并在后期有所回升，到计算的62h 时回升到 1.172，由此也反映出了坡体渗流的排干作用。并且 通过与刚体极限平衡方法综合分析边坡的稳定性可 分析出该高切坡在天然状态下稳定性良好，在该特 定降雨条件下历时降雨2h 时边坡稳定性尚且满足安 全要求，2h 以后边坡稳定性在安全储备上稍显不足。
参考文献
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(上接第83页）/G T S 软件研究该工程施工过程中支
护结构水平位移、基底隆起、支撑轴力等的变化规
律，并得到以下结论：
(1) 有限元M i a s /G T S 软件建立的工程模型很 好地模拟了基坑开挖的过程，够使基坑施工变得可 视化、信息化，可以为类似工程提供参考。
巴黎公社原则(2) 随着施工的进行，土体不断被挖出，支护
结构的深层水平位移不断增大，开挖面以上部分水 平位移明显比开挖面以下部分大，由于支撑作用， 桩体位移在支撑位置附近明显减小。
(3) 基坑坑底隆起规律为两边小中间大，类似
于倒扣的“盆”。可进一步通过现场监测数据对其
计算结果的正确性进行验证。
(4) 支撑轴力总体上呈由小变大并趋于稳定 的变化规律。在多道支撑中从上到下轴力依次增
大，其中靠近坑底的支撑轴力最大同时变化也
较大。
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.4.3.2.1.0 11 11 11 11
11
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