摘要：在降雨條件下，邊坡的穩(wěn)定性通常會受到影響。為探究不同降雨條件下邊坡穩(wěn)定性的影響，通過數(shù)值模擬方法，分析了不同降雨條件下邊坡安全系數(shù)的變化規(guī)律，并提出了相應(yīng)的防治措施。研究結(jié)果表明：降雨強(qiáng)度越高，邊坡內(nèi)部土體受到的水分入滲越多，導(dǎo)致其抗滑力降低，安全系數(shù)減小。降雨時(shí)間越長，邊坡內(nèi)部土體受到水分入滲的持續(xù)作用，導(dǎo)致其穩(wěn)定性下降。在考慮邊坡穩(wěn)定性時(shí)，需要充分考慮降雨條件對其影響，并根據(jù)不同的降雨情況，評估邊坡的安全儲備和采取相應(yīng)的防治措施。采用抗滑樁對邊坡進(jìn)行支護(hù)能顯著提高其穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：邊坡安全；有限元分析；邊坡穩(wěn)定性；防治措施

0 引言

邊坡是一種重要的地質(zhì)現(xiàn)象，在民生、交通、農(nóng)業(yè)等方面都扮演著重要的角色[1]。然而，降雨等天氣條件的變化極大程度上會影響邊坡的穩(wěn)定性，并可能導(dǎo)致嚴(yán)重的災(zāi)害事件[2]。

在降雨條件下，邊坡的穩(wěn)定性通常會受到影響，因此需要采取一些防治措施來確保邊坡的安全性。夏怡等[3]提出了針對降雨條件下邊坡的穩(wěn)定性分析方法和防治措施。史振寧等[4]通過數(shù)值模擬分析了不同坡度、不同土層厚度和不同降雨量條件下的邊坡穩(wěn)定性，并提出了加強(qiáng)坡體支撐、排水系統(tǒng)改善和表層加固等防治措施。袁中夏等[5]以滑坡為例，探討了降雨條件下土坡的穩(wěn)定性問題。研究結(jié)果表明，加強(qiáng)土坡的排水和加固表層是有效的防治措施。姚茂宏等[6]以雨季某市區(qū)邊坡為研究對象，分析了降雨條件下邊坡的穩(wěn)定性問題。通過數(shù)值模擬，得出了加固坡體、建設(shè)排水系統(tǒng)和定期巡查的防治措施，并提出利用遙感技術(shù)進(jìn)行邊坡監(jiān)測的建議。

本文通過建立有限元模型對降雨條件下邊坡的穩(wěn)定性及防治措施進(jìn)行綜合分析，討論了不同降雨條件對邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律，為邊坡工程的設(shè)計(jì)、施工及安全管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 穩(wěn)定性計(jì)算方法

邊坡穩(wěn)定性計(jì)算理論有多種方法，如極限平衡法、有限元法、有限差分法、隨機(jī)分析法等，其分別適用于不同的邊坡類型和工程條件。本文提出了一種基于有限元應(yīng)力的極限平衡安全系數(shù)分析法，用于評價(jià)邊坡的穩(wěn)定性。

該方法的步驟如下：先利用有限元軟件中的sigma/w模塊，以滲流-應(yīng)力耦合理論為基石，模擬邊坡的變形場和滲流場；然后將擬合結(jié)果輸入slope/w模塊中，根據(jù)擬合計(jì)算的應(yīng)力結(jié)果來求解邊坡安全系數(shù)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠考慮邊坡的非線性變形特性，以及滲流對邊坡穩(wěn)定性的影響，提高了邊坡安全系數(shù)的計(jì)算精度和可靠性。

2 有限元模型建立

為了探討降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響機(jī)制，本文構(gòu)建了人工邊坡的有限元模型。巖土體的單位重度為19kN/m3，內(nèi)摩擦角19.7°，粘結(jié)強(qiáng)度為26kPa，泊松比0.31。模型建立采用網(wǎng)格劃分的方式，共布局1600個節(jié)點(diǎn)，劃分為1550個單元。為準(zhǔn)確的監(jiān)測邊坡內(nèi)部滲流場的變化規(guī)律，本文選取模型的坡頂和坡面臺階部分作為監(jiān)測點(diǎn)。

為了研究降雨條件對人工邊坡穩(wěn)定性的影響，本文采用彈塑性本構(gòu)模型建立邊坡有限元模型。為了模擬不同的降雨條件，本文設(shè)置了4種工況，分別考慮降雨強(qiáng)度、類型、歷時(shí)、周期等因素的影響，研究工況設(shè)置見表1。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 降雨強(qiáng)度的影響

為了研究降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響，本文采用邊坡安全系數(shù)作為評價(jià)指標(biāo)，通過數(shù)值模擬方法，分析不同降雨強(qiáng)度下邊坡安全系數(shù)的時(shí)間變化規(guī)律。圖1給出了邊坡安全系數(shù)在25mm/d，50mm/d，100mm/d，和150mm/d等4種降雨強(qiáng)度下的變化曲線。邊坡安全系數(shù)是邊坡穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，其值越大，表明邊坡越穩(wěn)定，反之則越不穩(wěn)定。一般認(rèn)為，當(dāng)邊坡安全系數(shù)小于1.5時(shí)，邊坡處于失穩(wěn)的危險(xiǎn)狀態(tài)。

從圖1可以看出，隨著降雨持續(xù)時(shí)間的增加，邊坡安全系數(shù)呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢。這是由于降雨對邊坡內(nèi)部土體產(chǎn)生了入滲作用，使得土體的含水量增加，導(dǎo)致其抗滑力下降，從而影響了邊坡的穩(wěn)定性。

同時(shí)還可以發(fā)現(xiàn)，降雨強(qiáng)度對邊坡安全系數(shù)的下降速度有著顯著影響。在相同的降雨持續(xù)時(shí)間下，降雨強(qiáng)度越高，邊坡安全系數(shù)越低。當(dāng)降雨強(qiáng)度達(dá)到150mm/d時(shí)，邊坡安全系數(shù)在第10d就已經(jīng)下降到1.45，非常接近失穩(wěn)的臨界值。這表明，降雨強(qiáng)度越高，入滲量越大，土體抗滑力下降的幅度越大，邊坡失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)越高。

3.2 降雨歷時(shí)的影響

為了研究降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響，本文采用工況二的模擬條件，即降雨強(qiáng)度為100mm/d，降雨歷時(shí)為14d。工況二下邊坡穩(wěn)定性變化過程如圖2所示。

由圖2可以看出，在第1～5d內(nèi)，安全系數(shù)基本維持在1.54左右的水平，表明邊坡處于較高的穩(wěn)定狀態(tài)，沒有受到降雨的明顯影響。從第5d開始，安全系數(shù)逐漸呈現(xiàn)出線性下降的趨勢，表明邊坡穩(wěn)定性開始下降，這可能是由于降雨導(dǎo)致邊坡內(nèi)部土層的水分含量增加，從而影響了邊坡的抗剪強(qiáng)度。到第14d時(shí)，安全系數(shù)下降到1.46左右的水平，表明邊坡已經(jīng)進(jìn)入了極不穩(wěn)定的狀態(tài)，存在失穩(wěn)破壞的可能性。這可能是由于降雨導(dǎo)致邊坡內(nèi)部土層的基質(zhì)吸力發(fā)生了劇烈的變化，從而影響了邊坡的穩(wěn)定性。圖2反映了工況二下降雨歷時(shí)對邊坡穩(wěn)定性的重要影響。隨著降雨歷時(shí)的增加，雨水滲透到邊坡內(nèi)部的土層深度越深，導(dǎo)致邊坡基質(zhì)吸力發(fā)生較大幅度的變化，從而使邊坡抗剪強(qiáng)度降低，安全系數(shù)減小。

3.3 降雨類型的影響

本文以工況三為例，分析研究降雨歷時(shí)和降雨類型對邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律。工況三是指降雨強(qiáng)度為100mm/d，降雨歷時(shí)為14d的情況。本文考慮了4種不同的降雨類型，分別為均強(qiáng)型、遞增型、單峰型和遞減型。這4種降雨類型在時(shí)間上的分布不同，反映了不同的降雨特征。本文采用安全系數(shù)作為邊坡穩(wěn)定性的評價(jià)指標(biāo)，通過數(shù)值模擬方法計(jì)算不同降雨類型下邊坡的安全系數(shù)隨時(shí)間的變化，并將結(jié)果繪制成圖3。

從圖3可以明顯地看出，邊坡的安全系數(shù)隨著降雨時(shí)間的延長而逐漸下降，說明邊坡的穩(wěn)定性受到了降雨的顯著影響。另外，不同的降雨類型也導(dǎo)致不同的安全系數(shù)變化，最終安全系數(shù)由高到低依次為均強(qiáng)＞遞增＞單峰＞遞減。這說明降雨類型也是一個重要的影響因素，不能忽視。邊坡內(nèi)部的土體由于受到雨水入滲的作用，其抗滑力下降，穩(wěn)定性降低，安全系數(shù)減小。且不同的降雨類型意味著不同的降雨強(qiáng)度分布。一般而言，降雨強(qiáng)度越大，雨水入滲量越多，安全系數(shù)下降的速度越快。

3.4 降雨周期的影響

為了分析降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響，本文基于邊坡穩(wěn)定性分析的理論模型，繪制了工況四下安全系數(shù)的變化曲線。工況四假設(shè)降雨強(qiáng)度為150mm/d，降雨時(shí)間為6d。這是一種極端的降雨情況，對邊坡穩(wěn)定性的影響尤為顯著。

從圖4中可以看出，隨著降雨天數(shù)的增加，安全系數(shù)呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢。在第4.5d時(shí)，安全系數(shù)達(dá)到最小值1.35，說明邊坡處于最不穩(wěn)定的狀態(tài)。在第4.5d之后安全系數(shù)有所回升，到第6d時(shí)安全系數(shù)約為1.38，邊坡穩(wěn)定性有所提高。

圖4中的曲線表明，降雨強(qiáng)度和降雨時(shí)間是影響邊坡穩(wěn)定性的兩個重要因素。降雨強(qiáng)度越高，邊坡內(nèi)部土體受到的水分入滲越多，導(dǎo)致其抗滑力降低，安全系數(shù)減小。降雨時(shí)間越長，邊坡內(nèi)部土體受到水分入滲的持續(xù)作用，導(dǎo)致其穩(wěn)定性下降。

此外，由于前期降雨的累積效應(yīng)，邊坡土體含水率增加，抗剪強(qiáng)度減少。在工況四下，由于降雨強(qiáng)度和降雨時(shí)間都很大，邊坡穩(wěn)定性受到嚴(yán)重影響，安全系數(shù)迅速下降，在第4.5d時(shí)達(dá)到最低點(diǎn)。因此，在工況四下，應(yīng)該重視邊坡的安全儲備和防治措施，防止邊坡發(fā)生滑坡。

4 邊坡穩(wěn)定性影響分析

針對上述實(shí)際邊坡工程在暴雨工況下失穩(wěn)的情況，本文采用了一種有效的邊坡加固措施，即抗滑樁支護(hù)。為了分析抗滑樁支護(hù)對邊坡穩(wěn)定性的影響，本文設(shè)計(jì)了4種不同的工況，分別考慮了樁間距、樁長和持力層的變化。

表2中列出了各個工況下邊坡的安全系數(shù)。從表2可以明顯看出，相比于未加固的邊坡，采用抗滑樁支護(hù)的邊坡穩(wěn)定性都有了顯著的提高。其中，工況三的安全系數(shù)最高，達(dá)到了1.87，說明該工況下的抗滑樁支護(hù)效果最佳。而工況二的安全系數(shù)最低，僅為1.61，說明該工況下的抗滑樁支護(hù)效果較差。

通過對比表2中數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)以下幾點(diǎn)規(guī)律：一是在樁長相同的情況下，樁間距越小，邊坡安全系數(shù)越高。這是因?yàn)闃堕g距越小，所形成的抗滑力越大，從而使邊坡更加穩(wěn)定。反之，樁間距越大，所形成的抗滑力越小，從而使邊坡更加不穩(wěn)定。二是在樁間距相同的情況下，樁長越大，邊坡安全系數(shù)越高。這是因?yàn)闃堕L越大，樁在土體內(nèi)的深度越深，從而使土體更加穩(wěn)定。反之，樁長越小，樁在土體內(nèi)的深度越淺，從而使土體更加不穩(wěn)定。三是在樁數(shù)量相同的情況下，抗滑樁位于邊坡上部的工況安全系數(shù)較高。這是因?yàn)檫吰律喜康耐馏w受到重力作用和水壓力作用的影響更大，因此需要更強(qiáng)的支護(hù)力量來保證其穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語

本文通過數(shù)值模擬方法，分析不同降雨條件下邊坡安全系數(shù)的變化規(guī)律，并從入滲作用和抗滑力兩個方面解釋了其變化機(jī)理。研究結(jié)論如下：

隨著降雨持續(xù)時(shí)間的增加，邊坡安全系數(shù)呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢。這是由于降雨對邊坡內(nèi)部土體產(chǎn)生了入滲作用，使得土體的含水量增加，導(dǎo)致其抗滑力下降，從而影響了邊坡的穩(wěn)定性。

邊坡的安全系數(shù)隨著降雨時(shí)間的延長而逐漸下降，說明邊坡的穩(wěn)定性受到了降雨的顯著影響。另外，不同的降雨類型也導(dǎo)致了不同的安全系數(shù)變化，最終安全系數(shù)由高到低依次為均強(qiáng)＞遞增＞單峰＞遞減。

降雨時(shí)間越長，邊坡內(nèi)部土體受到水分入滲的持續(xù)作用，導(dǎo)致其穩(wěn)定性下降。此外，由于前期降雨的累積效應(yīng)，導(dǎo)致邊坡土體含水率增加，抗剪強(qiáng)度減少。

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