土体湿度对建筑边坡稳定性的影响

田毓仁 马晋文 刘鹏翔

（中晋环境科技有限公司，山西 太原 030002 ）

建筑边坡的稳定性与周边环境的安全息息相关,而在复杂的自然环境下，建筑边坡岩土体受降雨、日照等诸多因素的影响而产生力学性能改变，从而导致稳定性下降。其中，土体中水含量对于边坡稳定性的影响极为突出，因此，本文针对土体湿度对建筑边坡稳定性的影响展开分析研究，旨在为降低边坡工程发生滑坡等灾害的风险提供理论参考。

1 基本方法

国内外众多学者通过开展试验与理论分析，提出了诸多建筑边坡稳定性的分析方法。目前应用较多的方法基本可分为两大类型，即有限元法和极限平衡法。

1.1 条带（块）法

条带（块）法是一种普遍应用的极限平衡法，其中包括Bishop 法、Janbu法等等。土体受重量、压力、荷载等作用而产生下滑力，同时因自身抗剪强度而产生抗滑力。条带（块）法将坡体假设为若干条带（块），通过计算各条带（块）沿滑动面的彼此平衡状态，以抗滑力Muit与下滑力Mact的比值作为稳定性系数F，以此对边坡的稳定性进行分析，如式1 所示。

一般情况下，应用条带（块）法时主要分析土体重量、压力、荷载、抗剪强度等，而不讨论水和土体介质差异性对边坡稳定性的影响。

1.2 强度折减法

在面对土体的应力变化和变形等复杂问题时，工程人员越来越普遍地采用有限元法进行数值分析计算，其中以强度折减法最为典型。强度折减法是在假设边坡土体抗剪强度无差异条件下，以抗剪强度指标除以折减系数得到新指标，如式2 所示。

将新指标代入有限元中进行计算，以临界破坏时的折减系数作为建筑边坡安全系数。

2 研究对象及特征

富含粘性矿物的红层风化泥岩抗风化能力非常低，岩土结构松散，自身抗剪强度较低，遇水后更加严重。据相关统计资料显示，我国西北地区大部分的滑坡灾害发生地都为红层风化泥岩。因此，本文选取位于我国西北地区的某砖砌单层独栋住宅建筑作为研究对象。据现场调查数据，该建筑边坡平均坡角为20°，岩土体为典型的红层风化泥岩，由于排水失当而造成边坡失稳。某次降雨后该住宅建筑基础位移，且发现架空层上部存在剪切破坏问题。

3 建筑边坡稳定性分析

3.1 计算方法

本文根据研究对象的具体情况，在综合考虑诸多主要影响因素后，选择以强度折减法对该建筑边坡稳定性进行计算分析。当岩土体的参数值持续下降时，屈服曲面空间将随抗剪强度指标的改变而越来越小，因此在超出界限后会出现失真问题。针对这一问题，本文采用本构方程积分的迭代方法改变给定点的应力状态，通过重置应力分布使超出界限的点回到屈服曲面空间内。

综上，本研究中计算目标建筑边坡稳定性系数的方程如式3：

式中 C0，φ0为研究模型的初始参数值；Cf，φf为迭代过程中未收敛的研究模型参数值。

根据模型参数值的迭代收敛过程，得到对应的滑动面。通过以下方程计算求取弹-塑性模型所描述的屈服曲面内摩擦角与粘聚力：

式中P′为平均应力值；q 为偏应力值；θ 为弯曲角。

由式4 可知应力不变量决定了给定点位置与屈服面之间的关联，使给定点位置在屈服状态时无法移动到屈服面之外。

同理，在非摩擦角与粘聚力决定屈服空间位置的情况下，仍以此方法使决定屈服空间位置的相应参数减小，使屈服面与稳定系数保持正比关系。

3.2 计算过程

根据前文所述稳定性分析方法，选用Z-Soil 软件进行模型模拟试验。本试验假设变形状态为扁平变形，以4 节点四边形有限元描述建筑边坡岩土体，构建如图1 所示建筑边坡稳定性试验模型。

针对地下水的影响，本试验中采用双组分介质形式，以水、土两种介质对土体成分进行描述。根据达西定律，达西系数取值k=0.1m/d，V 为水的流速，i 为液压下降，则渗流表达式如下：

本试验中假定土体渗流为稳定流，不考虑渗流场随时间变化的影响情况。根据太沙基定律，土体有效应力与孔隙内水压间的关系如下：

3.3 分析流程

本文的主要试验分析流程如下：

（1）分析土体以及建筑物自身重量所产生的应力情况；

（2）设定荷载为均匀分布条件下，分析建筑边坡荷载；

（3）设定水流速为0.03m/d 条件下，分析渗流的附加边界条件；

（4）以前文所述计算方法，计算模型的稳定性系数。

稳定性系数大于1 即为永久平衡状态，但通常取1.3 作为安全系数。考虑到本试验的土体介质为粘性土，其抗剪强度受含水量因素影响较明显，因此分析中设定边坡的稳定性系数低于1，即不稳定状态。设定坡顶地下水位埋深为1.0m，坡底为2.0m。本试验中水渗流过程的边界条件如图2 所示：

3.4 分析结果

根据分析流程对试验结果进行分析，从图2 所示的渗流分析图中可以发现，建筑周边土体介质中水流速较大，在渗流作用下，建筑物地基以及边坡的稳定性受到较大的不利影响。导致这一问题的主要原因是由地形因素导致的水力坡度，同时也考虑降雨入渗因素的影响。

试验得到建筑边坡整体滑移模型图，如图3 所示。

根据图3 可知，该建筑边坡可能发生两种滑移情况。图3-a 为建筑边坡结构大体保持完整的状态下随土体整体滑移；图3-b 为边坡局部发生浅层滑移。其中，建筑边坡局部浅层滑移将出现剪切破坏等情况，与本文所选取的砖砌单层独栋住宅建筑所发生的情况基本相同。通过数值分析结果发现，建筑边坡的土体强度对稳定系数的影响非常明显。此外，建筑边坡土体中的水压力也有较大的影响作用，降雨后雨水渗入建筑边坡土体中使孔隙水压力改变，导致建筑边坡土体抗剪强度大幅下降。

4 结论

本文以我国西北地区某建筑边坡作为研究对象，运用有限元软件进行了数值模拟试验，以强度折减法进行计算分析。模拟试验的分析结果表明，土体含水量对土体强度产生极大影响，而土体强度的改变对建筑边坡的稳定性有着巨大影响。若排水措施不当，极易受地形、降水等因素而导致土体含水量增加，从而导致建筑边坡发生破坏情况。模拟分析结果与研究对象的实际情况基本符合，由此可确定本研究对于今后建筑边坡工程有着较为可靠的理论参考价值。