基于考虑含水率对土体抗剪强度参数影响的边坡稳定性分析

王存利 唐栋 李毅峰 蒋中明 王亚雄

摘  要：降雨是诱发滑坡的关键因素，一般认为其致灾机理主要在于导致土体重度增加、孔隙水压力提高及土的抗剪强度降低。然而在水的作用下，土体抗剪强度参数还存在一定的弱化现象，这对边坡的稳定性有一定的影响。该文以东岭信滑坡为研究对象，基于对滑带重塑土的直剪试验，研究含水率对土体抗剪强度参数的影响，并基于GeoStudio软件二次开发实现考虑含水率对土体抗剪强度参数影响的边坡稳定性分析。结果表明，抗剪强度参数随含水率的增加而逐渐减小，滑带土的黏聚力和内摩擦角整体上均可与含水率拟合成线性关系。忽略水对岩土体抗剪强度参数的弱化作用会高估边坡的稳定性。研究结果对于进一步认识降雨诱发滑坡机理具有一定理论意义。

关键词：非饱和土；边坡稳定；抗剪强度；含水率；数值模拟

中图分类号：TU94+3.2      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）06-0061-04

Abstract： Rainfall is the key factor to induce landslides， and it is generally believed that the disaster mechanism mainly lies in the increase of soil weight， the increase of pore water pressure and the decrease of shear strength of soil. However， under the action of water， the shear strength parameters of soil still have a certain weakening phenomenon， which has a certain impact on the stability of the slope. Taking Donglingxin landslide as the research object， based on the direct shear test of remolded soil in sliding zone， the effect of water content on soil shear strength parameters is studied， and the slope stability analysis considering the effect of water content on soil shear strength parameters is realized based on the secondary development of GeoStudio software. The results show that the shear strength parameters decrease gradually with the increase of water content， and the cohesion and internal friction angle of sliding zone soil can be linearly related to water content as a whole. Ignoring the weakening effect of water on shear strength parameters of rock and soil will overestimate the stability of slope. The research results have certain theoretical significance for further understanding the mechanism of rainfall-induced landslides.

Keywords： unsaturated soil; slope stability; shear strength; water content; numerical simulation

受特殊的地质地貌和气候条件影响，我国是世界上受泥石流、滑坡等地质灾害危害最严重的国家之一[1]。大量的研究与工程实践已证实，水对边坡稳定性的影响是非常显著的[2]，其致灾机理主要在于边坡内岩土体含水率发生变化导致土体重度增加、孔隙水压力提高及土的抗剪强度降低等[3]。

为准确计算边坡稳定性，众多学者针对边坡内部含水率受降雨入渗影响的分布变化规律，通过不同的途径开展了大量研究。潘永亮等[4]基于改进Green-Ampt模型，推导了可适用不同降雨的入渗函数，理想地描述了边坡降雨入渗情况。靳红华等[5]基于Chen-Yong改进模型，對具有两级台阶的高切边坡进行研究，揭示了高切边坡在不同降雨工况下的内部渗流场的演化规律。Tang等[6]基于三峡库区实测降雨资料，研究了不同初始条件对不同土体边坡稳定性影响，建议了能够反映边坡含水状态的初始条件选取方法。史振宁等[7]通过室内一维降雨入渗模型试验，研究了在考虑边坡内部初始含水率分布时，坡体内部含水率在降雨入渗条件下的变化规律，为准确把握降雨入渗条件下坡体内部渗流情况及边坡稳定性提供了理论依据。陈善雄等[8]基于极限平衡法，提出了一套考虑降雨入渗的非饱和土边坡稳定性分析方法。李宁等[9]基于有限元强度折减法，在ABAQUS有限元软件中将土体抗剪强度参数设置为场变量的函数，对边坡稳定性进行分析。Tang等[10]基于简化Bishop法和Janbu法，提出了考虑暂态饱和区的边坡稳定性分析方法。这些研究为边坡稳定性分析提供了重要参考，但忽略了水对岩土体抗剪强度参数的弱化作用，可能影响到边坡稳定性评估的准确性。

滑带土是指在滑坡的发生和发展过程中遭受挤压、剪切、搓揉和研磨，而在滑带内特定的物理化学条件下所形成的强度较低，呈可塑状、软塑状甚至流塑状的岩土体。其包含了多种黏土矿物成分，并沿滑坡面沉淀和聚集。滑带土的含水率对其抗剪强度有着重要的影响[11]。

本文以东岭信滑坡堆积体为研究对象，基于对滑带重塑土的直剪试验，研究含水率对土体抗剪强度参数的影响，并基于GeoStudio软件二次开发实现了考虑含水率对土体抗剪强度参数影响的边坡稳定性分析。

1  研究区概况

东岭信滑坡堆积体位于三板溪水电站库区上游的右侧，为清水江河流“Z”字形转弯段，堆积体部位在河段右岸呈弧形凸出。此处原河床江面狭窄，宽50～60 m，原河床水面高程约427 m，河床高程423 m左右。堆积体的北东、东侧为三板溪水库临库岸坡，北西侧和南侧为山脊，约高程700 m。勘察资料显示，东岭信滑坡堆积体的地下水埋深较深。根据2019年4月至2022年4月连续3年DSW1、DSW2、DSW3和DSW4四个地下水位的监测数据，即使在雨水充沛的季节，受降雨影响库区水位出现上升，該地区的地下水位仍表现稳定，受降雨影响很小（图1）。

根据地质勘察资料，滑坡体滑带处于边坡体较深处，且整条滑带沿地下水位分布，如图2所示，滑带的位置一般是边坡土体抗剪强度较弱，抗滑力难以维持边坡自身的稳定。从图2中可以清楚看到，整条滑带完全处于地下水位之下，而滑带下方是基岩，所以可以理解为滑带是浸在水中的土体，以至于其抗剪强度参数很容易被水弱化。

2  试验研究

为研究含水率对滑带土体抗剪强度参数的影响规律，在实验室内对滑带土进行重塑制样，通过直剪试验测定不同含水率土体的抗剪强度参数，并用数学方法描述含水率与滑带重塑土体抗剪强度参数的关系。

根据滑带土的勘察分析报告，根据实测重塑滑带土试样的液限和塑限的结果，预设了5种含水率，分别为11%、13%、15%、17%和20%。按照GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》对不同含水率的各组滑带重塑土样进行直剪试验，直剪仪的剪切速率设定为0.02 mm/min，最大剪切位移设定为4 mm。

试验得到的不同含水率土体对应的抗剪强度参数如图3所示。可见，随着含水率的增加，土样的黏聚力和内摩擦角均呈现减小趋势，并且具有良好的线性关系。其中黏聚力c的拟合公式为c=-1.006 ω+39.033，内摩擦角?的拟合公式为?=-1.689 2ω+43.5，二者的拟合优度均在0.9以上，拟合效果较好。

3  数值模拟分析

本节将设置一个降雨案例，利用GeoStudio软件的SEEP/W和SLOPE/W 2个模块，实现分析降雨条件下考虑含水率对土体抗剪强度参数影响的边坡稳定性分析。

3.1  数值模型

以东岭信滑坡堆积体2-2剖面为基准建立数值分析模型，如图4所示。模型包含稳态渗流、瞬态渗流和边坡稳定分析3个部分，以稳态渗流分析结果作为瞬态渗流分析的初始条件，边坡稳定性分析则基于瞬态渗流结果进行。

降雨工况选定为均匀型降雨，降雨强度为30 mm/d，属于大雨等级，降雨历时24 h，然后以模拟此工况的降雨为瞬态渗流分析的边界条件，施加在模型地表面，得到此降雨工况作用下边坡体内部岩土体积含水量分布情况如图5所示。经分析，基岩以上的土体体积含水量等值线呈近似指数函数或直线函数形式分布，各等值线两两基本平行，并且随着土体深度的增加相邻2条曲线间的距离逐渐减小。

在本案例的降雨条件下，边坡体基岩上部土体积含水量分布可以近似用数学的方式描述，具体数学关系式如式（1）所示

θ=0.000 45x+0.001 5y+0.835 5 ， （1）

式中：θ为体积含水量；x为横坐标，y为纵坐标。

联立含水率与滑带重塑土体抗剪强度参数的数学模型和含水率与模型位置坐标的数学模型，建立滑带土体抗剪强度参数与位置坐标的数学模型，如式（2）和式（3）所示，以确定该降雨工况下边坡中某点土体抗剪强度参数。

c=-0.000 26x+0.000 88y+38.544 3 ， （2）

?=-0.000 44x+0.001 47y+42.679 4 ，（3）

式中：c为黏聚力，kPa；?为内摩擦角°。

然后利用C#语言将上述建立的数学关系式写成动态链接库，放入软件接口里，供SLOPE/W执行程序在运行时调用。

3.2  边坡稳定性分析

根据以上考虑含水率对土体抗剪强度参数影响的方法，对边坡稳定性进行计算得到的安全系数为1.019；而不考虑含水率对边坡土软化的影响，边坡的安全系数为1.240。不考虑含水率对土抗剪强度参数的影响，将高估边坡的稳定性。此外，对比图6和图7可以发现，考虑水对边坡土的软化作用时，边坡的最危险滑移面是发生在滑带位置处的；而未考虑水对边坡土的软化作用时，边坡的最危险滑移面是发生在滑带位置以上的土层的。可见，考虑水对土体的软化作用时，边坡的最危险滑移面发生位置较深，这也与东岭信滑坡堆积体的勘察资料更一致。所以，考虑含水率对土体抗剪强度参数的影响，可以有效提高利用数值模拟分析非饱和土坡稳定性的准确性。

4  结论

1）滑带土室内慢剪试验成果表明，随着含水率的增加，土体的黏聚力和内摩擦角均呈现减小趋势，并且具有良好的线性关系。

2）基于GeoStudio软件二次开发实现了考虑含水率对土体抗剪强度参数影响的边坡稳定性分析。结果表明，忽略水对岩土体抗剪强度参数的弱化作用会高估边坡的稳定性。考虑水对土体的软化作用时，边坡的最危险滑移面发生位置更深，数值模拟的结果与勘察资料更接近。进行非饱和土边坡稳定性分析时，考虑含水率对土体抗剪强度参数的影响是非常有必要的。

参考文献：

[1] 唐栋，李典庆，周创兵，等.考虑前期降雨过程的边坡稳定性分析[J].岩土力学，2013，34（11）：3239-3248.

[2] 苏永华，李诚诚.强降雨下基于Green-Ampt模型的边坡稳定性分析[J].岩土力学，2020，41（2）：389-398.

[3] 杨世豪，苏立君，张崇磊，等.强降雨作用下昔格达边坡渗流特性及稳定性分析[J].土木与环境工程学报（中英文），2020，42（4）：19-27.

[4] 潘永亮，简文星，李林均，等.基于改进Green-Ampt模型的花岗岩残积土边坡降雨入渗规律研究[J].岩土力学，2020，41（8）：2685-2692.

[5] 靳红华，王林峰，任青阳，等.基于Chen-Young模型及不平衡推力法的降雨型高切坡稳定性演化过程分析[J].重庆交通大学学报（自然科学版），2022，41（5）：107-117.

[6] TANG D，LI D， CAO Z. Slope stability analysis in the Three Gorges Reservoir Area considering effect of antecedent rainfall[J].Georisk： Assessment and Management of Risk for Engineered Systems and Geohazards，2017，11（2）：161-172.

[7] 史振寧，戚双星，刘登生.考虑初始含水率分布的覆盖层边坡非饱和入渗过程与稳定性计算方法[J].工程地质学报，2022，30（4）：999-1009.

[8] 陈善雄，陈守义.考虑降雨的非饱和土边坡稳定性分析方法[J].岩土力学，2001（4）：447-450.

[9] 李宁，许建聪.基于场变量的边坡稳定分析有限元强度折减法[J].岩土力学，2012，33（1）：314-318.

[10] TANG D， JIANG Z， YUAN T， et al. Stability Analysis of Soil Slope Subjected to Perched Water Condition[J].Ksce Journal of Civil Engineering，2020，24（9）：2581-2590.

[11] 苗发盛，赵帆程，吴益平，等.基于渗透-环剪试验的三峡库区童家坪滑坡滑带土强度特性研究[J].岩土工程学报，2023，45（7）：1480-1489.