孟凡星
（长江大学城市建设学院，湖北 荆州 434023）
降雨是导致边坡失稳的重要因素之一，而崩塌、滑坡以及泥石流等边坡失稳的现象大多受降雨因素的影响。据我国统计边坡失稳的数据来看，大多数坡体失稳破坏与降雨有关，因滑坡而导致的失稳现象大多发生在雨季或降雨量较多的地区。降雨强度较大，降雨历时较久时，边坡破坏更加显著。降雨强度越大，降雨历时越长，雨水入渗率越快，边坡失稳破坏的可能性越大。
曹辉[1]分析了降雨入渗对滑坡机理的研究；
施戈亮等[2]通过尖点理论得出强降雨作用下岩质边坡失稳的判断依据；
叶万军等[3]通过ABAQUS数值模拟软件发现VG模型参数变化对排水不良土质边坡影响更加显著；
郭钊等[4]运用ABAQUS软件模拟降雨条件下的三维边坡应力场和渗流场的耦合分析，得出表层土体孔隙水压力呈现非线性的分布特征，达一定深度后呈现线性分布，孔隙水压力响应的时间与坡面的距离呈正相关；
叶雨柯等[5]利用饱和-非饱和的分析理论对边坡的水流量进行预测，为边坡的降雨入渗提供安全依据。范峥等[6]得出降雨强度、雨膨胀变形共同影响暂态饱和区的时空变化；
杜忠原等[7]研究表明降雨强度越大，边坡的负孔隙水压力消散的速度越快，导致雨水入渗速度越快，且在相同的计算时间内入渗深度也越深，边坡发生的破坏形式为在降雨阶段以浅层滑动。孙文杰等[8]得出随着降雨强度和降雨历时增加，三角形瞬态孔压分布函数法模拟渗流场计算的最小抗滑安全系数更低且减小的速率较快，对整体稳定性影响较大，使其发生局部或者整体滑坡；
马强等[9]利用非饱和力学有限元计算软件得出诱发山体滑坡的降雨入渗阈值为24h，累计雨量为100mm。黄剑斌等[10]利用不同的降雨工况下边坡安全系数和位移的关系得出残积土边坡失稳的预警方法；
马蓓青等[11]通过试验与模拟相结合得出降雨历时较长使土体含水率增加，造成土体的抗剪能力降低，从而引起滑坡。王磊等[12]通过人工模拟降水试验研究，实现降雨至边坡开裂的全过程，总结出边坡的开裂特征、破坏模式以及隔离槽的工程效应；
王一兆等[13]研究结果表明降雨期间，坡脚处孔隙水压力增大至饱和，坡顶处孔隙水压力持续增大接近饱和，停雨后坡顶处孔隙水压力降幅大于坡脚处，降雨前期各滑动面稳定性均持续减小，降雨后期坡顶滑动面安全系数趋于收敛，但坡脚滑动面安全系数仍持续减小，停雨后浅层滑动面安全系数均增大，深层滑动面则呈波动状态；
曾昌禄等［14］通过试验研究表明不同雨强条件下黄土模型边坡入渗深度均呈现坡脚最大、坡顶平台较大、坡中最小的规律，入渗速率则是坡顶平台最大、坡脚较大、坡中最小，且随着深度的增加，雨水入渗的能力逐渐减弱。随着雨强的增大，降雨入渗的深度越大，入渗速率越快，埋置同一深度处测点的体积含水率和基质吸力幅值变化越显著。
上述学者对单一影响条件进行分析较多，综合分析降雨强度与降雨历时对边坡影响的较少。鉴于此，本文通过数值模拟软件ABAQUS，结合荆州市边坡工程实例，着重分析降雨强度与降雨历时对边坡稳定性的影响。
达西定律最开始是从饱和土中进行推导出来的，在随后的研究中表明，非饱和多孔介质也遵循达西定律。
渗流存在两种形式即稳态渗流和非稳态渗流。稳态渗流的渗透系数是不随时间变化而发生变化的，而对于非稳态渗流系数是会随着时间变化而发生变化的。
对于非饱和土，其渗透系数与饱和度有关，然而饱和度则通常被表述成基质吸力的函数，为了探求饱和度对渗透性能的影响，在ABAQUS内部是以一个折减系数ks来考虑饱和度对渗透系数的影响。对于非饱和度渗流的出现，ABAQUS会默认当饱和度Sr＜1.0时，ks＝（Sr）3；
当Sr＞1.0时，ks＝1.0。计算中渗透系数k按照饱和度的不同修正为ks·k0，而非饱和土的孔隙水压力uw＜0，uw反映了材料的基质吸力[15]。
强度折减法是通过不断地对粘聚力和摩擦角折减，找出土体临界抗剪强度，此时，边坡失稳的安全系数就转化成边坡破坏时的抗剪强度临界值，这种方法现如今已经广泛用于工程领域，将其计算出的安全系数作为边坡失稳临界值的一个重要依据，其强度折减法公式如下：
式中：
c′，φ′——进行强度折减后的抗剪强度指标；
F r——强度折减系数。
本文主要通过对不同降雨时刻以及不同降雨强度对降雨后边坡抗剪强度值进行强度折减，只有当边坡破坏从坡脚贯通到坡顶，此时边坡发生破坏。通过所设定的场变量，找出对应发生临界失稳破坏的场变量值[16]。
本次模型的建立依据荆州地区边坡工程案例，对于降雨时边坡的稳定性进行分析，其边界限制边坡左右两侧的水平位移以及限制边坡底部水平和竖向位移。对边坡施加一个向下的体力数值设为10的载荷以及在坡顶、坡间、坡底处设置一个值为-0.01的表面孔隙流，对其左右10m处设置孔隙水压力数值为1，将坡底孔隙水压力数值设置为0。网格类型采用CPE4平面单元，网格划分的单元形状采用四边形，网格划分技术采用结构划分，网格划分单元数为268个。其模型设置的物理参数如表1。
表1 模型物理参数设置
4.1 降雨时间对边坡稳定性的影响研究
考虑降雨时长对边坡稳定性的影响分析，选取时长为24h、48h、72h以及96h。由于降雨时长与边坡稳定性的影响息息相关，此次选择的降雨强度为10mm/h。
在降雨强度一定时，随着降雨时长的持续，边坡土体的孔隙水压力逐渐增大，使饱和度增加，基质吸力降低，边坡浅层土体出现暂时饱和的趋势，而对深层土体的影响很小，这样会造成深层土体的抗剪强度较强，浅层土体的抗剪强度较弱，而且滑裂面会从深层土体向浅层土体进行过渡。
当降雨强度为定值时，随着时长的增加，边坡的安全系数逐渐降低，从而导致边坡发生失稳破坏，如表2所示。
表2 不同时刻边坡安全系数
由表2可知，当降雨强度为10mm/h时，降雨时长从24～96h时边坡稳定性安全系数下降了3.57%，说明降雨时长越久，对边坡安全性构成的威胁越大。
从图1可知，在降雨强度为10mm/h的情况下，各降雨历时对应的安全系数不同，在降雨历时为24h的时刻下，对应的边坡安全系数为1.457，在降雨历时为48h的时刻下，对应的边坡安全系数为1.450，在降雨历时为72h的时刻下，对应的边坡安全系数为1.426，在降雨历时为96h的时刻下，对应的边坡安全系数为1.405。
图1 降雨强度一定时不同时刻对应的边坡稳定性安全系数
对各个时刻对应的边坡安全系数进行线性拟合，拟合结果如图1所示，其边坡稳定性公式预测如下：
其中，x代表降雨历时；
y代表边坡稳定性安全系数，随着降雨历时的逐渐增加，边坡安全性不断降低，从而会导致边坡发生失稳破坏。
4.2 降雨强度对边坡稳定性的影响研究
由于降雨强度与降雨时长均对边坡稳定性的影响密切相关，本节主要研究降雨强度对边坡稳定性的影响，因此选择降雨时长为24h，降雨强度分别为10mm/h、20mm/h、30mm/h以及40mm/h进行研究。
随着降雨强度的增加，降雨入渗影响的深度越深，土体孔隙水压力响应得越早，降雨时孔隙水压力的增大速率也会越来越快。随着降雨速率大于土体入渗速率，降雨对土体所产生影响区域面积的幅度会变得越来越小。降雨结束后，坡脚处的孔隙水压力值大于坡中和坡顶处的孔隙水压力值。
根据上述模拟结果进行统计分析，得到不同降雨强度条件下的边坡安全系数，如表3所示。
表3 不同降雨强度下的边坡安全系数
由表3可知，随着降雨强度的增加，边坡的抗剪强度逐渐变弱，造成边坡安全系数降低，从而导致边坡发生失稳破坏。当降雨时长一定时，随着降雨强度从10mm/h上升到40mm/h时，边坡的安全系数从1.365下降到1.153，此时边坡安全系数下降了15.53%，对比表1中降雨时长从24～96h边坡的安全系数下降3.57%来说，降雨强度对边坡的破坏力度更大。对各个降雨强度对应的安全系数进行线性拟合，拟合结果如图2所示。
图2 拟合各个降雨强度对应的安全系数
其边坡稳定性公式预测如下：
其中：x代表降雨强度；
y代表边坡稳定性安全系数，随着降雨强度的增加，边坡安全系数不断降低，滑裂面塑性区域从坡脚贯通到坡顶，从而导致边坡发生失稳性破坏。
综上所述，研究不同降雨条件对边坡稳定性的影响，结论如下：
（1）随着降雨时长的增加，孔压有逐渐上升的趋势，使边坡基质吸力逐渐减少，坡顶抗剪能力降低，从而造成边坡失稳破坏。
（2）随着降雨强度的增加，孔压呈现上升趋势。当降雨强度小于土体入渗能力时，其坡顶的基质吸力不会呈现出明显的变化，当降雨强度大于土体入渗能力时，坡顶会暂时呈现出饱和的趋势，此时坡顶土体的抗剪强度表现出弱性，极易发生抗剪破坏，边坡安全系数大幅降低，从而导致边坡失稳破坏。
（3）降雨时长越久，对边坡安全性构成的威胁越大。降雨强度对边坡的影响大于降雨时长。
总之，此次模拟结果对工程有着实际的指导意义，因此，在以后的基坑工程开挖中，当工程进行放坡处理时，要及时进行护坡处理，防止坡面遭到雨水的侵蚀而发生失稳破坏。对于一般的坡面要利用土工膜进行护坡处理，对于大型的开挖坡面应利用喷混凝土护坡处理，避免雨水快速入渗土体，造成土体抗剪强度减弱，使边坡发生失稳性的破坏。
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