降雨入渗对结构性黄土边坡稳定性的影响研究

摘 要：为了研究降雨入渗对结构性黄土边坡稳定性的影响，取某地边坡黄土为研究对象，进行了不同含水量对黄土的黏聚力和内摩擦角的试验研究，分析含水量对黄土的抗剪强度的影响研究，研究了含水量变化对边坡稳定的影响，希望本文对黄土覆盖地区的边坡稳定性分析提供帮助。

关 键 词：黄土;边坡;含水量;稳定性

1 引 言

黄土作为一种第四纪沉积物，其结构性与其物理力学特性联系密切。当黄土的含水量发生变化时，其结构性将发生较大的变化。

当黄土边坡遭遇降雨时，其稳定性受到较大的影响。黄土常处于干旱半干旱地区，地下水埋藏较深，致使黄土常处于非饱和状态，土中气的存在使边坡黄土产生负孔隙水压力，即基质吸力，增加了土颗粒间的压力和土体抗剪强度，使得边坡处于稳定阶段。当降雨入渗时，含水量的变化减小了黄土的基质吸力和土体抗剪强度，从而降低了黄土边坡的稳定性。

由于基质吸力的存在，使得饱和土的有关理论无法直接应用于非饱和土。Terzighi提出的有效应力公式在描述饱和土性状方面取得了较大的成功，使得人们把建立非饱和土的有效应力公式作为研究目标。国内外学者建立的非饱和土的抗剪强度公式主要由摩尔-库伦抗剪强度公式并引入基质吸力而发展起来的。法国科学家库伦总结土的破坏现象和影响因素，提出土的破坏公式为：

式中为抗剪强度;为凝聚力;为正应力;为内摩擦角。

后来随着有效应力原理发展，人们认识的只有有效应力的变化才能引起强度的变化，库伦将公式更新为：

式中为有效正应力;为超静孔隙水压力;为土的有效凝聚力;为有效内摩擦角。

自Bishop和Fredlund对非饱和黄土的结构强度研究引入基质吸力后，越来越多的人把基质吸力作为研究非饱和黄土的重要枢纽。

Bishop（1960）首先提出了抗剪强度的公式：

式中为孔隙气压力;为孔隙水压力;为土的类别和饱和度有关的参数。为基质吸力。

Fredlund（1978）提出了双变量的公式：

式中为抗剪强度随基质吸力而增加的速率。

Vanapalli等人在非饱和土微观分析的基础上，将内摩擦角与土中含水量的变化通过土-水特征曲线联系起来，得出了与的关系式表示如下：

式中为体积含水率;为残余体积含水率;为饱和体积含水率。

在此基础上提出了非饱和土抗剪强度的经验模型，来预测非饱和土的抗剪强度，非饱和土的抗剪强度表示为：

根据研究表明，非饱和土的基质吸力随含水量的增加逐渐降低，在含水量达到一定值后，基质吸力稳定在一较小的变化范围内，在土体达到饱和后基质吸力为零。

针对降雨入渗对黄土边坡稳定性的研究，近年来，许多学者做出了较多的工作。朱丽娟等[1]通过对非饱和黄土的土-水特征曲线和渗透系数-基质吸力关系曲线及其参数，通过非饱和渗流计算，研究了降雨对非饱和黄土边坡含水量的影响。张少宏[2]定性分析了降雨强度、降雨历时以及土壤渗水性对土壤含水量的变化的影响，定量地分析了含水率变化与黄土抗剪强度的关系，并通过计算分析了不同入渗深度对黄土边坡稳定性的影响。刘永涛[3]以饱和-非饱和渗流理论和非饱和土力学理论为基础，以大型岩土分析软件FLAC-3D为研究平台，详细分析并研究了垂直节理发育明显的黄土边坡在雨水入渗过程中，水分分别沿大裂隙和土壤孔隙下渗的过程以及水分在土体中再分配的过程。王建华[4]根据雨水入渗在土坡内引起的土壤容重和土体的强度变化，得到体积含水量与强度指标的拟合公式，对非饱和黄土边坡的稳定进行了可靠度分析，求得了土坡的失效概率，对工程的安全可靠性做出来评价。雷叶[5]通过大量的数据和实例，引出滑坡作为一种主要地质灾害以及滑坡与降雨的密切关系，绘制毕肖普条分法程序，计算土坡在降雨入渗各个时刻安全系数。孙博[6]结合兰州某滑坡治理工程，根据降雨强度和持续时间计算边坡浅层土体在不同时刻的含水量，运用非饱和土抗剪强度理论，对降雨条件下黄土边坡的稳定性进行了分析。

2 工程地质资料

2.1 工程概况

B12K105+950～ B12K106+135路錾位于陕西省某市，该处路线走向约283°。属于丘陵地貌，路线大致沿丘陵边缘展布，山体坡向约157°，自然坡度约为25°～35°，该路錾范围内地面高程383.5m～416.3m，最大相对高差32.8m。边坡附近仅有简易小路通过，交通不便利，经济不发达，居民生活较贫困，农业以种植玉米为主，副业以果木种植、家畜、家禽养殖较多。

2.2 试样设备

剪切试验采用ZJY-3X型等应变直剪仪。

图1 实验用直剪仪

3 降雨入渗对黄土含水量的影响

黄土地区的地下水一般埋藏较深，土壤含水量的变化主要是由于降雨入渗引起，而降雨对土壤含水量的影响范围受以下几方面的影响：

降雨强度小于土壤的入渗强度时，降雨会全部深入土壤渗入土壤并引起含水量的变化，此时入渗深度会随着降雨强度增大。当降雨强度大于入渗强度时，入渗深度达到最大值并固定。

当降雨强度一定时，土壤含水量、入渗深度随降雨历时增大而增大。

4 降雨入渗对黄土抗剪强度的影响

当降雨入渗时，黄土的含水量会发生变化，含水量的变化会对黄土的颗粒级配、颗粒排列、联接方式等造成影响，进而影响黄土的黏聚力和内摩擦角等，影响黄土的抗剪强度，进而影响黄土边坡的稳定性，本文选取不同含水量的黄土进行抗剪强度试验。

5 结论

黄土高边坡的稳定性与黄土的抗剪强度有着重要的关系，本文对某地进行了不同含水量下的抗剪强度试验，可知黄土的黏聚力和内摩擦角均随着含水量的增加而减小，但黏聚力的降低值大于内摩擦角，总体来说，含水量的增大降低了黄土的抗剪强度，从而降低了黄土边坡的稳定性。

参考文献（References）： 朱丽娟，王铁行，胡.降雨对非饱和黄土边坡含水量变化规律分析[J].地下空间与工程学报.2009，5（1）：95-99 张少宏，康顺祥，李永红.降雨对黄土边坡稳定性的影响[J].水土保持通报.2005，25（5）：42-44 武彩萍.人工降雨条件下黄土边坡的室内模型试验研究[M].西北农林科技大学硕士论文