1.2 边坡稳定性影响因素及分析方法

我国中西部地区处干旱半干旱带内，绝大多数边坡属于非饱和土边坡。因此，合理分析非饱和土边坡稳定性具有十分重要的意义。非饱和土力学理论已基本形成，这给实际边坡工程应用提供了理论指导，同时计算技术的发展也为相关研究提供了新的途径和方法。

目前，关于非饱和土边坡稳定性分析的研究成果大多基于Bishop（1960）和Fred-lund（1978）提出的非饱和土强度理论公式开展的。

土体中各点的抗剪强度会由于基质吸力的不同产生变化，无论是均质土还是非均质土，都会引发边坡土体强度方面的不均匀问题。此外，众多研究表明基质吸力是研究处于非饱和状态土体的抗剪强度、应力—应变关系、固结以及非饱和土体中的应力分布、地下水渗流等各种重要研究问题的核心问题。在非饱和土边坡稳定分析中如何正确把握边坡非饱和带中基质吸力随外界条件的变化及其与非饱和土体抗剪强度之间的关系，对于非饱和土边坡稳定性的安全研究和分析具有重要意义。近年来，伴随着大规模的工程建设，人类活动对自然界与气候的影响更为明显，针对暴雨等极端气候诱发滑坡的问题，降雨入渗引起的暂态渗流场和裂隙影响定量分析均对斜坡的安全稳定性分析起着控制作用。如何计算雨水入渗在边坡土体中引起的渗流，建立完整的控制方程并求出各种边值问题的解几乎是不可能的。目前饱和—非饱和渗流与非饱和土力学在降雨诱发滑坡中的研究已经形成了一些理论，并取得了一定的成果。可是由于力学参数和渗透系数的各向异性，岩土本构关系上复杂的非线性等原因，使得许多研究方向还有待进一步探索和研究。此外，众多边坡失

稳的事例证明，刚体极限平衡理论得出结果必须与数值分析结合才能得到与实际情况较为接近的结果，但对于非饱和土滑坡中基质吸力非均匀分布场和水的渗流作用，传统的边坡稳定性分析方法却是无能为力，因此，合理的非饱和土边坡的稳定性分析方法需要借助于数值计算，并能同时考虑基质吸力在边坡中的分布情况与变化以及非饱和土渗流状态的变化。

1.2.1 边坡稳定性的影响因素

触发非饱和土滑坡的因素是多种多样的。从内因和外因来看，主要包括以下几个方面。

1.2.1.1 内因

1.基质吸力

非饱和土的胀缩性质、固结和变形性质、抗剪强度以及土中水的运动等都无不与吸力有很大关系。基质吸力作为非饱和土最根本的特性，一直以来都是研究的焦点。在天然土坡中，由于吸力的存在，土体抗剪强度较高，土坡是稳定的，一旦发生降雨，雨水渗入土体，或者地下水升高，土体饱和度增加，吸力就会锐减并引起抗剪强度大幅度下降，进而引起边坡失稳（李荣建，2011）。黄润秋等（2002）论述了滑坡基质吸力观测研究的现状；吴俊杰等（2004）通过试验和计算分析，揭示了基质吸力对边坡稳定性所起的重要作用；李兆平（2000）研究表明，基质吸力在控制非饱和土的力学性状方面起着十分重要的作用，它对边坡稳定性有着明显的影响；郭璇、赵成刚（2005）综述了非饱和土边坡的安全分析与进展状况，强调了基质吸力对非饱和土边坡稳定的影响是至关重要的。

2.各种特殊非饱和土的固有特性

黄土是干旱半干旱地区特殊环境条件下沉积形成的，以粉粒为主，具有大孔隙，富含盐分，对水作用敏感，具有一定结构性的特殊土。黄土的结构性和湿陷性对黄土边坡的工程性质影响很大，研究黄土的结构性和湿陷性对解决实际黄土边坡的工程问题有着重要的理论和实际意义。

膨胀土最显著的工程性质是胀缩性、多裂隙性和超固结性。胀缩性是导致多裂隙性和超固结性的主要原因；多裂隙性使土体渗透性增大，抗剪强度降低，并且使抗剪强度参数离散性增大；超固结性使土体具有较大卸荷回弹膨胀以及渐进性破坏特性。膨胀土胀缩性、裂隙性、超固结性三者相互作用，共同决定着土体的抗剪强度。因此，研究膨胀土必须考虑膨胀土本身的多裂隙性和超固结性。

1.2.1.2 外因

1.降雨对滑坡的影响

降雨是一种常见的天气现象，同时也是众多工程事故的主要诱发因素之一。非饱和土边坡稳定最突出的问题是降雨入渗诱发的边坡失稳。降雨入渗使得边坡浅层土体中含水量升高，并可能导致滞水的发生，以致土体中原有的吸力及其抗剪强度的贡献降低甚至完全丧失，边坡稳定安全系数可能因此而降低。

在边坡工程中，由于降雨入渗的作用，边坡的稳定问题成为一个饱和—非饱和状态水的渗流和含水量变化引起非饱和土强度降低的复杂工程问题。根据非饱和土力学理论可知，随着降雨雨水渗入土坡，边坡非饱和区上部的含水量逐渐增大，形成暂态饱和区，暂

态饱和区中存在暂态水压力。暂态饱和区逐步向边坡内部进行扩展，影响的范围逐渐扩大，基质吸力逐渐降低，由于孔隙水压力的升高，导致滑移面处土的抗剪强度降低，降低边坡的稳定性。与此同时，随着边坡非饱和区的含水量增高，在边坡内部形成非饱和渗流，导致边坡的滑动力增大，进一步降低边坡的稳定性。此外对于边坡工程而言，降雨入渗增加了边坡土体自身的重量，从而增加了边坡的荷载，降低了边坡的稳定性。

对于土质边坡，降雨入渗条件下边坡稳定的分析和评价方法虽然发展较早却并不成熟。首先，根据边坡的边界条件和土层剖面进行非饱和—饱和渗流分析，获得不同降雨入渗条件下的孔压场（包括地下水位以上的吸力场）。然后，将获得的孔压场输入到边坡稳定分析程序（如采用极限平衡法），计算不同降雨入渗条件下的边坡稳定安全系数。

但降雨入渗是一个复杂的过程，包括坡顶入渗、坡面入渗、顺裂隙入渗、裂隙向土体渗流和重力条件下土体内渗流等多种形态。当降雨强度小于边坡土体渗透系数时，降雨很容易渗流到土体深部饱和区，直接补给地下水，而浅部土体难以达到较高的饱和度，边坡处于稳定状态。当降雨强度大于边坡土体的入渗率时，随着降雨，雨水渗入边坡表层土体，使得边坡非饱和区上部土体的含水量逐渐增大，基质吸力逐渐降低，边坡内出现暂态饱和区，暂态饱和区逐渐向内部扩展，边坡坡面上出现正的水压力（暂态水压力），影响边坡稳定。此外，坡面形成地表径流，对坡面造成冲刷，进一步降低了土体的稳定性。与此同时，降雨时，雨水渗透到土体表层中，使得土坡非饱和带土体的基质吸力不断降低，随着基质吸力的降低，使得土坡非饱和带土体的抗剪强度下降，进而导致土坡的稳定性显著降低。因此，当降雨历时和强度超过一定的极限限度时，土坡则会失稳，产生滑坡。

降雨对滑坡影响的机理很多。例如，降雨产生的渗流，增加了土体的滑动力；降雨入渗使土体含水率提高、基质吸力减小或丧失、动静水压增加、裂隙充水扩张、抗剪强度指标由有效应力指标变成固结不排水指标，其中降雨强度、降雨历时和雨型等因素对形成非饱和土边坡的暂态渗流场及斜坡的安全稳定性有着明显的影响。因此，Fredlund运用有限元法模拟暂态渗流过程，并对边坡的稳定性进行了参数研究。结果表明，较高降雨强度引起安全系数显著降低，但是该文在研究中没有考虑危险滑移面的位置受降雨影响会发生变化情况。吴宏伟等（1999）针对香港地区的一种典型非饱和土斜坡，用有限元法模拟雨水入渗引起的暂态渗流场，研究了降雨特征、水文地质条件及坡面防渗处理等因素对暂态渗流场和边坡安全因素的影响，但是该文在研究中没有考虑雨水入渗随着土壤入渗能力的变化而变化的特性，而只是把入渗量按降雨量的一定比例降低来大致确定；姚海林、陈守义（2002）等对降雨强度、饱和渗透系数、降雨持续时间等影响膨胀土边坡稳定性的因素进行了参数研究，得到降雨强度对边坡稳定性的影响程度取决于土体本身的渗透性，降雨强度小于土体的渗透性时，安全系数受其影响，当降雨强度大于土体的渗透性时，降雨强度对渗流场的影响不大，膨胀土的渗透性越大对边坡的稳定性越不利。李兆平等（2001）以土壤体积含水率作为控制变量，采用非饱和土强度理论和极限平衡方法，讨论了降雨入渗对土质边坡稳定性的影响。但这项研究只是一维垂直入渗模型，没有考虑水平方向的影响，不能全面反映二维土坡入渗的实际过程。

总之，非饱和土的基质吸力随着土体含水量的增加而逐渐减小。此外渗透力随土体含水量的变化也逐步减小，因此，降雨入渗使边坡非饱和带土体的吸力降低，产生暂态饱

和，使土体达到塑性状态，土体的有效凝聚力c′、有效内摩擦角φ′可能会下降。降雨入渗引起非饱和土的吸力减小，土粒间胶结软化，吸附凝聚力减小。降雨强度越均匀，持续时间越长，边坡稳定性安全系数越低，这是造成突发性滑坡的根本原因。

2.地下水位升降

地下水作为外在因素会促使边坡变形破坏的发生和发展，其主要作用表现为：①由于雨水渗入、水库蓄水使得地下水位上升，滑带上部荷重增大；②水位抬高使孔隙水压力提高，有效应力降低，相应抗剪强度降低；③若考虑地下水在边坡岩土体中的渗流力，则由于水排出时有一定的水力梯度，形成动水压力，对稳定不利；④地下水渗流时可将土粒间更细小的颗粒带走，即发生潜蚀，从而降低坡体稳定性；⑤当作为岸坡，在考虑水作用对于边坡稳定性影响时，不能忽视江水（库水）对坡角的浸泡、冲刷作用。张文杰等（2006）以非饱和—饱和渗流分析程序模拟水位升降过程中岸坡内孔压场（包括浸润线以上的基质吸力场）的研究表明，坡外水位升降时，坡内浸润线及其上的基质吸力场发生显著变化，进而影响岸坡稳定。水位升降过程中，岸坡安全系数的变化规律非常复杂，坡内孔隙水压力、坡外水推力和土体容重对稳定安全系数的贡献规律随水位变化而变化，土体的渗透性能和土—水特征曲线的斜率显著影响了水位升降过程中岸坡稳定安全系数的变化规律。陈刚等（2008）提出了边坡稳定性计算中考虑地下水作用的不同思路，并举例说明了地下水对于边坡稳定性的重要影响；咸云尚等（2008）从渗透力分析了地下水作用下强风化泥岩膨胀土边坡发生浅层滑坡的机理，并以某工程为例，阐述地下水改变对膨胀土边坡失稳产生的影响，说明地下水贯通强风化泥岩裂隙是该工程膨胀土边坡失稳的直接原因。

1.2.2 边坡稳定性传统分析方法的讨论

目前应用于土质边坡稳定性分析的方法有很多，包括滑移线法、极限分析法、普通有限元法、强度折减有限元法、另外可靠性分析理论、模糊数学、块体理论、灰色系统理论、神经网络理论、分形理论、自组织理论以及各种复杂的数值计算方法广泛地应用于边坡研究中（表1.1）。不同的数值模拟方法的精度主要取决于输入参数和选择本构模型的准确性，由于非饱和土滑坡地质过程、形成条件、诱发因素等的复杂性、多样性及变化的随机性、非稳定性，这些长于高精度计算的算法反而不如传统的计算方法方便和易于满足工程实际要求。但值得注意的是，考虑到非饱和边坡土体基质吸力分布在空间上的不均匀性以及土中渗流状态的变化，传统的土坡分析法的适用性与合理性值得讨论研究，毫无疑问，探讨更合理的非饱和土边坡稳定性方法具有非常重要的意义。

滑移线理论较严密，但不适用于几何边界复杂的情况以及非均质材料。如果结合空间潜在滑移面理论与有限元法，将可能克服非饱和土边坡中土体的强度非均匀性这一困难，张国祥等（2003）的研究成果充分表明这一方向的前景。极限分析法需假定各种静力场或机动场，不适用于非均质材料，把极限分析法推广到考虑基质吸力的非饱和土边坡稳定分析中的困难较大。普通有限元法可考虑土的本构关系，也可以考虑非均质材料，还能给出坡体应力、应变场。把普通有限元法推广到考虑基质吸力的非饱和土边坡稳定性分析中，必须与条分法结合才能发挥二者的优势。在此基础上，对于一个已知的任意复杂的基质吸力分布，以及边坡含水量变化而导致的吸力重分布，如何使非饱和土边坡稳定性分析结果

更加合理无疑是一个焦点问题。强度折减有限元法的概念最早由Zienkiewicz等（1975）

提出，Ugai（1989）和Griffths（1999）推动了该方法的发展及应用。这种方法除了具有

普通有限元法的优点外，还可以直接得出稳定系数，可以合理确定潜在滑动面的形状和位置，同时还可以考虑边坡的渐进破坏过程。因此，这种方法有较好的发展前景，有待于在不断的研究中发展和完善。

表1.1

边坡稳定性分析方法比较

1.2.3 传统方法中考虑非饱和基质吸力的讨论

条分法是将滑动土体竖直分成若干土条，在分析条块受力的基础上建立整个滑动土体的力或力矩平衡方程，并以此为基础确定边坡的稳定安全系数，尽管该法在力学上作了一系列简化假定，但由于它抓住了问题的主要方面，可以取得与实际情况较为吻合的分析结果，因此在工程实际中广泛应用。近年来发展起来的基于极限平衡理论的有限元法，是在求解复杂条件下岩土边坡应力和位移分布的基础上，采用各类搜索技术获得临界滑裂面及相应的安全系数，从而评价边坡的稳定性。

Fredlund论述了条分法分析非饱和土边坡稳定性，并指出了该法的局限性与不足；蒋刚和李兆平等（2001）用Janbu法分析了降雨条件下边坡稳定系数的变化；高润德等（2001）结合雨水入渗和条分法分析了非饱和土边坡稳定性；龚壁卫等（2003）提出了分析非饱和土边坡稳定性的新途径，利用极限平衡法分析了一个算例；张士林等（2004）用瑞典圆弧法结合土坡含水量分布分析探讨了含水量对稳定系数的影响。

Ng、Shi（1998）和Gasmo等（2000）将有限元渗流分析与基于Fredlund非饱和土

抗剪强度公式的极限平衡法相结合，进行非饱和土边坡的稳定性分析。朱文彬等（2002）采用有限元对降雨条件下土体滑坡进行数值分析，将DuncanChang模型引入了饱和—非饱和土的本构关系模型，建立了饱和—非饱和土的统一非线性弹性模型，编制了饱和—非饱和土的二维有限元程序。

以上研究成果都是把基质吸力的影响看为黏聚力的组成部分，从而方便地将条分法应用于非饱和土边坡的稳定性分析。值得注意的是，条分法只是在假定滑动面上考虑基质吸力，而不能考虑滑动面以外的非饱和土体的基质吸力，这部分基质吸力的影响应该得到合理的定量考虑。另外，基质吸力在空间上具有非均匀分布的特点，这给非饱和土边坡稳定性分析带来困难：无论是均质土还是非均质土，都会由于坡体中各点的基质吸力不同而导致土体的强度参数或者有效应力的非均匀性。