滑坡作为一种严重的地质灾害,给国民经济和人民生命财产造成重大损失[1]。陈丽霞等[2]对近三十年以来江西省的滑坡数据进行统计与分析,其中由降雨诱发的滑坡占比接近80%。由此可见,降雨是诱发边坡滑坡的主要因素。刘广宁等[3]对三峡库区李家湾滑坡以及Xiao等[4]对黄堆坡滑坡的研究表明,这些滑坡是由弱夹层诱发的。因此研究降雨及软弱夹层对边坡稳定性的影响是当前亟待需解决的一个问题。
现有降雨入渗条件下边坡渗流场和稳定性的研究主要通过实地调查和实地监测、模型试验和数值分析等方式进行。在野外调查与监测方面,Li等[5]结合野外调查与监测,分析了降雨对含软弱岩层边坡破坏机理和形成过程的影响,发现边坡变形存在降雨引发的加速滑坡期阶段。Yan等[6]通过钻探试验和位移监测,分析了高度风化凝灰岩对滑坡形成机理的影响,发现逐渐风化的软弱夹层大大降低了边坡的稳定性。Liu等[7]基于无人机数码摄影测量和GB-SAR监测,分析了降雨量对降雨型滑坡形成机理的影响,疏松土质和泥岩高度风化的砂岩夹层为雨水和地下水渗漏奠定了基础。
在模型试验研究方面,Yang等[8]利用三层边坡模型模拟了较弱夹层的岩石边坡,研究了强降雨下边坡的稳定性,发现孔隙水压力变化和降雨侵蚀是导致弱夹层剪切能力逐渐降低的两个主要因素。王睿[9]等利用离心模型试验对降雨条件下含软弱夹层粘性土坡进行了研究,结果显示,软弱夹层的存在造成了降雨入渗分布的变化,从而影响了边坡的稳定性。甘建军等[10]运用三轴试验,研究了灰岩区降雨型滑坡中粉质黏土软弱夹层的强度与变形特性,提出了基于Fredlund非饱和土双应力强度理论的滑坡滑带土抗剪强度修正公式。姚裕春等[11]通过离心模型试验研究了不同含水量的边坡破坏机理,不同含水量引起不同形式的边坡破坏,并指出含水量超过损伤变量突变点时,边坡损伤将加速发展。
试验虽然可以从宏观的角度来分析降雨诱发边坡失稳机理,但无法对降雨作用下边坡稳定性变化的细观机理进行研究。在数值模拟以及其与试验结合的研究中,其中Xu等[12]利用纳米压痕实验和数值模拟来研究了弱夹层中的页岩,浸水后页岩的弹性模量和内聚力显著降低,弱夹层的抗剪强度显著降低,塑性带沿弱夹层发展,导致滑坡。Pan等[13]通过结合水—岩弱化效应的数值模拟,考虑水对岩石力学行为的影响,可以更准确地分析边坡在降雨条件下的稳定性。Zhuang等[14]采用数值模拟方法,研究了降雨渗透和复杂地质条件(断层和弱夹层)对岩石边坡稳定性的影响。Sun等[15]利用数值模拟方法,研究了降雨引发的涉及弱夹层的滑坡案例,表明虹吸排水法能有效控制地下水位,提高边坡稳定性。刘杨[16]等运用数值模拟方法,研究了含缓倾软弱夹层矿山高边坡的降雨渗流特性,得出了软弱夹层作为隔水层改变了降雨的渗流路径和浸润曲线形态。李水江等[17]利用有限差分软件分析了加筋土边坡在不同含水率条件下的位移、应力、加速度响应,结果表明加筋土界面的含水率会对加筋边坡水平位移产生较大的影响。刘洪波等[18]采用有限差分法软件研究了不同含水率对花岗岩残积土边坡位移场、加速度场和锚固轴力的影响,结果表明含水率与坡体水平位移、锚杆轴力呈正相关。谢瑾荣等[19]通过数值模拟研究了降雨入渗条件下软岩边坡的软化效应,研究表明降雨前期软岩边坡的稳定性受渗流效应影响较大,而在降雨后期软岩软化效应将占据主导作用。蒋中明等[20]利用FLAC3D软件对各单元强度和重度进行修正,研究结果表明综合考虑软岩的基质吸力、自重变化和软化效应影响下的软岩边坡稳定性分析更加合理。Xu等[21]运用了直剪试验和数值模拟方法,研究了软弱夹层土壤的含水量变化对碎屑岩边坡稳定性的影响。
钟卓希等[22]运用了基于渗流-应力耦合的饱和-非饱和渗流理论,建立了含软弱夹层等效裂隙面边坡渗流模型,研究了不同降雨工况下含软弱夹层边坡的渗流特性,得出了等效裂隙面模型能更符合实际工程中边坡渗透系数增长和稳定性变化的结论。侯世伟[23]等在强度折减法的基础上,基于雨水对土体应变软化作用,提出了更适用于工程应用的阶梯双折减法。
以上研究虽然有研究揭示了降雨入渗对边坡的影响,但均缺乏对降雨条件下含软弱夹层花岗岩残积土边坡内部孔隙水压力分布、位移场、塑性区、速度场和最大剪应变增量场的具体分析。本文将利用数值模拟的方法,对降雨条件下含软弱夹层花岗岩残积土边坡的变形规律和稳定性进行研究,旨在为地质灾害的防治和减灾提供基础数据和科学支持。