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降雨對邊坡穩定性影響研究綜述

文檔作者：孫永帥賈蒼琴王貴和文檔來源：中國地質大學工程技術學院		點擊數：	更新時間： 2025年09月25日
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上一篇：客運專線高路塹邊坡預應力錨索加固技術研究

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2012年9月上
第4l卷第372期
施工技術
CONSTRlJCTION TECHNOLOGY 63
降雨對邊坡穩定性影響研究綜述
孫永帥，賈蒼琴，王貴和
(中國地質大學工程技術學院，北京100083)
[摘要]提出降雨對邊坡穩定性影響研究的意義，指出降雨人滲是導致邊坡失穩的主要誘發因素，從理論研究、現
場試驗和室內試驗3方面綜述了降雨入滲對邊坡穩定性影響的研究現狀。歸納和總結了飽和一非飽和理論和邊
坡穩定性分析方法、邊坡穩定性變化規律及影響因素。其中，重點介紹了極限平衡法、極限分析法、有限元法等
相關方法，并且指出了它們的優點和存在的相關問題，在此基礎上綜述了相關試驗研究現狀，并指出其中的不足。
最后針對目前研究中所存在的問題就今后的發展方向提出了自己的看法。
[關鍵詞]邊坡穩定性；降雨；非飽和土；滲流；試驗
[中圖分類號】TU43 [文獻標識碼】A [文章編號]1002-8498(2012)17-0063-04
Overview of Research on Stability of Slope During Rainfall
Sun Yongshuai，Jia Cangqin，Wang Guihe
(School ofEngineering and Technology，China University of Geosciences，Beliing 100083，China)
Abstract：The significance of studying the stability of slope during rainfall is highlighted in this paper．
Rainfall infiltration is the main factor that causes slope instability．This paper summarizes current
research on slope stability during rainfall from three aspects of theoretical research，field test and
laboratory test．Saturated-unsaturated theory and slope stability analysis method are summarized as well as
principles governing the change of slope stability and influence factors．Among them，limit equilibrium
method，limit analysis method and finite element method are introduced in detail with their advantages
and disadvantages highlighted．After that，this paper summarizes the current situation of model tests and
pointed out their shortcomings．At last，the authors presented their own ideas on further development with
respect to the problems existing．
Key words：slope stability；rain；unsaturated soils；seepage；testing ，
近年來，歷時長、強度大的暴雨已成為導致邊
坡失穩破壞的重要誘導因素。目前，考慮降雨對邊
坡穩定性的影響，主要是飽和一非飽和土理論的研
究及降雨過程中滲流場的變化對邊坡穩定性的影
響研究。本文從飽和-非飽和滲流基本理論、降雨入
滲邊坡穩定性分析方法、降雨人滲影響邊坡穩定的
機理、現場及室內試驗研究現狀等幾個方面對國內
外主要研究現狀進行了總結和歸納。并針對目前
研究中所存在的問題，就今后的發展方向提出了自
己的看法。
1 降雨條件下飽和-非飽和滲流基本理論
1．1飽和土理論
早期降雨對邊坡穩定性影響的研究主要是應
用飽和土理論，盡管當時的理論水平有限，但是同
【收稿日期]2012-01-31
[基金項目]國家自然科學青年基金項目(40902085)
[作者簡介]孫永帥，碩士研究生，E—mail：taiyuansys@163．com
樣解決了很多實際問題，并且提出了很多理論模
型。例如，20世紀60年代，開始運用數值方法依據
飽和滲流模型來模擬降雨作用下邊坡體內的滲流
場。20世紀70年代以后，這種方法逐漸成熟地應
用到降雨入滲對邊坡穩定性的影響分析中，并得到
一系列有指導性的結論。在針對降雨人滲對邊坡
穩定性分析的研究中，飽和土體的滲流固結理論的
應用，又為有效分析飽和土體滲流過程中土體結構
性等復雜因素的影響提供了重要依據¨1。
飽和土理論的應用解決了不少實際問題，同樣
也準確揭示了降雨人滲過程中坡內含水量的變化
對邊坡土體力學性質的影響。針對這一問題，很多
學者開始應用非飽和土理論研究降雨對邊坡穩定
性的影響。
1．2非飽和土理論
20世紀60年代，Bishop舊1和FredlundHl提出了
非飽和土強度表達式，將與飽和度、土的類型有關
萬方數據
施工技術第4l卷
的經驗系數考慮進來計算雨水入滲條件下土體的
強度。陳正漢H’運用非飽和土體水分運動的研究
方法，并假定非飽和土體抗剪強度與飽和度之間存
在一定的函數關系，將瞬態含水率分布換算為邊坡
土體瞬態抗剪強度參數。Xing等¨o認為非飽和土
的抗剪強度隨著土的飽和度的變化而變化，且這種
變化很靈敏。吳夢喜等M o對非飽和土體內部的非
穩定滲流的參數作了數值分析，并在文中提出了非
飽和土滲流有限元計算中的處理方法。張丙印
等"o建立了非飽和土體中水分與氣體兩相滲流的
有限元數值模型，通過模型分析了土體中水分與氣
體的運移規律。黃潤秋舊1進行了非飽和滲流基質
吸力對邊坡穩定性影響的研究，并得出由于邊坡非
飽和基質吸力的影響，在降雨條件下邊坡逐漸飽水
過程中，最終的穩定性系數可能會低于傳統計算方
法所得。于玉貞等舊-進行了非穩定滲流條件下非
飽和土邊坡穩定分析的研究，通過有限元滲流分析
并結合有限元強度折減法和極限平衡法分析了邊
坡的穩定性。
降雨入滲會造成坡內土體的水分運動參數及
抗剪強度參數不斷變化，且土體中各向異性滲流對
邊坡穩定性影響的研究依舊匱乏。因此，準確模擬
滲流變化對邊坡內土體力學性質的變化，降雨入滲
下土體、水分、氣體等因素的耦合分析仍有待進一
步研究。
2 考慮降雨入滲的邊坡穩定分析方法
2．1 降雨人滲條件下邊坡穩定性分析方法
目前降雨對邊坡影響的過程可以描述為“降雨
入滲_+土體自重的增大、抗剪強度指標的降低以及
孔隙水壓力的上升_+土體的破壞”。對以上這一過
程的分析主要采用將滲流簡化計算的極限平衡法、
極限分析法和有限元法。這些方法各有特點，極限
平衡法應用早、積累經驗多且已被廣泛認可；極限
分析法更貼近實際，實用性強；有限元法能詳細計
算得到邊坡內較詳細的單元應力、應變及節點位移
等信息。
1)極限平衡法
1981年，Fredlund等基于非飽和土理論提出的
極限平衡法，是目前最為有效的研究降雨人滲對邊
坡穩定性影響的方法。李兆平¨訓利用滲流分析軟
件，求解了降雨人滲的暫態滲流場，采用極限平衡
法研究了降雨人滲對邊坡穩定性的影響。劉建華
等¨川針對降雨過程中邊坡土體內部滲流情況進行
了研究，并得出邊坡在降雨條件下不斷軟化，黏聚
力與內摩擦角不斷下降的結論。針對降雨過程中
的邊坡穩定性，實際工程中一般采用簡化方法粗略
地計算滲流的作用，然后采用極限平衡法進行分析。
2)極限分析法
，20世紀50年代，Drucker等學者建立了塑性力
學極限分析的上下限理論。1975年，陳祖煜將上下
限理論用于邊坡土體穩定的極限分析中。殷建華
等¨副采用極限分析上限法分析了考慮孔隙水的邊
坡穩定性，并利用有限元上限分析法分析了邊坡的
穩定性。王均星等¨川1在降雨條件下利用有限元
上限分析法和有限元下限分析法分別分析了考慮
孑L隙水壓力的邊坡穩定性，并得出在塑性極限分析
過程中需要應用固結理論研究孔隙水壓力消散問
題，且提出把精確模擬邊坡的孔隙水壓力大小作為
今后需要重點研究解決的問題。牛文杰等¨糾利用
極限分析法的上下限定理對降雨條件下土體內部
飽和-非飽和土體的滲流進行了分析，并得出考慮非
飽和滲流計算出的邊坡安全系數要比飽和滲流理
論計算出的安全系數大的結論。盡管在進行邊坡
穩定分析方法方面用到的極限分析法較多，但是在
結合降雨的條件下用極限分析法研究的卻較少。
如何將極限分析法的優點有效地應用到降雨對邊
坡穩定性影響的研究中仍有待進一步研究。
3)有限元法
將有限元用于降雨人滲過程中邊坡土體的滲
流場和應力場的求解，所得的滲流過程中有效應力
和孔隙水壓力分布與簡化的極限平衡法相比不僅
更符合實際情況，而且能夠詳細描述邊坡土體的整
個漸進破壞過程。劉金龍等¨釗利用有限元法對降
雨條件下邊坡土體內部滲流進行了分析，并且得出
隨著降雨時間的增多，邊坡的穩定性變化主要受上
游裂隙控制。為了可以更有效地求取安全系數，
1975年Zienkiewicz等提出了有限元強度折減法，。這
一方法已成功用于分析邊坡的穩定性。Cai等Ⅲ1采
用該方法用于分析雨水入滲下的邊坡穩定性，但是
并沒有與極限平衡法結果作詳細的比較分析。芮
紅華等¨副采用有限元強度折減法研究了降雨條件
下邊坡土體內部滲流的作用情況，并將有限元強度
折減法與滲流理論結合起來，說明運用有限元強度
理論進行滲流作用下邊坡的穩定性分析也是可行
的。夏元友等¨糾通過數值模擬分析了降雨入滲條
件下邊坡的穩定性，并且運用強度折減法得到了考
慮降雨入滲影響的邊坡安全系數，并對降雨強度、
持續時間等影響因素下邊坡穩定性分別進行了對
比分析，得出隨著降雨入滲強度與時間的增加，邊
坡的滑動破壞面有著向淺層移動的趨勢，安全系數
會降低。陳書生舊叫運用有限元強度折減法研究了
降雨與地下水對邊坡土體的影響，并將有限元強度
萬方數據
2012 No．372 孫永帥等：降雨對邊坡穩定性影響研究綜述65
折減法的結果與極限平衡法的結果進行了比較分
析，同時也彌補了極限平衡法的不足。
2．2降雨入滲影響邊坡穩定的機理
在降雨人滲條件下一方面雨水對邊坡土體起
到了加載作用，即雨水使土體的含水量增大，重度
變大，從而使滑移面的剪應力增大；另一方面，雨水
入滲改變邊坡土體的力學性能，導致其內聚力下
降，基質吸力減小，抗剪強度降低。邊坡土體的自
重增加和強度降低這兩個不利因素在雨水入滲過
程中同時影響邊坡的穩定性，達到一定程度就會引
發邊坡失穩。Lam和Fredlund舊¨利用非飽和土體
水分運動理論，得到了飽和．非飽和滲流控制方程，
并提出了利用有限元求解滲流場，在此基礎上對邊
坡穩定性參數進行了研究。姚海林等心21對降雨強
度、滲透系數、降雨持時等影響因素進行了參數研
究，認為降雨強度對邊坡穩定性的影響程度取決于
土體本身的滲透性，滲透性越大對邊坡的穩定性越
不利。朱文彬等舊副通過實例分析表明，降雨前邊坡
的塑性區不存在或只在坡腳處非常小的范圍內。
隨著降雨時間的延續，塑性區范圍不斷延伸擴展，
最后形成潛在滑裂面而導致邊坡失穩破壞。沈珠
江等Ⅲ1運用非飽和土簡化固結理論模擬了邊坡降
雨入滲過程，反映了邊坡在雨水入滲過程中吸力喪
失、有效應力降低和土體膨脹回彈及水平變位的全
過程。
3 降雨對邊坡穩定性影響的試驗研究現狀
3．1現場試驗
目前，由于現場試驗有著比數值模擬分析更為
直接的結果，因此在降雨入滲對邊坡穩定性影響方
面得到了廣泛應用。鄧衛東等嵋糾借助自然邊坡場
地測定了降雨后邊坡土體內部的含水率和基質吸
力，并對邊坡雨水滲流的模型試驗進行研究，且分
析了邊坡土體的滲流狀態。詹良通等舊引進行了降
雨入滲條件下非飽和土邊坡原位監測，并得出降雨
入滲造成土體中水平應力顯著增加，使得水平應力
與豎向應力比接近理論極限狀態下的應力比。陳
劍等舊¨通過現場試驗進行了三峽庫區滑坡發生概
率與降水條件關系的研究，并得出降雨誘發滑坡的
發生概率明顯受到地質環境因素的控制。
但是由于現場試驗周期性長，費用高，所需儀
器復雜，所以在工程實踐中還未能得到廣泛應用。
針對這些特點，相對周期短，費用低，表達直觀的室
內模型試驗得到了更加廣泛的研究與應用。
3．2室內模型試驗
室內模型試驗能直觀地觀測邊坡的變形及破
壞過程，同時還可以模擬各種復雜的工程概況，也
是邊坡破壞機理分析、理論計算模型及工程設計施
工等結果的試驗驗證方法。其中，離心模型試驗，
以其能人工塑造具有工程地質特性和環境影響的
邊坡，再現自重應力場以及與自重有關的變形過
程，并可以根據需要靈活地調整各種控制參數，直
觀揭示變形和破壞的機理，成為模型試驗中應用于
邊坡穩定性分析最為廣泛的研究手段之一。
目前，相關學者針對降雨過程中邊坡穩定分析
進行了相應的離心模型試驗研究，基于離心模型試
驗開展的與降雨對邊坡穩定性影響相關的研究工
作主要集中在以下方面：Rowe等心引在離心模型試
驗中模擬了層流狀態下的滲流現象，并得出了孔隙
水的流動快于土體本身移動的結論。Tamate等心引
在離心模型試驗中通過提高離心加速度測定了土
坡的臨界穩定高度，并且觀測了膨脹土開挖邊坡的
破壞模式。姚裕春等口叩進行了降雨條件下邊坡破
壞機理的離心模型試驗研究，并根據降雨時間和強
度的統計資料，推算邊坡土體中含水量的變化情
況。陳生水等口u進行了邊坡長期強度變形特性和
穩定性研究，并認為防止邊坡發生破壞的最關鍵措
施是盡可能隔斷其與外界的水分交換。
針對降雨人滲對邊坡穩定性影響的離心模型，
模型尺寸的確定、試驗材料的選取、邊界效應問題
及降雨工況的模擬都會影響試驗的精度。而目前
已有的模擬降雨的方法如通過改變制樣時的含水
量來代替不同規模的降雨、用注水浸泡來模擬不同
時間的雨水入滲、在邊坡頂部實現局部降雨等仍不
夠完善。如何確定合適的模型尺寸、選擇試驗材
料、處理邊界效應問題以提高試驗精度，仍沒有確
定的方法。另外，目前較普遍采用的離心模型試驗
手段，主要針對邊坡開挖、降雨人滲等影響進行了
研究，這些研究主要集中在對實際邊坡穩定性的評
價或探討邊坡形狀、邊坡材料性質、加載方式、邊坡
土體變形等因素對穩定性的影響以及邊坡破壞機
理等方面，而涉及降雨條件下邊坡土體內部應力狀
態方面的研究還較少。因此，進一步開展降雨入滲
對邊坡穩定性影響的模型試驗，針對試驗所得數
據，開展相應的數值模擬分析和驗證十分必要。
4結語
1)理論研究方面。降雨入滲是非線性且與時
間有關的過程，在非飽和土理論中準確建立滲流模
型來確定滲透系數仍有待于進一步研究。在降雨
對邊坡影響研究過程中雖然考慮了基質吸力的作
用，并利用各種力法對滲流場及邊坡穩定性進行了
計算分析，但基質吸力對邊坡穩定性的作用始終未
能應用于實際工程。極限分析法用于邊坡降雨研
萬方數據
施工技術第4l卷
究較少，且缺乏相應的數值模擬加以驗證，應進一
步研究如何利用極限分析法的優點提高降雨入滲
對邊坡穩定性分析的精確度。目前的研究主要集
中在降雨入滲過程中邊坡破壞位移變化情況和滲
透系數、降雨強度、土-水特征曲線的選取對邊坡穩
定性的影響，對土體內部應力、孔隙水壓力的研究
和土體參數、邊坡坡度等因素的變化對邊坡穩定性
影響的研究相對較少。因此，如何準確模擬在各種
影響因素綜合考慮下降雨人滲過程中邊坡內部水
分運移規律仍是下一步的研究重點。
2)試驗研究方面。由于受到現場自然條件等
諸多因素的限制及在高速旋轉的離心模型機上進
行降雨模擬和有效控制降雨量較為困難等原因的
影響，目前針對降雨入滲對邊坡穩定性影響的離心
模型試驗主要集中在降雨入滲引起的邊坡變形情
況的研究，而涉及降雨條件下邊坡土體內部應力變
化規律相對較少，并且與現場試驗相比設置土體參
數時如何選擇合適的相似比仍是一個難點。另外，
考慮土體中存在隔水層和遠方補給的情況下分析
土體內部的滲流情況，測定孔隙水壓力變化會引起
怎樣的側向變形以及變形會對孑L隙水壓力產生怎
樣的影響，分析土體破壞臨界狀態時的應力狀態和
孔隙水壓力大小這些方面的研究還有所不足。針
對試驗測得的孑L隙水壓力、土壓力、浸潤線的變化
情況，對比分析相關的理論研究結果，總結得出更
有指導意義的降雨過程中不同工況下邊坡內水分
運移規律、滲流變化情況仍是進一步研究的重點。
3)近些年來都是將理論分析和模型試驗進行
單獨研究，沒能針對所得結果考慮各自的優缺點進
行分析比較，取長補短。
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