CN115184235A - 一种基于室内试验的土体入渗计算与边坡分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于室内试验的土体入渗计算与边坡分析方法，利用一维土柱垂直入渗试验记录土柱入渗时土柱湿润锋变化过程，得到土体不变量入渗湿润锋含水率，对Green‑Ampt入渗模型计算方法进行改进，结合改进后的Green‑Ampt入渗模型得到边坡土体入渗深度随降雨时间的变化规律，然后对将湿润锋以上的范围内土取饱和参数或折减参数，其他范围内的土保持天然参数，最后进行稳定性分析与计算，得到持续降雨条件下动态的安全系数变化。本发明可以大大提高描述降雨工况下入渗过程的准确性，提高拟合计算边坡稳定性的精度。
Description
技术领域
本发明属于土壤边坡稳定性分析领域，具体而言，涉及一种基于室内试验的土体入渗计算与边坡分析方法。
背景技术
我国是边坡破坏最严重地区之一，尤其是在西部黄土分布地带，所以在对边坡进行设计时，需要严谨地对边坡稳定性进行验算，以保证边坡在道路施工及运行过程遇到各种不利工况中仍处于安全状态。而我国大部分边坡破坏是在暴雨或连续降雨的工况下发生的，当降雨入渗的开始，边坡表面土体的入渗率、渗透系数、孔隙度、含水率等指标会随之改变，而且随着降雨的持续，入渗深度不断加深，边坡内部的土体性质和力学性质随之发生变化。所以在边坡稳定性分析过程中的一大难题就是合理模拟入渗过程中土体性质的改变。目前描述土壤入渗的模型有Kostiakov模型、Philip模型、Horton模型和Green-Ampt模型，其中Kostiakov、Philip、Horton模型为经验公式，其中Green-Ampt模型参数具有明确的物理意义，因而得到广泛应用。
但是Green-Ampt模型中采用入渗条件是饱和入渗，不符合实际情况。
专利申请号为CN202110934585.4的发明专利公开了一种考虑地层应力的锚杆加固边坡分析方法，包括以下步骤：计算假定滑动面的圆弧半径；建立平面坐标系；计算边坡的滑动力矩；计算由摩擦力和粘聚力提供的抗滑力矩；计算整体锚固力矩；计算安全系数，评价边坡稳定性。该发明能够对锚杆加固边坡进行分析，既考虑坡体滑动状态下锚杆有效的锚固长度，又考虑进入坡体三角区内锚固体所受地应力非线性分布，得到较为真实准确的锚固力，从而确定加固边坡所需的锚杆数，锚杆的数量由需要提升的锚固力矩决定，当安全系数大于1时则不再需要增添锚杆的数量，此时边坡处于稳定状态。该发明对于锚杆加固边坡的设计计算将会带来很大的便利和准确性，但是该专利没有考虑入渗过程中土体性质的改变。
发明内容
为了解决上述现有技术中的不足，本发明提供一种基于室内试验的土体入渗计算与边坡分析方法，利用一维土柱垂直入渗试验记录土柱入渗时土柱湿润锋变化过程，得到土体不变量入渗湿润锋含水率，对Green-Ampt入渗模型计算方法进行改进，结合改进后的Green-Ampt入渗模型得到边坡土体入渗深度随降雨时间的变化规律，然后对将湿润锋以上的范围内土取饱和参数或折减参数，其他范围内的土保持天然参数，最后进行稳定性分析与计算，得到持续降雨条件下动态的安全系数变化。本发明可以大大提高描述降雨工况下入渗过程的准确性，提高拟合计算边坡稳定性的精度。
为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于室内试验的土体入渗计算与边坡分析方法，包括以下步骤：
(1)、利用一维土柱垂直入渗试验记录土柱湿润锋变化过程，得到积水入渗湿润锋含水率或无积水入渗湿润锋含水率；
(2)、利用Green-Ampt入渗模型得到边坡土体入渗深度随降雨时间的变化规律；
(3)、将湿润锋以上的范围内土取饱和参数或折减参数，其他范围内的土保持天然参数，合理模拟出入渗过程中土体性质的改变；
(4)、进行稳定性分析与计算，得到持续降雨条件下动态的安全系数变化。
优选的是，所述步骤(1)中一维土柱垂直入渗试验中，试验用土为重塑不同含水率的土，通过质量和体积控制不同密度。
上述任一方案中优选的是，所述步骤(1)中一维土柱垂直入渗试验所采用的试验***包括供水装置，供水装置设置在固定支架上部，固定支架一侧设有试验土柱，所述试验土柱固定在有机玻璃管内，试验土柱内为土样，有机玻璃管上端延伸至供水装置一侧的固定支架上部，供水装置下部通过连接管和试验土柱连通并通过内套固定。
上述任一方案中优选的是，供水装置一侧设有刻度尺。
上述任一方案中优选的是，供水装置表面设有刻度标识。
上述任一方案中优选的是，试验土柱下部设有过滤层。
上述任一方案中优选的是，连接管出口处设有喷洒器。
上述任一方案中优选的是，连接管内设有微型涡轮雾化器，具体设置时，微型涡轮雾化器固定在连接管中间位置，微型涡轮雾化器设有多个均匀分布的叶片，单个叶片倾斜设置。水体进入连接管内后会推动微型涡轮雾化器的多个叶片旋转，从而对水体进行分隔，分割成多股微小的水流，从而使水体在土柱截面分散均匀。
上述任一方案中优选的是，所述叶片内设有多个微型孔。微型孔可以设置为圆形、三角形或星形等形状，进一步加强对水体的分隔效果，使水体分散更加均匀。
上述任一方案中优选的是，所述供水装置为马氏瓶。
上述任一方案中优选的是，所述供水装置高度为70-90cm，内径为8-12cm。
上述任一方案中优选的是，所述供水装置高度为70cm，内径为8cm。
上述任一方案中优选的是，所述供水装置高度为80cm，内径为10cm。
上述任一方案中优选的是，所述供水装置高度为90cm，内径为12cm。
上述任一方案中优选的是，所述试验土柱固定在有机玻璃管内，有机玻璃管高为50-70cm，内直径为5-8cm。
上述任一方案中优选的是，所述有机玻璃管高为50cm，内直径为5cm。
上述任一方案中优选的是，所述有机玻璃管高为60cm，内直径为6cm。
上述任一方案中优选的是，所述有机玻璃管高为70cm，内直径为8cm。
上述任一方案中优选的是，所述步骤(1)中一维土柱垂直入渗试验包括积水入渗试验和无积水入渗试验。
上述任一方案中优选的是，所述积水入渗试验具体的方法为：暴雨时，在室内模拟对应积水试验，用供水装置进行自动恒压供水并控制积水高度恒定，积水高度根据模拟的暴雨强度而定，试验过程中用秒表定时，记录供水装置水位变化，并观测土柱湿润锋变化过程。
上述任一方案中优选的是，所述无积水入渗试验采用人工供水和/或自然降雨中的至少一种供水方式。
上述任一方案中优选的是，所述无积水入渗试验采用人工供水时，具体方法为：控制速率在试验土体渗透系数以下，不产生积水情况，并持续供水，使水量在土柱截面分散均匀。
上述任一方案中优选的是，所述无积水入渗试验采用自然降雨，具体方法为：在天然降雨情况下，降雨强度较小，将制备好的试验土柱置于室外，让雨水自然入渗，试验过程中用秒表定时，记录供水装置水位变化，并观测土柱湿润锋变化过程，计算得到该种土的湿润锋处含水率θf。
上述任一方案中优选的是，所述步骤(2)中Green-Ampt入渗模型中，G-A模型通常表述为：
式中，i——地表入渗率，cm/min；Ks——饱和渗透系数，cm/min；zf——湿润锋深度，cm/min；sf——湿润锋处的基质吸力水头，cm；H——积水深度，cm。
同时根据模型假定和水量平衡原理，入渗量I为：
I＝(θs-θ0)zf (2)
式中，θs——饱和含水率；θ0——土体初始含水率。
非饱和入渗更接近实际情况，则将式(2)θs改取为湿润锋处含水率θf，
非饱和入渗量I为：
I＝(θf-θ0)zf (2)
式中，θf——湿润锋处含水率；θ0——土体初始含水率。
经过大量的室内试验，湿润锋处含水率θf对一种土这是一个不变量。在此基础上，根据少量的室内试验得到某种土的湿润锋处含水率θf。根据入渗量，可推求湿润锋位置，进而模拟出土体入渗的过程。
上述任一方案中优选的是，所述步骤(2)中通过不变量积水入渗湿润锋含水率θf或无积水入渗湿润锋含水率θfu，即可通过雨量计算入渗深度；若持续降雨，则累积雨量I＝it，i为降雨雨强度，t为时间，通过
求出入渗锋的深度，精确地模拟出随着降雨的持续土体入渗深度随时间的变化规律。
上述任一方案中优选的是，所述步骤(4)中土坡稳定性分析采用Bishop方法计算安全系数等参数。
与现有技术相比，本发明的有益效果为:
本发明提供一种基于室内试验的土体入渗计算与边坡分析方法，利用一维土柱垂直入渗试验记录土柱入渗过程，对Green-Ampt入渗模型计算方法进行改进，进行边坡稳定性分析。本发明可以大大提高描述降雨工况下入渗过程的准确性，提高拟合计算边坡稳定性的精度。
(1)用一维土柱垂直入渗试验记录土柱入渗过程。
(2)改进了Green-Ampt入渗模型，可更好的描述入渗过程。
(3)可合理模拟入渗中土体性质的改变过程，提高拟合计算边坡稳定性的精度。
(4)一维土柱垂直入渗试验所采用的试验***结构简单，连接管内设有微型涡轮雾化器，同时叶片内设有微型孔，使水体分散更加均匀，本申请利用较简单的实验装置与理论得到相应的稳定性评价，便于工程人员掌握，实施方便，可在实际工程中推广使用。
附图说明
图1为一维土柱垂直入渗试验***；
图2为实施例2中持续降雨安全系数随时间变化曲线；
图3为72h边坡圆弧滑动稳定分析；
图4为连接管具体结构剖视图。
附图标号：
1、支架；2、刻度尺；3、水马氏筒；4、内套；5、试验土柱；6、土样；7、滤层；8、连接管，9、叶片；91、微型孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
一种基于室内试验的土体入渗计算与边坡分析方法，包括以下步骤：
第一步：将Green-Ampt入渗模型进行改进
G-A模型通常表述为：
式中，i——地表入渗率，cm/min；Ks——饱和渗透系数，cm/min；zf——湿润锋深度，cm/min；sf——湿润锋处的基质吸力水头，cm；H——积水深度，cm。
同时根据模型假定和水量平衡原理，入渗量I为：
I＝(θs-θ0)zf (2)
式中，θs——饱和含水率；θ0——土体初始含水率。
但非饱和入渗更接近实际情况，则将式(2)θs改取为湿润锋处含水率θf，则式(2)变为：
I＝(θf-θ0)zf (3)
经过大量的室内试验，湿润锋处含水率θf对一种土这是一个不变量。在此基础上，根据少量的室内试验得到某种土的湿润锋处含水率θf。根据入渗量，可推求湿润锋位置深度，进而模拟出土体入渗的过程。
第二步：一维土体垂直入渗试验
试验用土为重塑不同含水率的土，通过质量和体积控制不同密度。试验***如图1所示，具体结构包括供水装置3、试验土柱和固定支架，供水装置3具体可以为马利奥特瓶，简称马氏瓶。供水装置3设置在固定支架1上部，供水装置3一侧设有刻度尺2，固定支架1一侧设有试验土柱5，试验土柱5固定在有机玻璃管内，有机玻璃管上端延伸至供水装置3一侧的固定支架1上部，供水装置3下部通过连接管和试验土柱5连通并通过内套4固定，试验土柱5内为土样6，试验土柱5下部设有过滤层7。
试验土柱是利用高为60cm，内直径为6cm的有机玻璃管制作而成。
①积水入渗试验：当发生暴雨情况时，边坡表面迅速产生积水，该情况在室内模拟对应积水试验。用马氏瓶进行自动供水并控制积水高度恒定，积水入渗试验是先供水至积水2-3cm，并使用马氏瓶恒压供水。具体积水高度可根据模拟的暴雨强度而定。试验过程中用秒表定时，记录马氏瓶水位变化，并观测土柱湿润锋变化过程(湿润带的末端,土壤含水量突变,与下层干土有明显的界面，称湿润锋)。
②无积水入渗试验采用两种方式。一是方式是人工供水，即在控制马氏瓶供水速率在较低水平，不产生积水情况。具体方法是控制速率在土体渗透系数以下，并持续供水，为了使水量在土柱截面分散均匀，在出水口加上喷洒器。第二种是自然降雨，即在天然降雨情况下，将制备好的试验土柱5置于室外，让降雨自然入渗，由于试验时降雨强度较小，并未产生积水，所以属于无积水入渗试验。试验过程中用秒表定时，记录马氏瓶水位变化，并观测土柱湿润锋变化过程，得到式(1)计算得到该种土的湿润锋处含水率θf。
第三步：已经通过少量的一维入渗试验得到不变量积水入渗湿润锋含水率θf或无积水入渗湿润锋含水率θfu，即可通过雨量计算入渗深度。若持续降雨，则累积雨量I＝it，i为降雨雨强度，通过
可求出入渗锋的深度，可以精确地模拟出随着降雨的持续土体入渗深度随时间的变化规律。
在边坡稳定性分析过程中，入渗深度以上的土体取土体饱和参数，可以合理模拟入渗过程中土体性质的改变，得到持续降雨条件下动态的安全系数变化，大大提高边坡稳定性分析的精度。
实施例2
一种土体入渗计算与边坡分析方法，应用实例，本次分析某工地现场边坡，属于高液限土质边坡，坡体土层单一，为全风化片麻岩。坡高12m，1:1.5放坡，土力学参数如表1所示。
表1 土体参数取值表
| 土体参数 | 重度γ/kN/m<sup>3</sup> | 粘聚力c/kPa | 内摩擦角φ/° |
| 天然 | 17.1 | 36.9 | 24.9 |
| 饱和参数 | 20.0 | 19.0 | 11.0 |
| 0.8折减参数 | 17.1 | 29.5 | 19.9 |
该地区最大雨量为100mm/day，持续三天，雨强度大于土的渗透系数，因此采用积水入渗试验***进行分析。土体天然体积含水率为0.3(θ0)，湿润锋体积含水率(θf)采用该种土试验得到的数据，即为0.455。由本申请的计算方法，
得到湿润锋的深度变化见表2所示。
表2 入渗深度随时间变化
| 时间/h | 12 | 24 | 36 | 48 | 60 | 72 | 96 |
| 入渗深度/cm | 32.2 | 64.6 | 96.9 | 129.1 | 172.2 | 193.7 | 258.3 |
将湿润锋以上的范围内土取饱和参数或折减参数(即取饱和土的强度或天然土强度参数的0.8、0.6倍)，其他范围内的土保持天然参数。土坡稳定性分析采用常规的Bishop方法，(Bishop方法为本领域的常用公知手段，在此不再赘述)得到安全系数随时间的变化如图2所示。
随着降雨的持续，两种选取参数的方法中，安全系数随着时间的延续而减小，但湿润区取0.8折减参数时，安全系数减小的并不明显。仅从初始状态的2.21降为2.15。而湿润区取饱和参数的方法，安全系数从2.21降为1.40，下降了36.6％，较为明显。值得注意的是，该方法在降雨持续的前48h，安全系数的下降较为缓慢，而之后产生了迅速的下降，从48h的2.13将至72h的1.57。72h时，湿润锋位置处，即天然土层和湿水土层的分界面成为最危险圆弧滑动面，如图3所示，滑动面由深层变为浅层，有发生滑坡的潜在危险。
全坡取饱和参数小于1，这显然是不合理的，此方法会造成较大浪费。湿润区取饱和参数的方法在72h后小于全坡整体取为折减参数，可见后者具有一定的局限性，不能对遭遇持续暴雨的工况进行很好的评价。所以基于本申请改进的土体入渗计算方法，对湿润区取饱和参数的方法，可对降雨下的边坡进行动态的评价，能得到较为合理的结果。
实际设计计算中，可直接采取最不利情况进行稳定性分析，本案例根据当地气象条件选取暴雨持续72小时的工况进行分析，得到此工况下的安全系数1.57。
实施例3
一种基于室内试验的土体入渗计算与边坡分析方法，和实施例1相似，不同的是，如图4所示，连接管8内设有微型涡轮雾化器，具体设置时，微型涡轮雾化器固定在连接管8中间位置，微型涡轮雾化器设有多个均匀分布的叶片9，多个叶片9相互交错且倾斜设置。水体进入连接管内后会推动微型涡轮雾化器的多个叶片9旋转，从而对水体进行分隔，分割成多股微小的水流，从而使水体在土柱截面分散均匀。叶片9内设有多个微型孔91。微型孔可以设置为圆形、三角形或星形等形状，多个微型孔91呈弧形排列，进一步加强对水体的分隔效果，使水体分散更加均匀，更能模拟外部雨水状态。
结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于室内试验的土体入渗计算与边坡分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、利用一维土柱垂直入渗试验记录土柱湿润锋变化过程，得到积水入渗湿润锋含水率或无积水入渗湿润锋含水率；
(2)、利用Green-Ampt入渗模型得到边坡土体入渗深度随降雨时间的变化规律；
(3)、将湿润锋以上的范围内土取饱和参数或折减参数，其他范围内的土保持天然参数，合理模拟出入渗过程中土体性质的改变；
(4)、进行稳定性分析与计算，得到持续降雨条件下动态的安全系数变化。
2.根据权利要求1所述的基于室内试验的土体入渗计算与边坡分析方法，其特征在于，所述步骤(1)中一维土柱垂直入渗试验中，试验用土为重塑不同含水率的土，通过质量和体积控制不同密度。
3.根据权利要求1所述的基于室内试验的土体入渗计算与边坡分析方法，其特征在于，所述步骤(1)中一维土柱垂直入渗试验所采用的试验***包括供水装置(3)，供水装置(3)设置在固定支架(1)上部，供水装置(3)一侧设有刻度尺(2)，固定支架(1)一侧设有试验土柱(5)，所述试验土柱(5)固定在有机玻璃管内，有机玻璃管上端延伸至供水装置(3)一侧的固定支架(1)上部，供水装置(3)下部通过连接管和试验土柱(5)连通并通过内套(4)固定，试验土柱(5)内为土样(6)，试验土柱(5)下部设有过滤层(7)。
4.根据权利要求1所述的基于室内试验的土体入渗计算与边坡分析方法，其特征在于，所述步骤(1)中一维土柱垂直入渗试验包括积水入渗试验和无积水入渗试验。
5.根据权利要求4所述的基于室内试验的土体入渗计算与边坡分析方法，其特征在于，所述积水入渗试验具体的方法为：暴雨时，在室内模拟对应积水试验，用供水装置(3)进行自动恒压供水并控制积水高度恒定，积水高度根据模拟的暴雨强度而定，试验过程中用秒表定时，记录供水装置(3)水位变化，并观测土柱湿润锋变化过程。
6.根据权利要求4所述的基于室内试验的土体入渗计算与边坡分析方法，其特征在于，所述无积水入渗试验采用人工供水和/或自然降雨中的至少一种供水方式。
7.根据权利要求6所述的基于室内试验的土体入渗计算与边坡分析方法，其特征在于，所述无积水入渗试验采用人工供水时，具体方法为：控制速率在试验土体渗透系数以下，不产生积水情况，并持续供水，使水量在土柱截面分散均匀。
8.根据权利要求6所述的基于室内试验的土体入渗计算与边坡分析方法，其特征在于，所述无积水入渗试验采用自然降雨，具体方法为：在天然降雨情况下，降雨强度较小，将制备好的试验土柱置于室外，让雨水自然入渗，试验过程中用秒表定时，记录供水装置水位变化，并观测土柱湿润锋变化过程，计算得到该种土的湿润锋处含水率θf。
9.根据权利要求1所述的基于室内试验的土体入渗计算与边坡分析方法，其特征在于，所述步骤(2)中Green-Ampt入渗模型中，G-A模型表述为：
式中，i——地表入渗率，cm/min；Ks——饱和渗透系数，cm/min；zf——湿润锋深度，cm/min；sf——湿润锋处的基质吸力水头，cm；H——积水深度，cm。
非饱和入渗量I：
I＝(θf-θ0)zf (2)
式中，θf——湿润锋处含水率；θ0——土体初始含水率。
10.根据权利要求1所述的基于室内试验的土体入渗计算与边坡分析方法，其特征在于，所述步骤(2)中通过不变量积水入渗湿润锋含水率θf或无积水入渗湿润锋含水率θfu，即可通过雨量计算入渗深度；若持续降雨，则累积雨量I＝it，i为降雨雨强度，t为时间，通过
求出入渗锋的深度。
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