降雨条件下花岗岩残积土边坡稳定性的数值分析

《Soil Science Society of America Journal》：Numerical analysis of slope stability in granite residual soil under rainfall conditions

花岗岩风化壳区降雨诱发滑坡机制研究揭示：红土与砂土在渗流作用下的力学响应差异显著，红土内摩擦角与凝聚力同步下降，砂土以凝聚力损失为主。数值模拟表明坡脚水压饱和先于滑坡发生，深层锚固比浅层根系更有效防控由渗流-变形耦合引发的渐进性破坏，降雨强度≥0.03 m/h和坡度≥45°为关键触发阈值，复合土层界面易形成阶梯状滑动。

　　

摘要

降雨引发的滑坡在花岗岩风化壳中是一种常见的地质灾害，但土壤结构在控制水力-力学响应中的作用尚未得到充分量化。本研究结合实验室测试和ABAQUS有限元模拟，研究了典型边坡配置下的渗流-变形耦合及稳定性演变。直剪试验表明，红土对水分非常敏感，其黏聚力和内摩擦角均显著降低；而砂土的强度下降主要由黏聚力丧失引起，其摩擦角相对稳定。数值结果显示，孔隙水压力演变（这是破坏的前兆）主要受降雨强度、边坡位置和土壤渗透性的影响。边坡底部首先饱和并可能产生正压力，因此最有可能是破坏的起始区域。不同配置下的破坏模式各不相同：均匀的红土边坡通常因局部孔隙水压力骤增而发生深层滑动；均匀的砂土边坡则因渗流侵蚀导致渐进性的底部破坏；复合边坡（红土覆盖在砂土上）则因渗透性差异而容易发生阶梯状界面滑动。强降雨（≥0.03 m/h）和陡峭边坡（≥45°）会大幅降低边坡的安全系数。加固模拟进一步证明，深部锚固比浅层根系加固更能有效提高边坡稳定性。这些发现阐明了受土壤结构控制的破坏机制和水力触发条件，为花岗岩风化壳地区的早期预警和针对性减灾措施提供了依据。

通俗语言总结

我们对具有三种土壤类型的花岗岩风化壳边坡进行了降雨模拟：红土、砂土和层状复合土壤。我们监测了孔隙水压力和剪切强度的变化，以解释破坏的发生位置和方式。随着土壤吸水，其强度逐渐下降。红土的黏聚力和摩擦力显著减弱；砂土主要失去黏聚力。水分在边坡底部积聚，导致该部位首先饱和并可能产生正压力，因此破坏通常从这里开始。低渗透性的红土在底部产生最高的压力。砂土常因底部饱和和侵蚀而逐渐失效。复合边坡则常常沿着层间界面发生滑动。强降雨（≥30 mm/h）和陡峭边坡（≥45°）是常见的触发因素。对于由深层流动路径（裂缝或界面）控制的破坏，深部锚固效果最佳；而根系主要起到浅层防护作用。

利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。

数据可用性声明

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