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非饱和黏土边坡稳定性的研究

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《岩土力学杂志》2016年第一期

摘要:

考虑非饱和黏土边坡的基质吸力和渗流力,根据水位线位于滑面上、下的临界平衡状态,分别建立了滑体条块极限平衡状态下力和力矩平衡式,获得了降雨条件下非饱和黏土边坡稳定性的极限平衡条分法计算式。通过试验、参量变换以及作用力的位置关系可以确定相关参量,并采用数值计算求解临界平衡状态下滑体条块的相互作用力系数和非饱和边坡安全系数。案例结果表明:考虑渗流力时的非饱和黏土边坡安全系数比不考虑渗流力的安全系数降低约13.8%,且考虑渗流力作用的条间力作用系数变化率明显大于不考虑渗流力的结果;当降雨强度超过一定值时,坡面径流很快形成,边坡出现不稳定的时间基本相同。

关键词:

降雨;非饱和黏土边坡;边坡稳定性;极限平衡条分法

1引言

Bishop[1]提出的边坡圆弧滑面方法考虑了滑体静力平衡和力矩平衡,且计算简单,至今仍得到一定程度的应用。潘家铮[2]认为,极限平衡法计算滑坡时,应采用滑体的最大抗滑能力,且整个过程中抗滑力会自主调整。Fredlund等[3]探讨了各种边坡稳定性极限平衡法,并进行了比较分析。陈祖煜等[48]对边坡垂直条分法作了进一步改进,提出了确定临界滑裂面的数值方法,计算了边坡的最小安全系数,将改进后的Morgenstern-Price法推广到主动土压力计算分析领域。随着非饱和土力学理论和土体基质吸力测试技术的发展,采用极限平衡法分析降雨条件下非饱和土边坡稳定性已成为研究的热点。Fredlund[9]认为,边坡稳定性分析应该考虑基质吸力和孔隙水分,运用有限元法模拟边坡内暂态渗流过程,并考虑边坡正、负孔隙水压力,计算了暴雨入渗边坡的瞬态渗流场,通过显著降低的安全系数来体现高强度降雨的危害。Fredlund和Rahardjo[10]研究了非饱和土中水分迁移理论,他们认为,长时间降雨会使基质吸力丧失导致边坡破坏,并给出了计算高陡边坡稳定条件下的临界高度公式。

Alonso等[11]考虑了边坡土体类别、土-水特征曲线、降雨持续时间、入渗强度以及空气压力变化,并结合极限平衡理论和二维非饱和渗流原理计算分析了雨水入渗条件下的边坡稳定性。吴宏伟等[1213]认为,雨水入渗边坡既要考虑基质吸力减小,同时还要考虑到非饱和土渗透性增大,而且认为,边坡内上层滞水水位、初始地下水位、间歇式或持续降雨强度和持时以及各向异性的渗透系数共同决定边坡的安全系数。李兆平[14]、KimotoS[15]、WonTaek[16]等分析了降雨条件下边坡的稳定性和失稳的力学机制,得到降雨条件下非饱和土边坡的瞬态安全系数。Fredlund等[1718]通过极限平衡条块法求解了边坡土体内负孔隙水压力对边坡抗剪强度及相关参数的影响。李荣建等[1920]基于Fredlund和Bishop的非饱和土理论,探讨了考虑基质吸力的极限平衡和强度折减法,并分析了非饱和土边坡的稳定性。为考虑降雨条件下基质吸力和渗流力对非饱和黏土边坡稳定性的影响,本文采用极限平衡条分法,建立降雨条件下非饱和黏土边坡稳定性的计算式,并进行定量分析黏土边坡的安全性。

2非饱和黏土边坡的极限平衡条分法计算原理

将非饱和黏土边坡的潜在滑体垂直划分成n个条块,取单位宽度滑体的第i条块进行力学计算,按水位线在滑面上、下分别分析条块临界平衡状态,条块几何参数和受力情况如图1所示。

2.1水位线位于滑面之上的临界平衡式(1)由条块滑面中心切向和法向的受力平衡,可得。

2.2水位线位于滑面之下的临界平衡式当水位线位于滑面之下时(如图1(b)所示),滑面上的孔隙水压为0(p0iU),而滑面上存在基质吸力。因此,条块滑面上的抗剪强度增加了基质吸力的有效作用,而条块间作用面尚未达到临界状态,界面上的基质吸力包含在侧面作用力中。因此,非饱和黏土边坡临界平衡计算需要考虑滑面上的基质吸力。

2.3降雨条件下滑体的临界平衡式降雨条件下,黏土边坡还可能会受到渗流力的作用,当渗流力作用方向平行于滑面时,可得到单位宽度滑体第i条块上渗流力。

3边坡安全系数求解

根据上述分析可知,通过试验、参量变换以及作用力的位置关系可以确定相关参量,可以求解边坡临界平衡潜在滑面条块的力和力矩平衡问题。根据计算方程的特性,可采用数值计算求解滑体条块的相互作用力系数和边坡安全系数sf,求解过程如图2所示。

4案例分析

4.1边坡模型公路沿线的某黏土边坡,表层开挖后,由于持续的降雨作用,黏土含水率增大,抗剪强度明显减小。加上边坡较高,且分级平台宽仅有1m,遇到降雨就很容易失稳。边坡黏土物理力学参数如表1所示,降雨入渗边坡计算模型如图3所示,边坡纵向宽度取1m。边坡黏土初始处于非饱和状态,黏土初始含水率为20.7%。雨水渗入后降低了黏土力学参数,并获得了降雨条件下边坡最不利状态时黏土的饱和黏聚力为21.5kPa,内摩擦角为14°。

4.2不同雨水入渗深度下的边坡稳定性按忽略渗流力和考虑渗流力分别计算边坡安全系数。持续降雨作用下,雨水入渗到边坡内,湿润锋面抗剪强度最低,因此,边坡潜在滑面会沿湿润锋面形成。由于第1、2级边坡坡率和第3级边坡坡率不同,因此,相应的雨水入渗深度也有差别。降雨入渗边坡分别以坡顶入渗深度与坡脚点或坡中入渗深度与坡脚点组成的滑面进行计算,计算模型如图4所示。持续降雨入渗边坡安全系数随入渗深度增大的改变情况如图5所示。由图5可知,坡顶雨水入渗深度为345cm或坡中雨水入渗深度为406cm时,边坡失稳。降雨入渗边坡的渗流力对边坡稳定性影响较大,随着雨水入渗深度增大,渗流力的影响越来越小,如图6所示。边坡失稳将要出现时,考虑渗流力的安全系数比不考虑渗流力的安全系数降低约13.8%。运用极限平衡条分法,得到边坡条块间竖向力和水平力间的作用系数变化如图7所示。

由图5可知,坡顶雨水入渗深度为345cm或坡中雨水入渗深度为406cm时,边坡失稳。降雨入渗边坡的渗流力对边坡稳定性影响较大,随着雨水入渗深度增大,渗流力的影响越来越小,如图6所示。边坡失稳将要出现时,考虑渗流力的安全系数比不考虑渗流力的安全系数降低约13.8%。运用极限平衡条分法,得到边坡条块间竖向力和水平力间的作用系数变化如图7所示。当降雨强度过大时,雨水很快就会发生坡面径流。由图8可知,当降雨强度大于等于3.56mm/s时,边坡出现不稳定的时间基本相同。

5结论

(1)基于极限平衡条分法,考虑非饱和黏土基质吸力和渗流力,建立了滑体条块满足力和力矩平衡式,获得了降雨条件下黏土边坡饱和与非饱和渗流的极限平衡条分法计算式,并提供边坡安全系数求解方法。(2)案例结果表明,随着雨水入渗深度增大,渗流力的影响逐渐减小;考虑渗流力时的边坡安全系数比不考虑渗流力的安全系数降低约13.8%,条块间作用力系数随坡面雨水入渗深度增大而减小,且考虑渗流力作用的条间力作用系数变化率明显大于不考虑渗流力的结果。(3)当降雨强度过大时,雨水很快就会发生坡面径流,边坡出现不稳定的时间基本相同。

参考文献

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作者:刘子振 言志信 单位:台州学院 建筑工程学院 兰州大学 土木工程与力学学院

岩土力学杂志责任编辑:杨雪    阅读:人次