邊坡穩(wěn)定分析

非飽和土坡穩(wěn)定是近年來人們所關(guān)心的熱點(diǎn)，特別是降雨引起非飽和土坡失穩(wěn)，給人們生產(chǎn)及安全帶來了極大損失。主要介紹了由于雨水入滲，使非飽和土坡的含水量發(fā)生變化，而含水量正是與基質(zhì)吸力有著直接的聯(lián)系。正是由于基質(zhì)吸力的變化才使整個土坡的整體穩(wěn)定性也隨著變化，也就是說安全系數(shù)與含水量分布有著必然的關(guān)系。從而得出當(dāng)土坡處于危險狀況下的含水量分布,當(dāng)土坡中的含水量達(dá)到危險含水量時，土坡處于危險狀態(tài)。這種含水量分布就叫做DVWCCP(DangerousVolumetricWaterContentCurvesProfile)。因此,通過監(jiān)測土坡的含水量的變化來獲得土坡的穩(wěn)定信息，為生產(chǎn)和安全提供保障。:《非飽和土坡的穩(wěn)定分析》張士林，邵龍?zhí)兑灰?西部探礦工程)2006(12)281-283.近年來，國內(nèi)外學(xué)者對于非飽和土進(jìn)行了比較深入的研究，取得了不少成果。Vanapalli&Frendlund在1996年，提出了非飽和土的抗剪強(qiáng)度公式[1~2]:Tf=c'+[Ot-ua+Se(ua-uw)]tanU'(1)其中:Se=S-Sr1-SF式中:S 飽和度；Sr 殘余飽和度；Tf 抗剪強(qiáng)度；。t 總應(yīng)力；ua 孔隙氣壓力；u 孔隙水壓力；ua-uw 基質(zhì)吸力；c'、' 有效內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角。當(dāng)S=1,也就是當(dāng)土體飽和時,Se=1-Sr1-Sr=1,基質(zhì)吸力ua-uw=0。那么,非飽和土的抗剪強(qiáng)度公式就可以寫成飽和土的抗剪強(qiáng)度公式：Tf=c'+(。「uw)tan'(2)這樣公式(1)就把正的以及負(fù)的孔隙水壓力都包括進(jìn)去了[3],從而能夠比較全面的進(jìn)行計(jì)算土坡的穩(wěn)定性。文中采用公式(1)進(jìn)行非飽和土坡的穩(wěn)定性分析，下面詳細(xì)介紹分析過程。L.T.Shao,Zh.P.Wang.Onthestabilityofunsaturatedsoilslopes[Conf].ProceedingsoftheAsianConferenceonUnsaturatedSoils,2000.825?829.VanapalliS.K,FrendlundD.G.ModelforthePredictionofShearStrengthwithRespecttoSoilSuction.[J].Can.Geo.1996.Vol.33.54?59.隨著城市建設(shè)的發(fā)展，城市土地資源越來越緊張，因此充分利用地下空間將成為21世紀(jì)城市建設(shè)與發(fā)展的方向，對于北京地區(qū)來說，地下工程涉及的土質(zhì)主要是非飽和土。而土體含水量的變化對非飽和土強(qiáng)度影響極為明顯，由此勢必會影響到非飽和土工程的安全性,如建筑物基坑的安全性，市政設(shè)施開挖后的邊坡的安全性等。文獻(xiàn)1討論了降雨對建筑物基坑邊坡穩(wěn)定性的影響，降雨之所以產(chǎn)生影響是因?yàn)榻涤晔沟猛馏w含水量發(fā)生了變化，降低了土體的強(qiáng)度。因此在研究土體含水量的變化對非飽和土工程安全性影響時，首先要弄清含水量的變化對非飽和土強(qiáng)度的影響。土體強(qiáng)度是土體工程性質(zhì)最直觀的體現(xiàn)，人們關(guān)心土體工程性質(zhì)在很大程度上體現(xiàn)在對土體強(qiáng)度的考慮上。含水量與土體強(qiáng)度的關(guān)系很早以前就引起巖土工程界的關(guān)注，在廣大北方地區(qū),由于地下水位比較低，施工范圍內(nèi)的土質(zhì)以非飽和土為主，含水量的改變對非飽和土強(qiáng)度的影響更為明顯，然而，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果初步表明:含水量與非飽和土的強(qiáng)度絕不是簡單的線性關(guān)系或此消彼漲的關(guān)系。如何從定量的角度建立含水量與非飽和土強(qiáng)度的關(guān)系，對于巖土工程設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性預(yù)測具有重要的意義。1李兆平.降雨入滲對基坑工程安全性影響的研究.［J］中國安全科學(xué)學(xué)報.Vol.10,No.3,2000.有些文獻(xiàn)報道了一些學(xué)者研究了降雨入滲和邊坡穩(wěn)定性的關(guān)系［1~3］,取得若干重要的研究成果，引起了人們對研究降雨入滲給土體工程安全性影響的重視。但是，上述研究工作均未考慮土壤入滲特性隨降雨入滲的變化而變化，在處理降雨入滲量的時候,均假定一個入滲量,如Fredlund［1］在處理斜坡降雨入滲量時，假定10%的入滲量，而水平地面則100%的入滲。Lumb［2］假定50%的入滲量,吳宏偉［3］假定了70%的入滲量。這些假定，都與實(shí)際的雨水入滲情況差別較大。降雨入滲的規(guī)律應(yīng)該是:降雨入滲開始時期，由于降雨強(qiáng)度往往小于土壤的入滲能力，所以，實(shí)際發(fā)生的入滲率即為降雨強(qiáng)度（供水強(qiáng)度）。隨著累積入滲量的增加，土壤剖面含水率逐漸增大,入滲能力逐漸減小,到一定時刻后，就會出現(xiàn)降雨強(qiáng)度大于土壤的入滲能力，此時,實(shí)際發(fā)生的入滲率為一逐漸減小的過程，而超出入滲率的降雨則形成積水或地表徑流。因此，降雨入滲過程應(yīng)分為兩個階段：第一階段為供水控制階段（通量控制）;第二階段為土壤入滲能力控制階段（剖面控制）。在雨水入滲引起非飽和土中，基質(zhì)吸力的消失或減小是降雨引起邊坡安全系數(shù)降低的主要機(jī)理。2）降雨入滲對邊坡安全性的影響程度，受降雨強(qiáng)度、降雨持續(xù)時間、土體初始含水率以及飽和滲透系數(shù)等因素的影響?！?】FredlundDG等著.非飽和土土力學(xué).陳仲頤等譯.北京:中國建筑工業(yè)出版社,1997.【2】LumbP.Effectofrainstormonslopestability.Sym.onHongKongsoils.【3】吳宏偉、陳守義等.雨水入滲對非飽和土坡穩(wěn)定性影響的參數(shù)研究.巖土力學(xué),1999,20（1）.Lumb[1]率先研究了香港地區(qū)降雨和滑坡的關(guān)系。他提出一種簡化的一維垂直入滲模型并用于計(jì)算濕潤峰推進(jìn)的速度及入滲停止后含水量再分布過程。然后根據(jù)抗剪強(qiáng)度與飽和度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，并假定破壞面平行坡面，研究了地質(zhì)條件和降雨特性對斜坡穩(wěn)定性的影響?？紤]的具體影響因素包括土的入滲能力、土的初始飽和度、降雨強(qiáng)度與降雨持時曲線、暴雨前降雨量、間歇性降雨以及坡面防滲情況等。Lumb研究的結(jié)論為:香港斜坡的穩(wěn)定性由土的入滲能力來控制,某次特定暴雨對斜坡穩(wěn)定性的影響取決于該次暴雨過程屬于多少年一遇的水平，還取決于該次暴雨前的降雨量。但Lumb在研究中未考慮水平滲流分量的影響,且假定導(dǎo)水率K及擴(kuò)散度D均為常量，F(xiàn)redlund等［2,3］反復(fù)強(qiáng)調(diào)負(fù)孔隙水壓力對土坡穩(wěn)定性的影響，并重新研究了邊坡穩(wěn)定分析中的安全因數(shù)計(jì)算公式,以便把正的和負(fù)的孔隙水壓力都包括進(jìn)去。他通過香港陡坡的算例進(jìn)行了暴雨情形下的瞬態(tài)滲流分析和邊坡穩(wěn)定分析。分析中采用模擬降雨前穩(wěn)態(tài)滲流條件下的孔隙水壓力分布作為暴雨期間瞬態(tài)分析的初始條件。滲流分析中假定孔隙空氣壓力不變，用Galerkin有限元法模擬穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)滲流場，通過滲流分析可以得出暴雨開始后不同時刻的孔隙水壓力分布,從而分析土坡在不同時刻的穩(wěn)定性。分析結(jié)果表明:由于臨界滑動面比較淺,負(fù)孔隙水壓力在抗剪強(qiáng)度發(fā)揮中起主要作用,所以暴雨期間安全因數(shù)下降很顯著，并有可能導(dǎo)致斜坡的破壞。Sammori和Tsnboyanma［4］用Galerkin有限元法模擬暫態(tài)滲流過程，并對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了參數(shù)研究。滲流分析采用的控制方程為Richard方程，穩(wěn)定性分析采用簡化Bishop法。選擇的變化參數(shù)包括斜坡長度、土層深度、橫截面形狀和土的性質(zhì)，但降雨強(qiáng)度保持不變。分析結(jié)果表明:對斜坡穩(wěn)定性不利的參數(shù)取值情況是較低的導(dǎo)水率，較長的斜坡，較淺的土層深度和凹形的斜坡表面。Alonso等［5］進(jìn)行了土坡二維非飽和滲流和極限平衡法的聯(lián)合分析，滲流分析中采用了考慮空氣壓力變化的耦合型控制方程?？紤]的影響因素包括土的類型、降雨持時、降雨強(qiáng)度、水分保持曲線的形狀和土的滲透性。主要研究結(jié)論為:安全因數(shù)變化所需的時間與土的滲透系數(shù)成反比，且飽和滲透系數(shù)Kw<10-7m/s時，在降雨的當(dāng)時看不出安全因數(shù)明顯下降;對于水分保持曲線形狀比較光滑（亦即級配較好）的土，安全因數(shù)下降所需延遲時間較為顯著;高降雨強(qiáng)度和低滲透性的參數(shù)組合可導(dǎo)致降雨后安全因數(shù)的降低。可以看出,Alonso的結(jié)論都是與降雨引起延遲型的土坡失穩(wěn)有關(guān)。Shimada等［6］用Galerkin有限元法模擬二維非飽和滲流，采用剛體彈簧模型進(jìn)行斜坡穩(wěn)定性數(shù)值分析?？紤]的影響因素包括降雨強(qiáng)度和土的類型。他的計(jì)算結(jié)果表明：較高的降雨強(qiáng)度可以顯著降低模型斜坡的安全因數(shù);滲透性函數(shù)對模型斜坡安全因數(shù)的降低只有較小影響;在土的水分保持曲線靠近飽和一端，基質(zhì)吸力的較小改變可引起模型斜坡安全因數(shù)的大幅度降低°Sun等［7］認(rèn)為空氣壓力對非飽和土的滲流有明顯的影響，發(fā)展了應(yīng)力和兩相流的耦合理論，并應(yīng)用于分析降雨引起土坡的淺層破壞。推導(dǎo)了將多相流與多孔介質(zhì)固結(jié)相耦合的控制方程組，并用一個將吸力、飽和度和孔隙比聯(lián)系在一起的狀態(tài)方程作為附加方程。Galerkin有限元法用于離散控制方程，有限差分公式用于離散時域?？偹^、空氣壓力及飽和度視為獨(dú)立變量。該理論被用于分析Yash-naga斜坡。分析結(jié)果表明，由于空氣壓力的影響，使朝向斜坡深部的滲流變慢，而斜坡淺部將迅速飽和。雨水入滲造成斜坡淺部從坡頂?shù)狡履_方向的滲流，并很易在坡腳產(chǎn)生破壞。如果分析中不考慮空氣壓力的作用，則雨水會不斷地滲到坡體的深處一直使斜坡底部成為飽和狀態(tài)，此情形下的滲透力使斜坡的穩(wěn)定性增大。Sun等認(rèn)為不考慮空氣壓力的分析結(jié)果不符合實(shí)際情況。最近,Ng和Shi［8］針對香港情況用有限元法研究了各種降雨事件和初始條件對暫態(tài)滲流和斜坡穩(wěn)定性的影響。研究結(jié)果表明，雨水入滲引起基質(zhì)吸力的減小和非飽和土滲透性的增大，并在主要地下水位以上出現(xiàn)上層滯水水位。安全因數(shù)不僅受到降雨強(qiáng)度、初始地下水位和各向異性滲透比的控制，而且還取決于先期降雨的持時。斜坡失穩(wěn)是山區(qū)常見的自然災(zāi)害?；潞湍嗍鞯陌l(fā)生與降雨關(guān)系密切是早為人知的事實(shí),但人們對這種關(guān)系的認(rèn)識和理解仍很不充分。深入研究降雨引起斜坡失穩(wěn)的規(guī)律并建立定量的分析模型對于滑坡、泥石流災(zāi)害的預(yù)測和預(yù)防有重要的指導(dǎo)意義。研究降雨引發(fā)滑坡的規(guī)律性有兩種途徑，一是用統(tǒng)計(jì)分析尋求降雨與滑坡相關(guān)性規(guī)律;二是研究雨水入滲引發(fā)滑坡的物理過程并建立定量的分析模型，然后利用這種分析模型進(jìn)行參數(shù)研究。本文的研究途徑屬于后者。LumbP.Effectofrainstormonslopestability.Sym.onHongKongsoils.,HongKong,1962.73?87FredlundDG.Slopestabilityanalysisincorporat-ingtheeffectofsoilsuction.In:SlopeStability.AndersonM.G.andRichardsNewYork:Wiley.1987.113~144DG弗雷德隆德,H拉哈爾佐.非飽和土土力學(xué).陳仲頤等譯.北京:中國建筑工業(yè)出版社,1997.392?405SammoriTandTsuboyamaY.Parametricstudyonslopestabilitywithnumericalsimulationinconsiderationofseepageprocess.In:Proc.6th,Int.Symp.onLandslide.Bell(ed.)Balkema,Rotterdam.1991.539?544AlonsoE,GensA,LioretA,DelahayeC.Effectofraininfiltrationonthestabilityofslopes.UnsaturatedSoils.1995.1,241~249ShimadaK,FujiiH&NishimuraSandMcriiT.Stabilityofunsaturatedslopesconsideringchangesofmatricsuction.UnsaturatedSoils,1995.1,293~299SunY,NishigakiM&KchnoI.Astudyon