含水率對邊坡土性及其穩(wěn)定性的影響

劉紀(jì)峰,盧明師

(三明學(xué)院土木建筑工程系,福建三明 365004)

0 前言

邊坡穩(wěn)定性分析和評價是巖土工程界極為關(guān)注的研究課題之一,也是邊坡工程的核心問題,如何正確評價和準(zhǔn)確預(yù)測不同條件下的邊坡穩(wěn)定性,對于確保工程安全和降低建設(shè)費用、有效降低地質(zhì)災(zāi)害給人民的生命財產(chǎn)帶來的損失,具有重要的意義[1-2]。

邊坡穩(wěn)定性分析的研究方法很多,大致可分為定性分析和不確定分析方法,前者包括自然(成因)歷史分析法、圖解法、邊坡穩(wěn)定性分析數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)等;后者主要包括極限平衡分析法、數(shù)值分析方法、灰色系統(tǒng)評價法、可靠度分析方法、模糊綜合評價法等[3]。

何永金[4]分析了暴雨引發(fā)土質(zhì)邊坡滑坡的主要原因。姚裕春等[5]用離心模型試驗研究了降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響。錢紀(jì)蕓等[6]的研究表明:降雨對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生很大影響,降雨引起均質(zhì)土坡發(fā)生淺層土體滑移破壞雨水入滲至土坡較深的位置,降雨引起土坡位移逐漸增大,最終形成明顯的位移集中區(qū)域。土坡中一點位移發(fā)展可分為小位移階段、迅速增大階段和緩慢增大階段。嚴(yán)繼華[7]研究了華南紅土不同含水率條件下的力學(xué)特性,得到了一些有意義的成果。趙穎文[8]通過室內(nèi)試驗對廣西貴港紅粘土、湖北荊門弱膨脹土與中膨脹土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)、原狀樣脫濕過程中的強度變化、擊實樣泡水前后強度變化以及脫濕吸濕性能等方面進行了對比試驗研究,結(jié)果顯示含水率對土體性質(zhì)有顯著影響。

本文對不同含水率條件下邊坡土體性質(zhì)進行了物理力學(xué)試驗,并結(jié)合 Matlab7.0程序編程,將研究成果應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的計算分析。

1 快剪試驗

對邊坡土體的重塑土樣做了不同含水率下的快剪試驗,試驗結(jié)果如表1所示。

由表1可以發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律:內(nèi)摩擦角φ隨含水率w的增大而逐漸減小;粘聚力 c隨含水率 w的增大,先增大后減小。作者采用Origin6.1軟件,分別用指數(shù)衰減函數(shù)和Gaussion函數(shù)擬合試驗結(jié)果。得到的抗剪強度指標(biāo)內(nèi)摩擦角 φ與含水率w的關(guān)系擬合曲線見圖1,黏聚力c與含水率 w的關(guān)系擬合曲線見圖2,圖1和圖2中曲線的擬合表達式見式(1)和式(2)。通過圖1、圖2的擬合曲線可以看出不同含水率下重塑土樣:含水率越大抗剪強度越小,含水率對黏聚力 c和內(nèi)摩擦角 φ的影響都比較大,內(nèi)摩擦角φ隨含水率w的增大而逐漸減小;黏聚力c隨含水率 w的增大,先增大后減小。

表1 邊坡重塑土樣不同含水率下直剪試驗結(jié)果

2 含水率對邊坡穩(wěn)定性影響

為分析含水率變化引起土體性質(zhì)變化對邊坡穩(wěn)定性的影響,假定其黏聚力和內(nèi)摩擦角隨含水率的變化符合式(1)和式(2),分別用圓弧滑動條分法和 FLAC3D強度折減法研究含水率變化對邊坡穩(wěn)定性的影響。所選算例如下:邊坡高5 m,坡度1∶2,土質(zhì)為均質(zhì)土,重度γ=18 kN/m3,其圓弧滑動條分法計算簡圖如圖3所示。

2.1 圓弧滑動條分法(Fellenius法)計算結(jié)果及分析

圖3 邊坡穩(wěn)定性計算簡圖

采用圓弧滑動條分法計算邊坡穩(wěn)定性,該法的基本原理是將假定滑動面以上的土體分成 n個垂直土條,不考慮土條之間的相互作用力,對作用于各土條上的力進行力和力矩的平衡分析,求出在極限平衡狀態(tài)下土體穩(wěn)定的安全系數(shù),判斷邊坡是否發(fā)生滑坡。

圓弧滑動條分法的計算流程如下:

(1)按比例繪制邊坡的截面圖(見圖3)。

(2)根據(jù)坡腳 α查得坡底角 β1和坡頂角 β2,由此求出試算的滑動圓心 O1,量出滑動半徑。

(3)將邊坡分條,每條寬度bi=(1/201/10)R,本例取條寬為R/10=10.4/10=1.04m,對各條編號,其中編號為負(fù)值的表示其產(chǎn)生的切向力反向。

式中:di為第i土條自重心至O1的距離,m;i為土條編號數(shù);b為條寬,m。

(5)量出各條的中心高度hi和弧長。

(6)列表計算相應(yīng)于滑動圓心 O1時的穩(wěn)定安全系數(shù)。

O1不一定是最危險滑動圓弧的滑動中心,因而K(O1)不一定是最小的穩(wěn)定安全系數(shù)。故還需按照上述方法,經(jīng)過多次試算以求得最小穩(wěn)定安全系數(shù)。不同含水率時對應(yīng)的邊坡最小穩(wěn)定安全系數(shù),二者相互關(guān)系見圖4。

由式(4)可以看出:含水率的變化對邊坡土體重度 γ、黏聚力 c和內(nèi)摩擦角 φ都有影響,其中對后 2個參數(shù)的影響分別由式(1)和式(2)計算,γ和含水率的關(guān)系為:

圖4 不同含水率和初始重度的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)

式中 γd為土的干重度。

綜合式(1)、(2)、(4)和(5),可將含水率對邊坡穩(wěn)定性K(O1)的影響在Matlab7.0中編程實現(xiàn)[9],含水率計算區(qū)間為10%40%。

不同初始重度條件下含水率對邊坡穩(wěn)定系數(shù)的影響見圖4,由圖4可以看出:各初始重度條件下,受含水率對土體黏聚力、內(nèi)摩擦角和重度的綜合影響,邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨邊坡土體含水率增大而變化,總體趨勢為先減小,后增大,增大到峰值后又急劇衰減。相同含水率時,土體初始重度越大的邊坡,其邊坡穩(wěn)定性系數(shù)越小,初始重度為18 kN/m3時,含水率達 40%時邊坡穩(wěn)定性系數(shù)仍大于 1;初始重度為21 kN/m3時,含水率在37%左右時邊坡穩(wěn)定性系數(shù)仍為 1,邊坡處于臨界滑坡狀態(tài);初始重度進一步增大到 24 kN/m3時,含水率在 32%時邊坡穩(wěn)定性降低到 1,處于臨界滑坡狀態(tài)。說明邊坡土體初始重度越大,含水率增大時,邊坡越容易發(fā)生滑坡,這實質(zhì)上是反映了各土條自重增大速率的增加和土條黏聚力、內(nèi)摩擦角的綜合變化對邊坡穩(wěn)定性的影響,與自然界在持續(xù)暴雨時邊坡含水率持續(xù)增大(坡土黏聚力和內(nèi)摩擦角變化,重度增加)邊坡容易發(fā)生滑坡現(xiàn)象是比較一致的。

2.2 FLAC3D強度折減法數(shù)值模擬分析

強度折減法的基本原理為:定義安全系數(shù)為巖土體實際抗剪強度與臨界破壞時折減后的剪切強度的比值,其計算要點是通過折減系數(shù)除以巖土體的強度指標(biāo) c和 φ求得折減后的對應(yīng)指標(biāo),然后在FLAC3D中對邊坡穩(wěn)定性進行數(shù)值分析,不斷增大折減系數(shù),反復(fù)計算,直至其達到臨界破壞,此時得到的折減系數(shù)即為安全系數(shù)。

圖5 FLAC 3D數(shù)值模型網(wǎng)格劃分

FLAC3D數(shù)值模擬網(wǎng)格劃分見圖5,選取模型參數(shù)如下:坐標(biāo)原點在模型左下角,X軸向右為正,Y軸向里為正,Z軸向上為正。模型 X向長 20m,Y向?qū)?.5m,Z向高共8m,其中邊坡高5 m,與圖3一致。土體參數(shù)初始重度為18 kN/m3,不同含水率及對應(yīng)的黏聚力和內(nèi)摩擦角按表1選取,模擬過程中先將土體設(shè)為彈性體,在自重固結(jié)完成后將初始位移設(shè)置為0后,土體模型重設(shè)為摩爾-庫倫模型,抗拉強度為100 MPa,彈性模量為 2 MPa,泊松比為 0.3,膨脹角為20°,摩爾-庫倫參數(shù)隨含水率變化適當(dāng)折減。FLAC3D強度折減系數(shù)法模擬的含水率和邊坡穩(wěn)定性系數(shù)關(guān)系曲線見圖6。

由圖4和圖6可知:FLAC3D強度折減系數(shù)法模擬的結(jié)果和Matlab7.0中圓弧滑動條分法的計算結(jié)果比較一致,所不同的是,由于二者的理論假定不同,在具體不同含水率對應(yīng)的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)大小方面有所差異,數(shù)值模擬結(jié)果在含水率較小的時候得出的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)更小一些,而在含水率為 17%左右時二者所得出的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)基本相差不大,都在 4.0左右;隨著含水率進一步增大,數(shù)值模擬的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的降低速度較圓弧滑動條分法的更快。

3 結(jié)論與展望

了解含水率對邊坡土體性質(zhì)的影響是研究含水率對邊坡穩(wěn)定性影響的基礎(chǔ),基于以上考慮,進行了不同含水率條件下邊坡土體性質(zhì)的物理力學(xué)試驗,在Matlab7.0中編程以及采用FLAC3D強度折減法進行了數(shù)值模擬,將研究成果應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的求解,結(jié)果表明:

圖6 FLAC3D模擬的含水率和邊坡穩(wěn)定性系數(shù)關(guān)系曲線

(1)內(nèi)摩擦角φ隨含水率 w的增大而呈指數(shù)函數(shù)降低。(2)粘聚力c隨含水率w的增大按照Gaussion函數(shù)先增大后減少,從函數(shù)可看出拐點發(fā)生在w=17.5%左右。(3)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨邊坡土體含水率增大而變化,總體趨勢為先減小,后增大,增大到峰值后又急劇衰減。(4)相同含水率時,土體初始重度越大的邊坡,其邊坡穩(wěn)定性系數(shù)越小。(5) FLAC3D強度折減系數(shù)法模擬的結(jié)果和Matlab7.0中圓弧滑動條分法的計算結(jié)果規(guī)律比較一致,但由于理論假定不同,在具體數(shù)值上有所差異。

本文基于不同含水率時的邊坡土體力學(xué)性質(zhì)的試驗結(jié)果,分別用圓弧滑動條分法和 FLAC3D強度折減法求得同一邊坡的穩(wěn)定系數(shù)并進行了一些基礎(chǔ)闡述和分析。但限于水平和研究時間,作者認(rèn)為還有如下問題有待進一步深入研究:

(1)邊坡降雨入滲對其穩(wěn)定性的影響。已有的研究表明:不同降雨強度、不同降雨持續(xù)時間條件下邊坡滲流對其穩(wěn)定性的影響是非常大的,本文研究的側(cè)重點在于含水率變化對土體性質(zhì)影響造成邊坡穩(wěn)定性的變化,沒有考慮降雨入滲對邊坡穩(wěn)定性的影響,與實際情況有一點差異。需要說明的是,邊坡降雨入滲的影響是可以在FLAC3D中模擬分析的,用諸如無網(wǎng)格法進行相應(yīng)的分析也是研究的熱點方向。(2)土樣的代表性問題。試驗所用土樣為校內(nèi)土坡土樣,其代表性尚有待更多其它地方邊坡土體試驗結(jié)果的驗證。作者認(rèn)為,應(yīng)在同一地區(qū)取不同地方的典型土樣進行物理力學(xué)性質(zhì)的室內(nèi)試驗,將所取參數(shù)用于理論分析才更有可信度,這也是下一步準(zhǔn)備深入開展的工作。

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