考慮基質(zhì)吸力影響的非飽和均質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析

員康鋒,　趙建斌

(山西省交通科學(xué)研究院 黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室,山西 太原　030006)

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考慮基質(zhì)吸力影響的非飽和均質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析

員康鋒,趙建斌

(山西省交通科學(xué)研究院 黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室,山西 太原030006)

摘要:控制吸力條件下非飽和土的強度特性主要基于膨脹土,文章針對侯禹高速公路某邊坡黃土進(jìn)行控制吸力固結(jié)不排水三軸剪切試驗,主要研究了有效應(yīng)力強度參數(shù)黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ隨基質(zhì)吸力的變化規(guī)律,并基于強度折減法對一定基質(zhì)吸力影響下的該邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。結(jié)果表明:黏聚力c隨基質(zhì)吸力的增大變化明顯,而內(nèi)摩擦角φ隨基質(zhì)吸力的增大基本不變;隨基質(zhì)吸力的增大安全系數(shù)增大;在低吸力階段,增大幅度較大,隨基質(zhì)吸力的增大,增大幅度變小。

關(guān)鍵詞:邊坡;控制吸力;固結(jié)不排水;強度折減法;安全系數(shù)

非飽和土邊坡的穩(wěn)定性研究一直是巖土工程界的一個重要課題,許多學(xué)者對此進(jìn)行了大量的研究,并取得了不少研究成果。文獻(xiàn)[1]認(rèn)為在其他條件相同的情況下,考慮非飽和土的基質(zhì)吸力,邊坡的安全系數(shù)會增大?；诜秋柡屯亮W(xué)理論的邊坡穩(wěn)定性分析是對傳統(tǒng)穩(wěn)定性分析方法一個很重要的發(fā)展,然而,針對非飽和黃土邊坡安全系數(shù)與基質(zhì)吸力之間的量化研究還不夠深入,定性的成果多而定量的并不多[2-9]。非飽和土在我國分布相當(dāng)廣泛,開展非飽和土邊坡的穩(wěn)定性研究具有十分重要的現(xiàn)實意義。

鑒于此,本文根據(jù)侯禹(侯馬至禹門口)高速公路某邊坡非飽和土的試驗結(jié)果,在非飽和土理論的基礎(chǔ)上,基于強度折減法研究基質(zhì)吸力對該邊坡穩(wěn)定的影響規(guī)律,為邊坡的穩(wěn)定和加固提供科學(xué)依據(jù),具有一定的理論和現(xiàn)實意義。

1非飽和土抗剪強度試驗

目前已被人們廣泛應(yīng)用的非飽和土抗剪強度有效應(yīng)力的公式主要有以下2種。

Bishop強度公式為:

(1)

Fredlund雙變量強度公式為:

(2)

(1)式、(2)式表明，非飽和土抗剪強度不僅與c′、φ′及法向應(yīng)力有關(guān),還與基質(zhì)吸力有關(guān),吸力所貢獻(xiàn)的這部分強度,即吸附強度[10]，記為τus,則(1)式、(2)式可重寫為:

(3)

由上述可知,吸附強度可以看做是非飽和土總凝聚力的一部分,即

(4)

1.1　試驗用土

選取晉南地區(qū)侯禹高速公路某邊坡,在邊坡中部取土,取土深度為1 m,土呈褐黃色,粉質(zhì)黏土,土質(zhì)均勻,土樣的天然含水量為9.6%。土樣在現(xiàn)場削成邊長為40～50 cm的長方體,標(biāo)明上下方向,并用塑料紙和膠帶包好,運回實驗室(運輸過程中盡量不擾動土樣)。

1.2　試驗儀器

本文試驗儀器采用江蘇某實驗儀器廠生產(chǎn)的應(yīng)力應(yīng)變控制非飽和土三軸儀,通過固定橫梁的反作用,將荷載施加于試樣,通過施加氣壓控制吸力。

1.3　試驗方法

利用非飽和土三軸儀進(jìn)行控制吸力固結(jié)不排水三軸試驗,共制備20個原狀三軸試樣,含水量為天然含水量,圍壓分別為50、100、200、400 kPa,控制吸力分別為50、100、150、200、250 kPa,在剪切過程中排水閥一直關(guān)閉,通過不斷調(diào)整所加氣壓,使得作用在試樣上的吸力等于設(shè)定吸力值,直到試樣剪切破壞,剪切以從壓力室外看到土樣有明顯裂紋或軸向變形百分表讀數(shù)達(dá)到12 mm為關(guān)機標(biāo)準(zhǔn)。

2試驗結(jié)果與分析

基于公式τf=ctotal+(σn-ua)tanφ′的非飽和土有效應(yīng)力抗剪強度包線如圖1所示。

圖1　不同控制吸力下的有效應(yīng)力抗剪強度包線

由圖1可看出,黏聚力c隨吸力的增大變化明顯,而內(nèi)摩擦角φ隨吸力的增大基本不變。

3實例分析

3.1　工程概況

侯禹高速公路是國道主干線二連浩特至河口在山西的重要出境路段,其建設(shè)對于完善路網(wǎng)布局,促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義。該路線全長65.56 km,穿越晉西黃土高原區(qū),地形起伏大,沖溝發(fā)育,深挖路塹形成的高邊坡多,邊坡高度普遍在20 m以上,研究區(qū)地形、地質(zhì)條件、周邊環(huán)境復(fù)雜,邊坡高陡。因此,邊坡的變形破壞機理分析及穩(wěn)定性評價是侯禹高速公路勘察設(shè)計需要解決的重要問題。

3.2　計算模型的建立

以侯禹高速公路某邊坡作為研究對象,該邊坡高為30 m,坡度為45°,坡身縱向長度為237 m。由于該邊坡較為均質(zhì),坡身與地基土物理力學(xué)性質(zhì)基本相同,其基本物理力學(xué)參數(shù)如下：重度為19 kN/m3，彈性模量為46.5 MPa，泊松比為0.3，黏聚力為21 kPa，摩擦角為32.96°。

為清除模型尺寸對計算結(jié)果的影響,模型左邊界距坡腳60 m,右邊界距坡頂80 m,底邊界距坡腳60 m。模型左右邊界約束水平位移,底邊界約束水平和豎向位移。計算模型中邊坡土體采用Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則,計算時采用關(guān)聯(lián)流動法則,基于“二分法”對邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。模型及其網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2　數(shù)值模型網(wǎng)格劃分

3.3　臨界滑動面的確定及結(jié)果分析

對于土體基質(zhì)吸力為50 kPa的邊坡,當(dāng)折減系數(shù)小于1.60時,邊坡水平向最大位移值較小,且隨著折減系數(shù)的增大,水平向最大位移增幅不大,邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)折減系數(shù)從1.60增大至1.61時,邊坡水平向最大位移陡增,此時,邊坡已經(jīng)發(fā)生失穩(wěn)破壞。由此可以看出,當(dāng)折減系數(shù)為1.60時,邊坡已達(dá)到臨界失穩(wěn)狀態(tài),即該邊坡的安全系數(shù)為1.60。

當(dāng)邊坡失穩(wěn)時,將產(chǎn)生明顯的局部剪切變形并形成貫通區(qū),貫通區(qū)內(nèi)外土體變形相差顯著,失穩(wěn)坡體將沿該貫通區(qū)滑動面滑出,失穩(wěn)時邊坡塑性應(yīng)變云圖及水平應(yīng)變云圖分布如圖3所示。

基于上述數(shù)值模型,運用強度折減法對土體基質(zhì)吸力分別為100、150、200、250 kPa的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析,計算相應(yīng)基質(zhì)吸力下邊坡的安全系數(shù),探討邊坡穩(wěn)定性與基質(zhì)吸力之間的規(guī)律,不同基質(zhì)吸力下邊坡的安全系數(shù)如圖4所示。

由圖4可以看出,隨基質(zhì)吸力的增大,安全系數(shù)增大,在低吸力階段,增大幅度較大,隨基質(zhì)吸力的增大,增大幅度變小。

圖3　塑性應(yīng)變和水平應(yīng)變云圖

圖4　安全系數(shù)隨基質(zhì)吸力的變化

通過對數(shù)函數(shù)擬合,該曲線擬合情況較好,安全系數(shù)隨基質(zhì)吸力的變化規(guī)律表述為:

Fs=0.255 4ln(ua-uw)+0.612 5

(5)

將基質(zhì)吸力引入到有限元計算中，建立非飽和黃土邊坡安全系數(shù)預(yù)測模型,(5)式的確定方法比較簡單。在分析實際工程問題時,只需用在工程中容易測得的基質(zhì)吸力就可以預(yù)測邊坡的安全系數(shù),對工程實際有一定的參考意義。

4結(jié)論

本文采用非飽和三軸儀進(jìn)行控制吸力固結(jié)不排水三軸試驗,根據(jù)試驗數(shù)據(jù)整理有效應(yīng)力強度參數(shù),基于強度折減法分析了不同基質(zhì)吸力下邊坡的安全系數(shù),主要結(jié)論如下:

(1) 黏聚力c隨基質(zhì)吸力的增大變化明顯,而內(nèi)摩擦角φ隨基質(zhì)吸力增大基本不變。

(2) 隨基質(zhì)吸力的增大,安全系數(shù)增大,在低吸力階段,增大幅度較大,隨基質(zhì)吸力的增大,增大幅度變小。

(3) 建立非飽和黃土邊坡安全系數(shù)預(yù)測模型,公式的確定方法比較簡單,對工程實際有一定的參考意義。

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(責(zé)任編輯閆杏麗)

詹炳根(1964-),男,安徽廬江人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)教授,碩士生導(dǎo)師.

Effect of matric suction on the stability of unsaturated homogeneous slope

YUAN Kang-feng,ZHAO Jian-bin

(Key Laboratory of Highway Construction and Maintenance Technology in Loess Region of Ministry of Transport, Shanxi Transportation Research Institute, Taiyuan 030006, China)

Abstract:Strength properties of unsaturated soils under the controlled suction used to be studied mainly with respect to the expansion soils. In this paper, the consolidated undrained triaxial tests of controlled suction on the loess from a selected slope of Houma-Yumenkou Highway were conducted. The changing law of the effective stress strength indexes including cohesion c and internal friction angle φ with the matric suction was analyzed. And the stability of the selected slope under certain suction was studied by shear strength reduction method. The results show that the change of cohesion c is obvious with the increase of matric suction, while the change of internal friction angle φ is not obvious with the increase of matric suction. The safety factor of the selected slope increases with the increase of matric suction. In the low suction phase, the increase amplitude of safety factor is larger, then becomes small with the increase of matric suction.

Key words:slope; controlled suction; consolidated undrainage; shear strength reduction method; safe factor

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2015.04.023

作者簡介：商文龍(1988-),男,山東禹城人,合肥工業(yè)大學(xué)碩士生;

收稿日期：2014-02-28；修回日期：2014-04-15

中圖分類號:TU411.7

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-5060(2015)04-0531-04