殘積土邊坡穩(wěn)定性分析

郭宏瑞 張 超

(云南坦盛巖土工程有限公司，云南 昆明 650228)

1 殘積土邊坡穩(wěn)定性的特性

殘積土邊坡穩(wěn)定性的原則與一般沉積土邊坡基本一致，但它又有自己的特性[1]，如下：

1)穩(wěn)定狀態(tài)的殘積土邊坡通常能比一般沉積土邊坡更陡峭，坡角45°或者更陡的邊坡并不少見(jiàn)；

2)殘積土邊坡失穩(wěn)時(shí)，一般不會(huì)發(fā)生深層破壞，滑面一般都相對(duì)較淺，經(jīng)常稍微彎曲或呈平面，但滑坡體依然可能會(huì)很大；

3)在高于地下水水位的殘積土邊坡中，負(fù)孔隙水壓力對(duì)抗剪強(qiáng)度的提高，起著重要作用；

4)殘積土邊坡中存在的不連續(xù)面及滲流條件對(duì)邊坡穩(wěn)定性有著重要影響；

5)通常殘積土邊坡的失穩(wěn)是由暴雨及暫時(shí)的孔隙水壓力增加而導(dǎo)致的；

6)實(shí)際上，許多殘積土滑坡是由于人類(lèi)活動(dòng)導(dǎo)致的，比如對(duì)自然坡體的亂挖亂堆，坡體表面森林的亂砍亂伐及對(duì)大自然排水和滲流的擾動(dòng)。

2 非解析方法分析邊坡穩(wěn)定性

非解析法也是自然邊坡穩(wěn)定性分析的必要手段。這些方法看起來(lái)雖然原始，但是還是非常有效的[2]。

1)野外踏勘；2)邊坡及周邊地區(qū)地質(zhì)評(píng)價(jià)；3)航拍照片調(diào)查；4)查看土質(zhì)相同的相似邊坡。

對(duì)邊坡進(jìn)行詳細(xì)踏勘，并輔以專(zhuān)業(yè)地質(zhì)知識(shí)，可以很好的指導(dǎo)邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，如圖1所示，坡線相對(duì)平緩的邊坡一般都是風(fēng)化侵蝕形成的，沒(méi)有滑動(dòng)過(guò)。相反，坡線不規(guī)則的邊坡基本都是滑動(dòng)過(guò)的。

3 解析法的局限性

解析法主要受限于殘積土邊坡的滲流條件和土體抗剪強(qiáng)度的不確定，但恰是這兩個(gè)因素對(duì)邊坡穩(wěn)定性的分析至關(guān)重要。根據(jù)邊坡均勻性特征，邊坡可被劃分為三種類(lèi)型，如下：

1)均勻且各向同性的邊坡；2)含有明顯連續(xù)的軟弱結(jié)構(gòu)面的邊坡；3)不均勻且沒(méi)有明顯軟弱結(jié)構(gòu)面的邊坡。

3.1 勻質(zhì)邊坡

這種邊坡利用傳統(tǒng)的圓弧滑動(dòng)法可以計(jì)算得出合理的安全系數(shù)。但是某些參數(shù)的不確定是不可以被簡(jiǎn)單的忽略的：土體剪切強(qiáng)度；坡體滲流條件和孔隙水壓力狀態(tài)。

關(guān)于剪切強(qiáng)度，需注意如下幾點(diǎn)：

1)內(nèi)摩擦角φ可通過(guò)常規(guī)試驗(yàn)測(cè)得，如三軸試驗(yàn)；

2)內(nèi)聚力c同樣重要，但測(cè)得的可靠性，相比φ值要低一些,需要在精密的低圍壓三軸試驗(yàn)下，方能測(cè)得相對(duì)準(zhǔn)確的c值[3]；

3)殘余強(qiáng)度很可能接近峰值強(qiáng)度，特別是在含有高嶺石和水鋁英石的黏土中。

3.2 具有明顯連續(xù)軟弱結(jié)構(gòu)面的邊坡

許多殘積土邊坡穩(wěn)定性是由其中隨機(jī)且不連續(xù)存在的軟弱結(jié)構(gòu)面所決定的。這些結(jié)構(gòu)面多由于巖土體在地質(zhì)構(gòu)造和剪切作用下形成，使得邊坡失穩(wěn)模式，土體剪切指標(biāo)難以確定，因此降低了計(jì)算分析邊坡穩(wěn)定性的可靠性。坡體內(nèi)存在的不連續(xù)面形式如圖2所示。

3.3 土質(zhì)不均勻且沒(méi)有明顯軟弱結(jié)構(gòu)面的邊坡

火成巖(如花崗巖)風(fēng)化不會(huì)形成明顯的軟弱結(jié)構(gòu)面，土體中包含了部分風(fēng)化不完全的原巖和風(fēng)化殘積土，通過(guò)傳統(tǒng)試驗(yàn)方法確定強(qiáng)度參數(shù)是相當(dāng)困難的。

4 降雨影響

殘積土邊坡可以在陡峭的狀態(tài)下保持穩(wěn)定，一個(gè)主要的原因就是其地下水位埋藏較深，水位以上的土體中常形成負(fù)孔隙水壓力，這樣就加大了滑動(dòng)面上的有效應(yīng)力，從而提高了邊坡穩(wěn)定性。強(qiáng)降雨可以使土體中的負(fù)孔隙水壓力逐漸升為0，若水位繼續(xù)上升的話，則孔隙水壓力會(huì)變?yōu)檎?，因此恰是?fù)孔隙水壓力的減少會(huì)導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。

以云南某地殘積黏性土邊坡為例，通過(guò)研究降雨引起土體中孔隙水壓力變化，確定其對(duì)邊坡穩(wěn)定性造成影響。該邊坡地下水埋深較深，土質(zhì)基本各向同性，局部小范圍內(nèi)可能存在不均勻，但從工程研究角度，可視為勻質(zhì)邊坡，見(jiàn)圖3。

采用軟件Seep/W(2007)進(jìn)行地下水滲流模擬分析。在均質(zhì)各向同性介質(zhì)中，地下水滲流微分方程可表達(dá)為[4]：

(1)

(2)

其中,θ為體積含水率；u為孔隙水壓力。

對(duì)于完全飽和土中，mw=mv(mv為土體積壓縮系數(shù))，Q=0。

上述表達(dá)式可簡(jiǎn)化為：

(3)

轉(zhuǎn)換可得：

(4)

觀察可知，上式形式上與太沙基固結(jié)方程極為相似[5]，只不過(guò)是二維表達(dá)式。因此太沙基方程是滲流方程的一種特殊情況。

計(jì)算模擬過(guò)程中所采取土體各物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 土體各物理力學(xué)指標(biāo)

圖4顯示圖3中選取的截面a—b的孔隙水壓力隨時(shí)間變化的曲線。然而最終平衡狀態(tài)不是靜水平衡而是滲流平衡狀態(tài)，因此孔隙水壓力低于靜水壓力值。

這些等勢(shì)線形狀說(shuō)明了水位變化的過(guò)程。它不是勻速上升，相反，先緩慢上升，然后在最后階段迅速上升。同時(shí)水位到達(dá)地表僅用2.7 d，而孔隙水壓力達(dá)到平衡狀態(tài)則用時(shí)20 d。

圖5還顯示了安全系數(shù)隨時(shí)間的變化，詳見(jiàn)表2?？紤]負(fù)孔隙壓力，初始安全系數(shù)值為2.14。大約3 d后，它開(kāi)始勻速下降，持續(xù)20 d下降達(dá)到0.81穩(wěn)定。如果使用傳統(tǒng)的理論分析計(jì)算該邊坡的平衡，安全系數(shù)值僅為0.11。

表2 不同階段的安全系數(shù)

5 結(jié)語(yǔ)

1)通過(guò)研究表明，3 d的連續(xù)強(qiáng)降雨可使殘積土邊坡安全系數(shù)下降到勻速，直至滑坡；2)地下水位達(dá)到地表時(shí)，采用傳統(tǒng)理論計(jì)算分析，可得出安全系數(shù)僅為0.11的結(jié)果。事實(shí)上，該河岸(即本文研究邊坡)幾十年來(lái)都一直保持穩(wěn)定狀態(tài)。故傳統(tǒng)計(jì)算結(jié)果并不合理；3)因此在以后的殘積土邊坡分析過(guò)程中，應(yīng)充分考慮邊坡中孔隙水壓力及滲流對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，以計(jì)算出合理的安全系數(shù)；4)本文僅對(duì)勻質(zhì)邊坡進(jìn)行了模擬分析，其他兩種類(lèi)型的邊坡穩(wěn)定性分析有待其他學(xué)者進(jìn)一步進(jìn)行分析研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] 林 威.花崗巖殘積土結(jié)構(gòu)性與邊坡穩(wěn)定分析[D].福建：福州大學(xué)，2014：12-26.

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