邊坡穩(wěn)定分析

非飽和土坡穩(wěn)定是近年來人們所關心的熱點，特別是降雨引起非飽和土坡失穩(wěn)，給人們生產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吸力有著直接的聯(lián)系。正是由于基質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系。從而得出當土坡處于危險狀況下的含水量分布,當土坡中的含水量達到危險含水量時，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，國內外學者對于非飽和土進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 抗剪強度；。t 總應力；ua 孔隙氣壓力；u 孔隙水壓力；ua-uw 基質吸力；c'、' 有效內聚力和內摩擦角。當S=1,也就是當土體飽和時,Se=1-Sr1-Sr=1,基質吸力ua-uw=0。那么,非飽和土的抗剪強度公式就可以寫成飽和土的抗剪強度公式：Tf=c'+(?！竨w)tan'(2)這樣公式(1)就把正的以及負的孔隙水壓力都包括進去了[3],從而能夠比較全面的進行計算土坡的穩(wěn)定性。文中采用公式(1)進行非飽和土坡的穩(wěn)定性分析，下面詳細介紹分析過程。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世紀城市建設與發(fā)展的方向，對于北京地區(qū)來說，地下工程涉及的土質主要是非飽和土。而土體含水量的變化對非飽和土強度影響極為明顯，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，市政設施開挖后的邊坡的安全性等。文獻1討論了降雨對建筑物基坑邊坡穩(wěn)定性的影響，降雨之所以產生影響是因為降雨使得土體含水量發(fā)生了變化，降低了土體的強度。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度的影響。土體強度是土體工程性質最直觀的體現(xiàn)，人們關心土體工程性質在很大程度上體現(xiàn)在對土體強度的考慮上。含水量與土體強度的關系很早以前就引起巖土工程界的關注，在廣大北方地區(qū),由于地下水位比較低，施工范圍內的土質以非飽和土為主，含水量的改變對非飽和土強度的影響更為明顯，然而，現(xiàn)有的實驗結果初步表明:含水量與非飽和土的強度絕不是簡單的線性關系或此消彼漲的關系。如何從定量的角度建立含水量與非飽和土強度的關系，對于巖土工程設計及穩(wěn)定性預測具有重要的意義。1李兆平.降雨入滲對基坑工程安全性影響的研究.［J］中國安全科學學報.Vol.10,No.3,2000.有些文獻報道了一些學者研究了降雨入滲和邊坡穩(wěn)定性的關系［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，都與實際的雨水入滲情況差別較大。降雨入滲的規(guī)律應該是:降雨入滲開始時期，由于降雨強度往往小于土壤的入滲能力，所以，實際發(fā)生的入滲率即為降雨強度（供水強度）。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)降雨強度大于土壤的入滲能力，此時,實際發(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)降低的主要機理。2）降雨入滲對邊坡安全性的影響程度，受降雨強度、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。【1】FredlundDG等著.非飽和土土力學.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,1999,20（1）.Lumb[1]率先研究了香港地區(qū)降雨和滑坡的關系。他提出一種簡化的一維垂直入滲模型并用于計算濕潤峰推進的速度及入滲停止后含水量再分布過程。然后根據(jù)抗剪強度與飽和度的經驗關系，并假定破壞面平行坡面，研究了地質條件和降雨特性對斜坡穩(wěn)定性的影響。考慮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,且假定導水率K及擴散度D均為常量，F(xiàn)redlund等［2,3］反復強調負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)計算公式,以便把正的和負的孔隙水壓力都包括進去。他通過香港陡坡的算例進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。分析結果表明:由于臨界滑動面比較淺,負孔隙水壓力在抗剪強度發(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，但降雨強度保持不變。分析結果表明: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、降雨強度、水分保持曲線的形狀和土的滲透性。主要研究結論為: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;高降雨強度和低滲透性的參數(shù)組合可導致降雨后安全因數(shù)的降低?？梢钥闯?Alonso的結論都是與降雨引起延遲型的土坡失穩(wěn)有關。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行斜坡穩(wěn)定性數(shù)值分析。考慮的影響因素包括降雨強度和土的類型。他的計算結果表明：較高的降雨強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］認為空氣壓力對非飽和土的滲流有明顯的影響，發(fā)展了應力和兩相流的耦合理論，并應用于分析降雨引起土坡的淺層破壞。推導了將多相流與多孔介質固結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。總水頭、空氣壓力及飽和度視為獨立變量。該理論被用于分析Yash-naga斜坡。分析結果表明，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等認為不考慮空氣壓力的分析結果不符合實際情況。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。研究結果表明，雨水入滲引起基質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)常見的自然災害。滑坡和泥石流的發(fā)生與降雨關系密切是早為人知的事實,但人們對這種關系的認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、泥石流災害的預測和預防有重要的指導意義。研究降雨引發(fā)滑坡的規(guī)律性有兩種途徑，一是用統(tǒng)計分析尋求降雨與滑坡相關性規(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.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