（岩土工程专业论文）降雨渗流作用下高填土路堤的稳定研究.pdf

中文摘要 公路灾害研究与公路发展密切相关。随着我国山区高速公路的修 建，高填土路基不断出现。能持续一定时间的暴雨能给公路带来很大 的破坏，产生滑坡等诸多灾害。本文从复杂渗流条件下的土坝稳定分 析入手，从不同方面、运用多种理论分析了高填土质路堤在降雨渗流 作用下的稳定，研究了降雨作用下的土质公路边坡的稳定机理和破坏 模式。 1 针对白石土坝的复杂渗流条件编制了有限元程序。对自由面的求 解，在计算中提出了弃单元法算法。用有限元方法对渗流量进行了计 算。分析了实测水位和理论计算水位有较大差别的原因并提出相应的 渗流稳定措旌。此外，对大坝在库水位骤降情况下的稳定进行了分析。 本文中所提供的相关方法为白石大坝的设计、运行提供了计算依据。 2 ，建立了降雨入渗渗流作用下的高填土路堤稳定计算模型，并根据所 建模型编制了极限平衡法路堤土坡稳定分析程序；通过对比分析提 出了符合实际的路堤入渗深度计算公式，并计算了在不同条件下公路 路堤的降雨入渗深度；用编制程序对现行的各种高填土路堤的稳定进 行了计算和分析；用渗流有限元和弹塑性有限元程序计算了高填土路 堤的稳定性，验证了本文所建立的路堤稳定计算模型和稳定分析程序。 3 ，本文基于非饱和渗流数学模型，设计了二维非稳定渗流程序。选取 了适合s w c 衄线，用c o r e y g r e e n 方法预测了土体的渗水性系数。针 对现行的高路堤边坡，模拟了因雨水入渗引起的暂态渗流场，分析了 土体中含水量、基质吸力的变化规律。然后将计算得到的孔隙水压力 作为输入条件，采用了适用于非饱和土的m o h r c o u l o m b 破坏准则对 路堤边坡进行了弹塑性有限元分析，进而得出降雨后不同时刻的应力 场。通过在边坡滑弧上进行线积分，得出边坡在不同时刻的整体安全 系数，进而提出了路堤边坡降雨作用下“小弧滑动”的概念。分析了不 同的降雨重现期、参数西6 的变化对边坡稳定的影响。对由路堤施工所 引起的土体渗水性系数的各向异性对边坡的渗流稳定影响进行了分 析。 4 基于平均降雨量概念，考虑了降雨的随机性，用改进的j c 法和 m o n t e c a r l o 模拟方法( m c s m ) 对公路路堤结构边坡进行可靠度稳定 对比分析，且编制了相应程序，考虑了随机变量为相关任意分布的情 况；根据实测数据，定量分析了路堤边坡土体因降雨而引起的饱和度 变化对土体强度参数的影响；此外，对路堤稳定敏感性因素及其可靠 度的一些规律进行了一些研究。 关键词：土坡稳定降雨入渗 土质路堤饱和一非饱和 平均降雨量 渗流 可靠度 弃单元法 土性相关 a b s t r a c t t h e s t u d y i n g o f h i g h w a y h a z a r d si s c l o s e l y c o n n e c t e dw i t ht h e d e v e l o p m e n to fh i g h w a yc o n s t r u c t i o n s l a r g e s c a l eh i g h w a ys u b g r a d e s a r e b o o m i n gi nm o u n t a i nr e g i o n sw i t hm o r ea n dm o r eh i g h w a y sb e i n g c o n s t r u c t e di no u r c o u n t r y t h eh e a v yr a i n w i t hc e r t a i nd u r a t i o nc a n c a u s es e r i o u sd a m a g e st ot h eh i g h w a y ，s u c ha ss l o p es l i d i n g t h i sp a p e r ， f i r s t l y ，a n a l y z e d t h e s t a b i l i t y o fb a i s h ie a r t hd a mw i t h c o m p l i c a t e d s e e p a g e s ，a n dt h e nc a l c u l a t e de x t e n s i v e l yt h es t a b i l i t y o ft h e h i g h w a y s u b g r a d e d u et or a i n f a l li n f i l t r a t i o nw i t hd i f f e r e n tt h e o r i e s t h e s l o p e s t a b i l i t ym e c h a n i s ma n df a i l u r em o d ea r ed e e p l yd e a l tw i t hi nt h ep a p e r 1 af e m p r o g r a mi sm a d et oc a l c u l a t et h ec o m p l i c a t e ds e e p a g eo ft h e e a r t hd a mo fb a i s h ir e s e r v o i ra n dan e wf i n i t ee l e m e n ta l g o r i t h mc a l l e d a b a n d o n e de l e m e n tm e t h o di s d e v e l o p e dt o s o l v et h ef r e es u r f a c eo ft h e u n c o n f i n e ds e e p a g e t h i sm e t h o di sv e r i f i e dt oh a v eg o o d p r e c i s i o na n d c o n v e r g e n c eb y t h e c o m p a r i s o no fc a l c u l a t i o nr e s u l t s w i t he l e c t r i c a l r e s i s t a n c es i m u l a t i o n m e t h o d ，a n d c a nb e a p p l i e d t oa l lk i n d so f u n c o n f i n e ds e e p a g e t h eu n i td i s c h a r g e sa r ec a l c u l a t e db yf e m m e t h o d i na d d i t i o n ，t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nc a l c u l a t e da n dm e a s u r e dw a t e rl e v e l s i sd e a l t w i t h 。a c c o r d i n g l y ，t h e m e a s u r e so f s e e p a g es t a b i l i t y a r e p r o p o s e di nt h i sp a p e r a tl a s t ，t h es t a b i l i t yo f t h ee a r t hd a mi s a n a l y z e d u n d e rt h e r a p i d d r a w d o w n t h e c a l c u l a t i n g m e t h o dp r o p o s e di nt h e p a p e rp r o v i d e sag o o dr e f e r e n c ef o rt h ed e s i g na n dr u n n i n go ft h eb a i s h i e a r t hd a m 2 i nt h i s p a p e r ，as e e p a g e m o d e lo fi n f i l t r a t i o ni n t ou n s a t u r a t e d h i g h w a ys u b g r a d e s w a s p r o p o s e d a n dt h e c o r r e s p o n d i n ga n a l y z i n g p r o g r a mo fs t a b i l i t yo ft h eb a n kw a sm a d eo nt h eb a s i so ft h es i m p l i f i e d b i s h o p sm e t h o d ，w h i c hc a nc a l c u l a t et h ed i f f e r e n td e p t h so fi n f i l t r a t i o n i n t ot h e s u b g r a d e t h e s t a b i l i t i e so fp o p u l a r h i g h w a ys u b g r a d e s a r e c a l c u l a t e dw i t ht h ep r o g r a me a s i l y ，a n dt h ef i n i t em e t h o d so fs e e p a g e a n d e l a s t o p l a s t i c i t y v e r i f i e dt h er e s u l t sc a l c u l a t e d b y t h el i m i t e q u i l i b r i u mp r o g r a m s o m ev a l u a b l ec o n c l u s i o n sh a v eb e e nd r a w nf o r t h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no ft h eh i g h w a ys u b g r a d e 3 at w o d i m e n s i o n a lu n s t e a d ys e e p a g ef e mp r o g r a mw a sd e v e l o p e do n t h eb a s i so fas a t u r a t e d u n s a t u r a t e d s e e p a g e m o d e as u i t a b l es w c c u r v ew a s a p p l i e d a n dt h eu n s a t u r a t e d h y d r a u l i cc o n d u c t i v i t y w a s p r e d i c t e dw i t hc o r e y g r e e nm e t h o d t r a n s i e n ts e e p a g ef i e l d sd u et or a i n i n f i l t r a t i o nw e r ec o m p u t e df o rp o p u l a rh i g h w a ys u b g r a d e sa n dt h ew a t e r c o n t e n ta n dm a t r i cs u c t i o ni nt h e s l o p ew a sa n a l y z e d t h ec o m p u t e d t r a n s i e n t p o r e w a t e r p r e s s u r e s w e r et h e nu s e df o r s u b s e q u e n t e l a s t o - p l a s t i cf ep r o g r a m a n e x t e n d e dm o h r - c o l u m b i af a i l u r ec r i t e r i o n w a su s e dt oa l l o wf o rs h e a rs t r e n g t hv a r i a t i o n sa sar e s u l to fc h a n g e si n m a t r i es u c t i o na n dt h ef es t r e s sf i e l d sw e r eg a i n e da c c o r d i n g l y t h e g l o b a ls a f e t y f a c t o r sw e r ec a l c u l a t e db yt h es t r e s si n t e g r a t i o na l o n ga s l i p l i n ea n da c o n c e p t o fs m a l l s l i p f a i l u r e w a si n t r o d u c e di n s t a b i l i t y o ft h ee m b a n k m e n ts l o p e e f f e c t so fv a r i o u sr a i n f a l le v e n t s ， a n g l e 庐6a n dt h ea n i s o t r o p i cp e r m e a b i l i t yr a t i o c a u s e db yc o n s t r u c t i o n o ft h ee m b a n k m e n to nt h es e e p a g ea n ds t a b i l i t yw e r ea n a l y z e d 4 i nt h i s p a p e r ，r e l i a b i l i t ya n a l y s i so fh i g h w a ys u b g r a d e si sp r e s e n t e d u s i n gt w om e t h o d so fu n c e r t a i n t ya d a p t e d j c m e t h o da n dm o n t ec a r l o s i m u l a t i o nm e t h o d ( m c s m ) b a s e do nt h ev i e wo f m e a nr a i n f a l l a n d t h e c o r r e s p o n d i n gp r o g r a m w a s d e v e l o p e d w h i c hc a na c c o u n t f o r r e l a t i v er a n d o m l yd i s t r i b u t e dv a r i a b l e s a c c o r d i n gt op u b l i s h e dd a t a ，t h e e f f e c to f c h a n g e s o fs a t u r a t i o nd u et o r a i n f a l li n f i l t r a t i o no ns o i l s t r e n g t hp a r a m e t e r s i sd e a l tw i t h i na d d i t i o n ，t h es e n s i b i l i t yf a c t o r s a f f e c t i n gt h es l o p es t a b i l i t ya r ea n a l y z e d ，a n da l s ot h er u l e so fr e l i a b i l i t y o fs o i l s l o p es t a b i l i t y a r er e s e a r c h e dal i t t l em o r e d e e p l y a tl a s t ，a r e f e r e n c e r e l i a b i l i t y i n d e xi s p r o p o s e d f o rt h e h i g h w a ys u b g r a d e s t a b i l i t y k e yw o r d s ：s l o p es t a b i l i t y r a i n f a l li n f i l t r a t i o n s e e p a g e a b a n d o n e de l e m e n tm e t h o de a r t h s u b g r a d e s a t u r a t e d u n s a t u r a t e d r e l i a b i l i t ya n a l y s i s c o r r e l a t i o nm e a nr a i n f a l l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大 生或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 学位论文作者签名诜姗签字慨必。 ) 年f 月午日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 盘凄盘兰有关保留、使用学位论 文的规定。特授权盘壅盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编以供查阅和借阅。同意学校l q 国家有关部门或机构送交论文的复 印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字同期泌d 函年 a 抛除 f 月争e l 导师签名：r f l 善67 n 签字日期办。垆( 月f 日 第一章绪论 第一章绪论 土坡系指具有倾斜坡面的土体，由于土坡表面倾斜，在自身重量 及外力作用下，整个土体有自上而下的滑动的趋势，当土体内部某一 面上的滑动力超过土体抵抗滑动的能力，就会产生滑坡，滑坡几乎可 能以各种可能的方式出现，缓慢得或突然地，有或没有明显的诱发原 因。它们通常是由于挖方、现有坡角下的掏空、土的结构的逐渐崩解、 各种其它原因( 例如降雨入渗作用、冰雪融水作用等) 引起的土中孔 隙水压力的增大或振动所引起。 1 1 土坡稳定分析发展综述 迄今国内外对土玻稳定分析仍广泛采用极限平衡法，即在求解土 坡内某一滑面上滑动土体的抗滑安全系数k 时，假定材料的抗剪强度 参数c 和t g 中都分别除以该k 值后，滑体就达到极限平衡状态t 本世纪二十年代以前，对于土坡稳定和土压力的计算，一律只讨 论土体的内摩擦角，并假定滑动面为平面。1 7 7 3 年法国工程师库仑 ( c a c u l o m b ) 和18 5 7 年英国学者朗肯( w j m r a n k i n e ) 分别提出的土 压力理论，就是这些理论的代表w 。 1 9 1 6 年，比得森( k e p e t t e r s s o n ) 和胡二顿( s h u l t i n ) 根据大量观测 论证了某些土体( 特别是有粘结力的土体) 在发生滑动失稳破坏时，其 滑动面是与圆柱面接近的曲面。在此基础上，p e r t t e r s o n 提出了圆弧滑 动分析法。此法初创时。仍只计及土的摩擦力，并不考虑土体内部土 条间的相互作用力，这就是最初的瑞典圆弧法。 3 0 4 0 年代是瑞典圆弧法逐渐完善的时期。瑞典学者w f e l l e n i u s 将最初的圆弧法推广到兼有摩擦力和粘结力的土体稳定分析中去，并 初步探索了最危险滑弧的位置的变化规律。瑞典圆弧法假定土坡稳定 为平面应变问题，滑动面为圆弧面，计算中不考虑土条内各土条间的 相互作用力，抗滑稳定安全系数是用滑弧上的全部抗滑力矩和滑动力 矩之比来定义的。瑞典条分法在岩土工程中得到广泛应用，该方法被 著名土力学学者t e r z a g h i 誉为现今岩土工程中的一个里程碑1 ，至今 仍被作为一种古典方法列入各国土力学教材“。由于该方法具有理 论基础简单，计算方便的优点，故仍为许多现场工程师惯于采用。 第一章绪论 由于瑞典条分法是将土坡稳定设想为平面应变问题，滑动面简化 为圆弧面，为考虑滑动土体内部各土条间的相互作用力，抗滑稳定安 全系数用滑弧上的全部抗滑力矩与滑动力矩之比来定义。一般说来， 安全系数较实际情况偏低，过于保守。二十世纪4 0 年代以后，不少学 者致力于改进瑞典圆弧法：一方面，不少学者致力于探索最危险滑弧 的位置，制作图表和曲线，以减少工作量，如泰勒( d w t a y l o r ) 、毕肖 普( b i s h o p ) 、拉姆里和包罗斯等，通过一些特殊情况的研究，揭示了 最危险滑弧圆心位置的某些变化规律。另一方面，有不少人研究滑裂 面的形状。1 9 4 1 年太沙基( k t e r z a g h i l 就提出，土体破坏时的滑动面接 近对数螺旋线。 5 0 6 0 年代，人们研究的主攻方向，一是如何在计算中考虑滑动 土体内部土条间的相互作用力，二是研究如何将此法推广应用到任意 形状的滑动面。这一阶段的研究工作，使土坡稳定分析的理论和方法 逐渐完善，表现在：1 9 5 4 年，詹布( n j a n b u ) 提出了普遍条分法的基本 原理，将最初的圆弧法推广到任意滑动情况，并通过假定土条间推力 的作用位置，使问题得到比较合理的解决。1 9 5 5 年，毕肖普明确了土 坡稳定安全系数的定义为：k = - f t ，式中：一f 为沿整个滑动面的平 均抗剪强度，t 为滑动面上的平均剪应力。 19 6 5 年m o r g e n s t e r n 和p r i c e 提出了“多余未知函数的合理要求”， 假定条间剪力x 和条件法向力e 之间存在一定的函数关系 ( x = 九“x ) z ) ，从而可使分析的结果更趋合理，成为著名的m o r g e n s t e r n 和p r i c e 法1 。随后，人们在考虑土条间相互作用力的前提下，尽量 使土条力函数简单，便于计算( 特别是手算) 工作的实施，出现了 s p e n c e r 法 6 3 l o w 和k a r a f i a t h 法们和美国陆军工程师团法等。总 之，目前的极限平衡法以条分法应用较多。它假定土体为塑性材料， 把土体分条，作为刚体考虑，以极限平衡的原则进行分析，所不同之 处在于相邻土条间的内力的假定，其比较情况见表1 2 1 。1 。 1 9 7 0 年f a n g 和h i r s t 首先将塑性力学理论应用于土坡稳定分析， 使塑性极限分析法( 或称能量法) 成为新近发展起来的一种方法。它 的理论基础是塑性力学的塑性位势理论，最大优点在于计算中考虑了 土料的应力与应变的关系，而且物理概念清楚，计算也较为简单，1 9 7 7 年k a r a l 提出了土坡稳定分析的能量法，1 9 8 3 年b a k e r 和f r y d m a n 提 出了土体非线形失稳破坏的塑性极限分析上限解法，1 9 9 5 年 堑二皇堕笙 m i c h a l o w s k 提出了塑性极限分析动力法1 ，都是对塑性极限分析理 论的丰富和发展。 表1 2 1常用的条分法比较表 所满足的平衡条件计算手段 l 计算方法 整体力矩土条力矩垂直力水平力手算 电算 简单条分 满足不满足不满足不满足可行 可行 法 简化 b is h o p 方满足不满足满足不满足可行可行 法 简布法满足满足满足满足可行可行 斯宾塞法满足满足满足满足不可行可行 摩根斯坦 一普赖斯满足满足满足 满足不可行可行 法 沙儿玛法满足满足满足满足可行可行 不平衡推 不满足不满足满足满足 力传递法 7 0 年代以后，我国的一些学者在土坡稳定分析方法的某些方面也 作出了重大贡献。如潘家铮提出了滑坡极限分析的两大原理一一极大 值原理和极小值原理”“。即：滑坡体如有可能沿许多滑动面滑动，则 失稳时它将沿抗力最小的那一个滑面破坏( 极小值原理) ；滑坡体的滑 面肯定时，则滑面上的反力及滑坡体内力皆能自行调整，以发挥最大 的抗滑能力( 极大值原理) 。它采用了屈服准则的概念，并考虑了土的 应力一应变关系的相应流动规律，以刚塑性体为基础，解决了极限平 衡法不满足协调变形的缺陷。 1 9 7 8 年，张天宝通过按瑞典法建立的简单土坡稳定系数函数的数 值分析，全面归纳了最危险滑弧的变化规律，补充了f e l l e n i u s 、 t a y l o r 、拉姆里和包洛斯、洛巴索夫等人研究成果的不足，并在实用 方面制成了可供查用的数表和曲线，提出了在确定最危险滑弧位置方 面较f e l l e n i u s 的m m7 线、方捷耶夫的扁形面积等经验方法更为准确 的方法。 第一章绪论 1 9 8 0 年，张天宝通过对复合土坡稳定系数函数的分析和数值计算 研究，阐明了复合土坡最危险滑弧面分布的多极值规律。运用这些规 律，计算工作量可大大减少。 1 9 8 1 年，孙君实在前人工作基础上，利用虚功原理，根据杜拉克 ( d c ，d u c k e r ) 公式，证明了潘家铮的极大值原理。利用模糊数学工具， 建立了土坡稳定安全系数的模糊函数和模糊约束条件，并与传统的安 全系数和最小安全系数相对应，提出了安全系数的模糊解集和最小模 糊解集的概念；把条分法的数学模型叙述为：在边界条件、模糊约束 条件下，寻求基本方程组隐式描述的泛函最小模糊解集问题”，从而 抛弃了人为的假设，使条分法成为一种独立的极限分析数学方法。在 此基础上，与潘家铮合作提出了土坡稳定分析的潘孙法。 在土坡稳定分析理论和方法的工程应用方面，1 9 8 5 年张天宝根据 索可洛夫斯基推导的极限稳定边坡原理，提出了“等k 边坡”概念， 建立了利用现行边坡稳定分析原理求解工程实用合理边坡的计算方法 和程序。1 9 8 6 年论述了产生粘性土土压力的圆弧面整体平衡法。 1 9 8 3 年，欧阳仲春也提出和应用了土坡稳定分析的塑性极限分析 法”“，近年来，陈祖煜在塑性极限分析法方面进行了广泛而深入的研 究1 。 7 0 年代以来，随着电子计算机的迅猛发展和广泛应用“，有限 单元法作为一种由数值方法求解工程中遇到的各种问题的最有效、通 用的方法，其应用范围不断的扩大，被广泛的应用于求解线形及非线 形问题。近年来，在基坑开挖支护、土坡稳定分析中应用的较为广泛。 有限元法可以精确地计算出土坡内部的应力，所以滑动面上的法向力 及切向力可直接地从有限元应力成果中获取，从而可以避免人为的粗 糙假设；同时由于考虑了土的应力及应变关系，比极限平衡法更为准 确合理，是一种新兴的途径。特别是近年来关于土体的本构模型的不 断发展和完善，以有限元为手段，引进破坏准则的稳定分析方法正成 为目前国内外学者的研究对象。 实际上，由于土体的复杂性和随机性，以及参数之间的相关性， 都存在着不确定的因素。近年来，以应用概率论和统计学的方法来分 析边坡稳定，以可靠度的概念来代替安全系数的方法已经取得了定 程度的进展。可靠度以失效概率的形式给出不稳定的程度，从4 0 年代 后期开始，应用到土工设计中来，7 0 年代后期应用于边坡工程中，把 第一章绪论 安全系数及失效概率联系起来用于解决结构的失稳问题。最近又把有 限元与之结合，用随机有限元的方法来分析问题，国内外学者对此已 经有多年专著进行研究”“”1 ，关于可靠度理论的发展及应用将在本 章1 4 节中论述。 近年来为了解决土坡稳定分析中的不确定因素，模糊数学方法、 人工神经网络方法、块体力学分形方法也被尝试性地用于土坡稳定计 算之中。 综上所述，到目前为止，人们已提出了的边坡分析方法主要有： 极限平衡法、塑性极限分析法、模糊极值理论法、有限单元法和概率 统计法、模糊数学方法、人工神经网络方法、块体力学分形方法等。 1 2 降雨渗流作用下土质边坡稳定分析特点 1 2 1 一般土坡稳定问题 在铁路等交通设施的建设，土坝工程、港口工程等天然资源的开 发和利用，以及房屋工程建筑和深基坑的开挖工程中都会遇到土坡稳 定的问题。尽管这个问题已受到岩土工程界的高度重视，但仍不断有 土体滑坡，基坑失稳等工程事故发生“2 。2 2 2 。2 ”。 土体稳定的复杂性在于其破坏过程和影响因素的复杂多变，实际 中土坡滑动的形式较为多见，根据滑动的原因可将滑坡分为： 没有任何明显原因造成的滑坡。 通常的滑坡，可用传统理论解释的滑动。 由意外因素引起的滑坡，如由于地震、降雨、严重的洪水、波浪侵 蚀等。 1 2 2 降雨渗流作用下的土质边坡稳定 在诱发土体滑动的因素中，由于降雨而引起滑坡占相当大的比例， 中国典型滑坡一书中实录了9 0 多例滑坡，绝大部分发生在雨季。 1 9 8 8 年，龙羊峡水电站底孔放水，水流消能形成雨雾，使下游右岸虎 山坡发生大滑坡，险些堵塞河道。雨雾的水落在山坡，类似于长时问 的降雨，使坡体趋于饱和，孔隙压力加大，岩体抗剪强度减小，使原 来稳定的边坡失稳。1 9 9 1 年雨季，汉江上游发生河岸塌滑，堵塞河道， 并造成生命财产损失。1 9 9 2 年雨季，云南昭通地区发生大滑坡，掩埋 第一章绪论 了一个村庄。五强溪水电站施工期船闸边坡持续蠕滑，雨季变形明显 加剧，经采取一系列措施，包括放缓设计坡比，才防止滑坡事故。1 9 9 5 年8 月，岷江上游左岸一水泥厂被滑坡埋没。铁路公路沿线雨季滑坡 是常见多发性灾害防不胜防。香港地区多山，一些道路傍山而行，不 少工业及民用建筑物在山下，每年雨季均有滑坡而酿成大小灾害，例 如，1 9 9 4 年7 月2 3 日香港k w u nl u n gl a u 房地产公司的挡土墙因降 雨渗流而倒塌，造成5 死3 伤的重大事故”。为减少滑坡带来的损失， 香港土木工程署在全港范围内设置了5 0 多个自计雨量站，每当连续降 雨超过5 0 r a m 时即自动报警，以便人员及时转移，减少人员伤亡事故 26 o 1 2 3 降雨在公路发展中的灾害问题 公路地质灾害研究与公路发展密切相关。德国于2 0 世纪3 0 年代 就开始修建高速公路。同时期，美国开始跨越美国大陆的三纵三横高 速公路的可行性研究，并与四十年代开始高速公路建设，至7 0 年代形 成了国家公路网络。1 9 9 3 年，美国州际高速公路总长度己达7 0 6 2 4 k m 。 英国、法国、意大利、日本等发达国家也先后于上世纪5 0 年代进入高 速公路建设的大发展时期。这些最早发展高速公路的国家，从修建高 速公路开始，就非常重视公路边坡灾害研究与防治。1 9 5 8 年，美国公 路研究部门滑坡调查委员会编写了滑坡与工程实践，1 9 7 8 年，又 出版了滑坡的分析与防治。 随着我国山区高速公路的修建，高填土路基不断出现。如在京珠 ( 北京一珠海) 路的湘未( 湘潭一耒阳) 、末宜( 未阳一宜章) 段，填 方高度超过1 0 m 的高填土路堤已非常普遍，其最大填方高度达到2 8 m 。 柳桂高速公路k 2 1 0 + 0 0 0 k 2 1 l + l8 0 段、成渝高速公路 k 3 1 1 + 4 0 0 k 3 1 1 + 7 8 0 段，安楚路k 1 4 2 + 7 8 0 k 1 4 3 + 0 4 0 段，路中线最 大填高分别为2 6 4 1 m 、3 6 1 6 m 和2 4 0 m 。 能持续一定时间的暴雨能给公路带来很大的破坏，其主要表现在 两个方面： 冲刷缺口。暴雨冲刷路肩和路面，形成冲沟、鸡爪沟，破坏路面， 并把路基冲成大小缺口，或整段冲毁。 滑坡。大量雨水通过渗透进入路堤边坡内，使路堤土体强度降低， 同时产生一定时期的渗流力，强度降低和渗流力两者的共同作用使路 第一章绪论 堤边坡的稳定性降低，产生破坏和滑坡托7 2 “。 1 2 4 降雨渗流下土质路堤稳定分析的特殊性 公路路堤边坡稳定分析的特殊性主要表现在： 高填土的非饱和性。一般的高填土路堤为碾压密实的粘性土，属于 非饱和土的范畴。 降雨入渗渗流的特殊性。渗流一方面包括路堤两侧因水位差而引起 的渗流，另一方面还应包括强降雨引起的渗流。后一方面正是体现了 公路路堤渗流的特殊性。能持续一定时间的强降雨入渗能在路堤上部 的一定范围内形成渗流影响区，所以降雨入渗所引起的渗流也只发生 在路堤的上部，这和传统意义上的渗流有很大的区别。 1 - 2 5 土坝和土质路堤在渗流稳定分析中的共同点 土坝和土质路堤都是经过碾压施工而成的土体工程。目前，我国修 建的高路堤填方高度最高已接近4 0 m ，从规模来看就是一个小型的土 坝。 高路堤多建于山区，在发生山洪等水灾或者河漫滩路堤两侧长时问 存在高低水位时，就必须考虑路堤的渗流稳定。另外，路堤两侧水位 发生水位骤降时对路堤稳定也形成了极大的危害。在现行的公路地 基设计规范中，只是用代替容重法对两边有稳定水位的河漫滩路堤 的稳定作了最基本的考虑，对于其它的渗流工况作用下的路堤稳定则 推荐完全可以参照土坝进行，因此要想详细分析复杂渗流作用下的路 堤稳定，先从土坝的渗流稳定入手很有必要。 总之，研究各种条件作用下的土坡稳定，尤其是研究降雨作用下 的土坡稳定问题，对我国公路建设及保护人民生命财产的安全有着十 分重要的意义。 1 3 土体抗剪强度理论发展概述 1 3 1 饱和土体抗剪强度理论的发展 m o h r c o u l o m b 抗剪强度理论： c o u l o m b 在1 7 7 3 年提出了砂土的抗剪强度公式： o = o t 锄矿 ( 1 1 ) 式中：r ，一一在法向压应力盯作用下的土的抗剪强度，k p a ； 第一章绪论 盯一一土的内摩擦角，度( 。) 。 如果为粘性土，则抗剪强度公式可写为： r ，= c + 仃t a n ( 1 2 ) 式中：卜一粘性土的粘聚力，k p a 。 m o h r 于1 9 0 0 年提出了土的强度包线( t f o 曲线) 是曲线而不是 直线。实践证明m o h r - c o u l o m b 抗剪强度理论能够在一定范围内满足 工程计算的要求。在一般工程压力作用下，f 和仃保持为直线关系；而 在高应力作用下，t 和6 的直线关系不再适用。 t e r z a g h i 饱和土的有效应力原理 在1 9 2 5 年t e r z a g h i 提出了饱和土的有效应力原理，并用实验证 明了有效应力a 等于总应力。与超静水压力u 的差值。因此，在抗剪 强度公式中，只有有效应力才能产生抗剪强度，即土的抗剪强度有效 应力原理： r r = c + ( 盯一“) t a n 庐 ( 1 3 ) 式中：c 一一有效粘聚力，k p a ： 庐一一有效内摩擦角，度( 。) 。 1 3 2 考虑基质吸力的非饱和土抗剪强度研究 在非饱和土的研究中，许多学者都试图把t a r z a g h i 的有效应力原 理推广到非饱和土中，并进行了很多尝试，其中有b i s h o p ( 1 9 6 0 ) 在 m o h r - c o l u m b 准则的基础上提出了非饱和土的有效应力强度公式”： f ，= c 。+ p 一) t a n 缈+ 瞳p 。一“。) t a n 9 ( 1 - 4 ) 上式中：“。一一为孔隙气压力，k p a ； “。一一为孔隙水压力， k p a ； z一为一经验系数，和土的饱和度、干湿循环、应力路 径及土的类型有关，当饱和度为0 时，z = 0 ；当饱和度为1 时，x = 1 。 但由于z 值难于测定，因此在工程中没有得到广泛应用。 现在被工程界广泛接受的是f r e d l u n d 提出的非饱和抗剪强度公 式”“”1 ，他突破了传统只用单值的有效应力描述非饱和土特性，用 h 一) 和( 一) 两个独立的变量来描述非饱和土的应力状态，相应 公式为： 8 第一章绪论 f ，= c + p 。一“。) t a nq 9 + 0 。一1 - w ) t a n p 6 ( 1 5 ) 式中：p 6 为因基质吸力作用而引起的抗剪强度增长率的角； p 。一虬) 为净法向压力，0 。_ “。) 为基质吸力。 卢肇钧等在1 9 9 7 年给出了考虑膨胀力的非饱和土抗剪强度公式 为3 “： f ，= c + ( o - 一。乞) t a n 声+ m p 。t a n 声 ( 1 - 6 式中；m 一一为膨胀力有效系数： p 。一为体积不变条件下浸水测定的非饱和土膨胀力，k p a 。 党进谦等在1 9 9 7 年给出了考虑初始吸力的非饱和黄土抗剪强度 公式为m j ”3 ： f ，= f 。+ 6 s “十盯t a i l 砂 ( 1 7 ) 式中：c 。一为土样在饱和状态下的粘聚力，k p a ； 卜一为初始基质吸力，1 0 0 k p a ； 6 ，卜一为随取土点而变化的参数。 非饱和土抗剪强度的有效应力公式并不限于上述几种，但以 b i s h o p 和f r e d l u n d 所提出的破坏准则最为著名，并已得到实验的证实 和较多的应用。 1 4 可靠度理论的发展及应用 1 4 1 可靠度理论国内外研究现状【3 6 - 3 7 ，3 8 可靠性理论萌芽于第二次世界大战而在战后才得至完善和发展。 可靠性理论在土木工程的结构方面的应用是比较早的一个领域，早在 一九四七年，苏联的尔然尼钦( app 承ah 以u 七ih ) 就提出了 用一次二阶矩理论的方法来估计结构的失败概率。六十年代末开始， 关于土性统计性质和概率模型的研究及资料的收集，进行了大量的工 作。如l u m b ( 1 9 7 0 ) 、a l o n s o ( 1 9 7 6 ) 、h a r r ( 1 9 7 7 ) 、v a n m a r c k e ( 1 9 7 7 ) 、 b a c k e r ( 1 9 8 3 ) 、松尾稔( 1 9 7 7 ) 、d eg r o o t & b a c h e r ( 1 9 9 3 ) 等等，为岩土 工程可靠性进一步研究打下了基础。 对土的抗剪强度的概率统计研究结果首先被应用于土坡稳定的可 靠性分析。a l o n s o ( 1 9 7 6 ) 根据条分法结合一次概率分析对各种不确定 第一章绪论 性来源作了估计：堀内孝英和川村国英( 1 9 7 7 ) 着眼于实际结构物的 设计计算所需要的土质参数，考察了其统计性质；v a n m a r c k e ( 1 9 7 7 b ) 第一次用概率方法并考虑了三维效应研究土体稳定性，求得了很长的 土坡中最可能发生破坏的坡段长度；b a e c k e r ( 1 9 8 3 ) 用可靠度分析方法 研究了一个建于海相沉积粘性土上的路堤，该路堤分阶段填土并考虑 其固结作用。用可靠度分析方法来确定每个阶段填土的高度。c h r is t i a n e ta l ( 1 9 9 4 ) 讨论了如何通过现场和试验室数据描述土性的概率特性， 并采用简明的均值点f o s m 方法研究土坡可靠度，易为不熟悉可靠度 理论的工程师所理解和应用。b a e c k e r ( 1 9 8 3 ) 对近海结构物的可靠性分 析作了一般性的论述，可靠度计算的方法仍以j c 法为主。m m a t s u o 和h s u z u k i ( 19 8 5 ) 从可靠性为依据的设计观点出发，研究了路堤边 坡开挖设计安全系数。j l c h a n e n 与g w c l o u g h ( 1 9 8 3 ) 研究了预测在 地震随机荷载下，饱和松散砂土中孔隙水压力发展趋势的两种概率模 型。s m i t h ( 1 9 8 5 ) 研究了锚定支撑埋入式挡墙的可靠度，采用四种受力 分析的模式得到四个不同的安全系数，但可靠度指标却都相同，证明 了可靠度分析方法的优越性。f l o s e ( 1 9 8 9 ) 对侧向受荷桩进行了可靠度 分析。b a s m a ( 1 9 9 i ) 曾用可靠度理论分析锚定岸壁挡土墙的安全度， 并据此确定安全的入土深度、最大弯矩及锚杆力。 当然，可靠性理论也被应用于其它很多方面，在此不再一一列举。 岩土工程中的可靠性研究在国外发展的速度是较快的，规模也越来越 大，从一九七一年开始，每四年一届，召开题为“概率统计在土与结 构工程中的应用”( i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c e o i l a p p l i c a t i o n s o f s t a t i s t i c sa n dp r o b a b i l i t yt os o i la n ds t r u c t u r a le n g i n e e r i n g ) 的国际学 术会议。在历届的国际土力学和基础工程学术会议上，都有一些有关 概率论和统计学在岩土工程中应用的文章发表。由国际标准化组织岩 土工程技术委员会( i s o t c l 8 2 ) 主持编制的国际标准( 草案) 中规 定采用极限状态设计原则和分项系数方法，并对各级岩土工程提出了 可靠性指标b 的建议值，这是岩土工程可靠性研究进入实用阶段的标 n 盐口 国内在岩土工程方面的可靠性研究落后于国外，但也已经取得了 长足的进步。中国力学学会岩土力学专业委员会于1 9 8 3 年初在同济大 学举行了概率论与统计学在岩土工程的应用专题学术座谈会，1 9 8 6 年在长春召开了岩土力学参数的分析与解释讨论会，1 9 8 9 年在上海举 第一章绪论 行了岩土力学新分析方法讨论会；1 9 8 9 年由长江科学院牵头成立了 “岩土工程可靠度可行性研究攻关组”，进行岩土工程应用可靠度理论 和概率极限状态设计方法的