边坡稳定分析

非饱和土坡稳定是近年来人们所关心的热点，特别是降雨引起非饱和土坡失稳，给人们生产及安全带来了极大损失。主要介绍了由于雨水入渗，使非饱和土坡的含水量发生变化，而含水量正是与基质吸力有着直接的联系。正是由于基质吸力的变化才使整个土坡的整体稳定性也随着变化，也就是说安全系数与含水量分布有着必然的关系。从而得出当土坡处于危险状况下的含水量分布,当土坡中的含水量达到危险含水量时，土坡处于危险状态。这种含水量分布就叫做DVWCCP(DangerousVolumetricWaterContentCurvesProfile)。因此,通过监测土坡的含水量的变化来获得土坡的稳定信息，为生产和安全提供保障。:《非饱和土坡的稳定分析》张士林，邵龙潭一一(西部探矿工程)2006(12)281-283.近年来，国内外学者对于非饱和土进行了比较深入的研究，取得了不少成果。Vanapalli&Frendlund在1996年，提出了非饱和土的抗剪强度公式[1~2]:Tf=c'+[Ot-ua+Se(ua-uw)]tanU'(1)其中:Se=S-Sr1-SF式中:S 饱和度；Sr 残余饱和度；Tf 抗剪强度；。t 总应力；ua 孔隙气压力；u 孔隙水压力；ua-uw 基质吸力；c'、' 有效内聚力和内摩擦角。当S=1,也就是当土体饱和时,Se=1-Sr1-Sr=1,基质吸力ua-uw=0。那么,非饱和土的抗剪强度公式就可以写成饱和土的抗剪强度公式：Tf=c'+(。「uw)tan'(2)这样公式(1)就把正的以及负的孔隙水压力都包括进去了[3],从而能够比较全面的进行计算土坡的稳定性。文中采用公式(1)进行非饱和土坡的稳定性分析，下面详细介绍分析过程。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.随着城市建设的发展，城市土地资源越来越紧张，因此充分利用地下空间将成为21世纪城市建设与发展的方向，对于北京地区来说，地下工程涉及的土质主要是非饱和土。而土体含水量的变化对非饱和土强度影响极为明显，由此势必会影响到非饱和土工程的安全性,如建筑物基坑的安全性，市政设施开挖后的边坡的安全性等。文献1讨论了降雨对建筑物基坑边坡稳定性的影响，降雨之所以产生影响是因为降雨使得土体含水量发生了变化，降低了土体的强度。因此在研究土体含水量的变化对非饱和土工程安全性影响时，首先要弄清含水量的变化对非饱和土强度的影响。土体强度是土体工程性质最直观的体现，人们关心土体工程性质在很大程度上体现在对土体强度的考虑上。含水量与土体强度的关系很早以前就引起岩土工程界的关注，在广大北方地区,由于地下水位比较低，施工范围内的土质以非饱和土为主，含水量的改变对非饱和土强度的影响更为明显，然而，现有的实验结果初步表明:含水量与非饱和土的强度绝不是简单的线性关系或此消彼涨的关系。如何从定量的角度建立含水量与非饱和土强度的关系，对于岩土工程设计及稳定性预测具有重要的意义。1李兆平.降雨入渗对基坑工程安全性影响的研究.［J］中国安全科学学报.Vol.10,No.3,2000.有些文献报道了一些学者研究了降雨入渗和边坡稳定性的关系［1~3］,取得若干重要的研究成果，引起了人们对研究降雨入渗给土体工程安全性影响的重视。但是，上述研究工作均未考虑土壤入渗特性随降雨入渗的变化而变化，在处理降雨入渗量的时候,均假定一个入渗量,如Fredlund［1］在处理斜坡降雨入渗量时，假定10%的入渗量，而水平地面则100%的入渗。Lumb［2］假定50%的入渗量,吴宏伟［3］假定了70%的入渗量。这些假定，都与实际的雨水入渗情况差别较大。降雨入渗的规律应该是:降雨入渗开始时期，由于降雨强度往往小于土壤的入渗能力，所以，实际发生的入渗率即为降雨强度（供水强度）。随着累积入渗量的增加，土壤剖面含水率逐渐增大,入渗能力逐渐减小,到一定时刻后，就会出现降雨强度大于土壤的入渗能力，此时,实际发生的入渗率为一逐渐减小的过程，而超出入渗率的降雨则形成积水或地表径流。因此，降雨入渗过程应分为两个阶段：第一阶段为供水控制阶段（通量控制）;第二阶段为土壤入渗能力控制阶段（剖面控制）。在雨水入渗引起非饱和土中，基质吸力的消失或减小是降雨引起边坡安全系数降低的主要机理。2）降雨入渗对边坡安全性的影响程度，受降雨强度、降雨持续时间、土体初始含水率以及饱和渗透系数等因素的影响。【1】FredlundDG等著.非饱和土土力学.陈仲颐等译.北京:中国建筑工业出版社,1997.【2】LumbP.Effectofrainstormonslopestability.Sym.onHongKongsoils.【3】吴宏伟、陈守义等.雨水入渗对非饱和土坡稳定性影响的参数研究.岩土力学,1999,20（1）.Lumb[1]率先研究了香港地区降雨和滑坡的关系。他提出一种简化的一维垂直入渗模型并用于计算湿润峰推进的速度及入渗停止后含水量再分布过程。然后根据抗剪强度与饱和度的经验关系，并假定破坏面平行坡面，研究了地质条件和降雨特性对斜坡稳定性的影响。考虑的具体影响因素包括土的入渗能力、土的初始饱和度、降雨强度与降雨持时曲线、暴雨前降雨量、间歇性降雨以及坡面防渗情况等。Lumb研究的结论为:香港斜坡的稳定性由土的入渗能力来控制,某次特定暴雨对斜坡稳定性的影响取决于该次暴雨过程属于多少年一遇的水平，还取决于该次暴雨前的降雨量。但Lumb在研究中未考虑水平渗流分量的影响,且假定导水率K及扩散度D均为常量，Fredlund等［2,3］反复强调负孔隙水压力对土坡稳定性的影响，并重新研究了边坡稳定分析中的安全因数计算公式,以便把正的和负的孔隙水压力都包括进去。他通过香港陡坡的算例进行了暴雨情形下的瞬态渗流分析和边坡稳定分析。分析中采用模拟降雨前稳态渗流条件下的孔隙水压力分布作为暴雨期间瞬态分析的初始条件。渗流分析中假定孔隙空气压力不变，用Galerkin有限元法模拟稳态和瞬态渗流场，通过渗流分析可以得出暴雨开始后不同时刻的孔隙水压力分布,从而分析土坡在不同时刻的稳定性。分析结果表明:由于临界滑动面比较浅,负孔隙水压力在抗剪强度发挥中起主要作用,所以暴雨期间安全因数下降很显著，并有可能导致斜坡的破坏。Sammori和Tsnboyanma［4］用Galerkin有限元法模拟暂态渗流过程，并对边坡稳定性进行了参数研究。渗流分析采用的控制方程为Richard方程，稳定性分析采用简化Bishop法。选择的变化参数包括斜坡长度、土层深度、横截面形状和土的性质，但降雨强度保持不变。分析结果表明:对斜坡稳定性不利的参数取值情况是较低的导水率，较长的斜坡，较浅的土层深度和凹形的斜坡表面。Alonso等［5］进行了土坡二维非饱和渗流和极限平衡法的联合分析，渗流分析中采用了考虑空气压力变化的耦合型控制方程。考虑的影响因素包括土的类型、降雨持时、降雨强度、水分保持曲线的形状和土的渗透性。主要研究结论为:安全因数变化所需的时间与土的渗透系数成反比，且饱和渗透系数Kw<10-7m/s时，在降雨的当时看不出安全因数明显下降;对于水分保持曲线形状比较光滑（亦即级配较好）的土，安全因数下降所需延迟时间较为显著;高降雨强度和低渗透性的参数组合可导致降雨后安全因数的降低。可以看出,Alonso的结论都是与降雨引起延迟型的土坡失稳有关。Shimada等［6］用Galerkin有限元法模拟二维非饱和渗流，采用刚体弹簧模型进行斜坡稳定性数值分析。考虑的影响因素包括降雨强度和土的类型。他的计算结果表明：较高的降雨强度可以显著降低模型斜坡的安全因数;渗透性函数对模型斜坡安全因数的降低只有较小影响;在土的水分保持曲线靠近饱和一端，基质吸力的较小改变可引起模型斜坡安全因数的大幅度降低°Sun等［7］认为空气压力对非饱和土的渗流有明显的影响，发展了应力和两相流的耦合理论，并应用于分析降雨引起土坡的浅层破坏。推导了将多相流与多孔介质固结相耦合的控制方程组，并用一个将吸力、饱和度和孔隙比联系在一起的状态方程作为附加方程。Galerkin有限元法用于离散控制方程，有限差分公式用于离散时域。总水头、空气压力及饱和度视为独立变量。该理论被用于分析Yash-naga斜坡。分析结果表明，由于空气压力的影响，使朝向斜坡深部的渗流变慢，而斜坡浅部将迅速饱和。雨水入渗造成斜坡浅部从坡顶到坡脚方向的渗流，并很易在坡脚产生破坏。如果分析中不考虑空气压力的作用，则雨水会不断地渗到坡体的深处一直使斜坡底部成为饱和状态，此情形下的渗透力使斜坡的稳定性增大。Sun等认为不考虑空气压力的分析结果不符合实际情况。最近,Ng和Shi［8］针对香港情况用有限元法研究了各种降雨事件和初始条件对暂态渗流和斜坡稳定性的影响。研究结果表明，雨水入渗引起基质吸力的减小和非饱和土渗透性的增大，并在主要地下水位以上出现上层滞水水位。安全因数不仅受到降雨强度、初始地下水位和各向异性渗透比的控制，而且还取决于先期降雨的持时。斜坡失稳是山区常见的自然灾害。滑坡和泥石流的发生与降雨关系密切是早为人知的事实,但人们对这种关系的认识和理解仍很不充分。深入研究降雨引起斜坡失稳的规律并建立定量的分析模型对于滑坡、泥石流灾害的预测和预防有重要的指导意义。研究降雨引发滑坡的规律性有两种途径，一是用统计分析寻求降雨与滑坡相关性规律;二是研究雨水入渗引发滑坡的物理过程并建立定量的分析模型，然后利用这种分析模型进行参数研究。本文的研究途径属于后者。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拉哈尔佐.非饱和土土力学.陈仲颐等译.北京:中国建筑工业出版社,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