15堤防非饱和边坡稳定分析方法探讨

长󰀂江󰀂科󰀂学󰀂院󰀂院󰀂报

JournalofYangtzeRiverScientificResearchInstituteVol.20No.3Jun.2003

󰀂󰀂文章编号:1001󰀁5485(2003)03󰀁0039󰀁03

堤防非饱和边坡稳定分析方法探讨

龚壁卫,吴昌瑜

(长江科学院土工研究所,湖北武汉󰀂430010)

摘要:从非饱和土理论出发,对非饱和土的水󰀁气转换、非饱和土的强度以及堤防稳定分析方法进行了初步探讨,重点探讨了非饱和土抗剪公式的简化问题,并在边坡稳定分析中引入了吸力对抗剪强度的影响,使常规的稳定分析程序更为合理。

关󰀂键󰀂词:非饱和土;抗剪强度;稳定分析中图分类号:TV139.2󰀂󰀂󰀂文献标识码:A

的强度、变形等参数量测十分复杂,使得有关研究进

1󰀂问题的提出

堤防工程设计规范!(以下简称 规范!)规定,堤防工程边坡抗滑稳定分析应采用瑞典圆弧法或改良圆弧法。该分析方法是建立在静力学基础上的力系平衡的分析方法。其中,土的抗剪强度采用饱和土的试验指标。对于大多数边坡或堤坝而言,这种宏观力系平衡的分析方法能满足工程设计的需要,但对于边坡土体处于非饱和状态,尤其是滑动面附近土体抗剪强度受雨水或地下水作用而反复变化时,这种分析方法则存在一定的误差。对此, 规范!规定,对多雨地区的土堤,应根据填筑土的渗透和堤坡防护条件,核算降雨期堤防的边坡抗滑稳定性。

长江中下游沿岸3600余km的堤防多建在第四系冲积平原上,堤基一般为二元结构,表层是薄不透水层,下层一般为深厚细砂或砂卵石等强透水层。堤身填土多由粘土、粉质粘土或壤土等组成,其天然密度低、孔隙率较高,近地表的土层通常处于非饱和状态。降雨和地下水位的变化将使堤身土体吸力降低,饱和度增加,抗剪强度锐减,导致边坡失稳。这是大多数堤防和边坡发生浅层滑动的主要原因。研究降雨和地下水入渗后堤防及边坡吸力场的变化、吸力场的影响因素、吸力对土的抗剪强度的影响是堤坝及边坡稳定的重要课题之一。

早在20世纪30年代,人们已经注意到土中吸力对土体变形与强度的影响,由于土在三相状态下

󰀁

展十分缓慢。到20世纪中期,由于太沙基的有效应

力公式在描述饱和土性状方面取得的巨大成功,人们重新开始了非饱和土的研究。Bishop[1](1960)和D.G.Fredlund(1978)分别从各自的应力状态变量出发提出了相应的有效应力公式,使非饱和土的研究向工程实用领域迈进了一步。

将非饱和土抗剪强度理论运用于边坡稳定分析是岩土工程研究工作的新课题,也是理论联系实际的有益尝试。为此,包承纲

[3]

[2]

曾提出一条较为系统

的研究思路∀∀∀#含水量∃吸力∃抗剪强度∃稳定性%。沿着这一思路,笔者探讨了由土水特征曲线建立吸力与抗剪强度的关系方法,并探索了从#气候条件∃含水量分布规律∃吸力场∃抗剪强度∃稳定性判别%这一途径来建立非饱和边坡稳定分析的方法。

2󰀂非饱和土的抗剪强度理论

2.1󰀂非饱和土抗剪强度公式

非饱和土的抗剪强度,因其试验技术复杂,使有关的理论研究进展缓慢,到20世纪50年代后期至60年代初期,随着有效应力原理在饱和土中的广泛应用,人们也将它推广到非饱和土的研究中,其中最为著名的Bishop公式为

󰀁&=(󰀁-u󰀂)+ (ua-uw)。了非饱和土的有效应力强度表达式

(1)

此后,Bishop又在上式和莫尔󰀁库仑准则基础上提出

收稿日期:2002󰀁07󰀁03

基金项目:国家自然科学基金委员会和长江水利委员会联合资助项目(50099620).作者简介:龚壁卫(1962󰀁),男,重庆市人,长江科学院土工研究所高级工程师,硕士,主要从事岩土工程、非饱和土研究.󰀁陈祖煜,孙玉胜.长江堤防西段崩岸治理方略和工程措施探讨,中国水利水电研究院学报,1996,3(2).

40长江科学院院报2003年

!f=c&+(󰀁n-ua)tg∀&+[ (ua-uw)]tg∀&,

(2)

式中, 为经验系数,它与饱和度、应力路径及土的类型有关。与饱和土的有效应力公式󰀁&=(󰀁-uw)所不同的是,该式中分别考虑了孔隙气体和孔隙水对强度的影响。

Bishop的公式在很长一段时间内得到了岩土工程师的认同,但该式也存在明显不足,尤其是工程运用较难。1978年,加拿大Saskatchewan大学的Morgenstern和D.G.Fredlund教授建议用两个独立的应力状态变量(󰀁-ua)和(ua-uw)建立抗剪强度表达式,从而将摩尔󰀁库仑准则推广到以!,(󰀁-ua)和(ua-uw)为坐标轴的三维空间,并提出另一个抗剪强度公式

!f=c&+(󰀁n-ua)tg∀&+(ua-uw)]tg∀b,

(3)

式中:(󰀁n-ua)和(ua-uw)作为两个独立的应力状态变量;∀b为吸力内摩擦角。最近几年国内也有一些学者提出过一些非饱和土的抗剪强度公式。卢肇钧(1992年)提出了一种采用膨胀力代替吸力来表达抗剪强度的强度表达式

!=c&+(󰀁n-ua)tg∀&+Pstg∀&,

式中,Ps为膨胀力。

沈珠江󰀁等提出用双曲线来拟合与吸力有关的抗剪强度公式

!us=(ua-uw)

1tg∀&。(5)

1+d(ua-uw)

(4)

析公式,即

!f=c&+(󰀁n-ua)tg∀&+(ua-uw)∋

#-#r

tg∀&,

#s-#r

(6)

式中#s,#r分别为饱和及残余体积含水量。2.2󰀂土水特征曲线和抗剪强度的实用表达式2.2.1󰀂土水特征曲线的简化

由于在土水特征曲线上对应于进气值和残余含水量的曲线近乎一条直线,因此詹良通等

以用对数方程来表征,即

#=a-blg(ua-uw),

其中a,b为拟合参数。

当(ua-uw)=(ua-uw)b时,#=#s,所以󰀂#s=a-blg(ua-uw)b;当(ua-uw)=(ua-uw)r时,#=#r,故󰀂#r=a-blg(ua-uw)r。由此可解得

#-#r

=p-q∋lg(ua-uw)。

#s-#r

其中:p=

(8)

[3]

建议可

(7)

lg(ua-uw)r

,

lg(ua-uw)r-lg(ua-uw)b

1q=。

lg(ua-uw)r-lg(ua-uw)b

p,q分别是土水特征曲线下降段的斜率和截距,它们都是与孔隙尺寸有关的参数,可以根据区间[(ua-uw)b,(ua-uw)r]中实测的土水特征曲线数据点进行线性拟合求得。

2.2.2󰀂非饱和土抗剪强度公式的实用形式

詹良通根据土水特征曲线的实用化公式,列出了非饱和土抗剪强度的实用化公式,

!f=c&+(󰀁n-ua)tg∀&+

(ua-uw)∋[p-qlg(ua-uw)]∋tg∀。(9)该式应用起来比较方便,即只需要进行饱和土的三轴试验和土水特征曲线试验,分别测定饱和土的抗剪强度参数和土水特征曲线,则可计算一定应力状

态下的非饱和土抗剪强度值。

用此实用化公式来确定非饱和土抗剪强度的步骤如下:

(1)进行饱和土三轴剪切实验,确定有效凝聚力C&和有效内摩擦角∀&;

(2)进行压力板试验测定土水特征曲线;(3)根据土水特征曲线确定进气值(ua-uw)b

和残余含水量#r对应的(ua-uw)r;

上述的诸多强度公式中的有关参数,必须通过非饱和土试验来测定。但是由于非饱和土试验仪器设备昂贵,实验操作过程复杂费时,特别是非饱和土中的

吸力量测困难,因此,一般的岩土工程实验室无法通过非饱和土剪切试验方法来准确求得抗剪强度参数(如∀b),也正是这个原因使得这些公式没能在工程实践中得到广泛的应用。因此,Vanapalli和Fred󰀁lund(1995)在非饱和土微观分析的基础上,提出了用土水特征曲线来预测非饱和土抗剪强度的经验分析模型。

Vanepalli认为,非饱和土中由基质吸力引起的抗剪强度与含水量有密切关系,而土的含水量与基质吸力的关系,可以通过土水特征曲线来描述,所以,由基质吸力引起的抗剪强度与土水特征曲线之间存在一定的关系。因此,他提出了用土水特征曲线来预测基质吸力引起的抗剪强度!us的经验性分

󰀁沈珠江.当前非饱和土力学研究中的若干问题.区域性土的岩土工程问题学术讨论会论文集,南京:1996,1-9.

第3期龚壁卫等󰀂堤防非饱和边坡稳定分析方法探讨41

(4)对区间[(ua-uw)b,(ua-uw)r]中实测的土水特征曲线数据点进行线性拟合以求得参数p和q;

(5)利用上述的抗剪强度公式计算一定应力状态下的非饱和土的抗剪强度值。

影响,影响系数根据经验取值。3.3󰀂计算成果

受降雨影响的吸力分布情况和不考虑吸力情况下的边坡稳定分析成果列于表1。计算结果表明:若不考虑吸力影响,堤坡的稳定系数为1.23,基本满足稳定要求;考虑吸力影响以后,堤坡的安全系数提高到1.75,说明吸力对边坡稳定是有作用的;而考虑降雨入渗,吸力减小以后,由于吸力的降低,堤坡的安全系数已减低到1.13,说明已经处于临界状态,堤坡可能失稳。

本例定性地分析了非饱和土边坡与饱和土边坡在稳定分析上的差异,仅从计算成果本身来分析,表明两者是有区别的。应用本文所提出的非饱和土抗剪强度简化计算方法,其结果合乎实际,规律性较好。实际工程中,吸力的作用对堤坡的稳定安全系数有一定影响,因此应加以重视。

表1󰀂边坡稳定分析成果表Table1󰀂Stabilityanalysisresults

稳定安全系数Fs

不考虑吸力

1.23

吸力与静水压力平衡

1.75

降雨入渗1.13

坡面蒸发2.22

3󰀂工程应用实例

岩土工程边坡稳定分析目前多采用二维极限平衡法,该方法是建立在静力学原理基础上的力系平衡分析方法。对于大多数饱和粘性土边坡或堤坝,一般采用饱和土的有效抗剪强度指标,并对于地下水位以上由负孔隙水压力提供的部分抗剪强度通常加以忽略。对于滑动面大部分处于地下水以下的情况,这种忽略负孔隙水压力的做法是合理的(D.G.Fredlund,1993),但对地下水位很深或主要考虑是否可能出现浅层滑动的情况,这种忽略就过于粗糙了。此外,降雨或地下水的渗流作用对边坡稳定的影响是大多数稳定分析程序所不能考虑的。本例中以某堤防边坡为研究对象,考虑了堤坝边坡含水率变化对吸力、抗剪强度以及边坡稳定的影响。吸力对土的抗剪强度影响采用前面所叙述的简化方法来计算。

3.1󰀂计算断面地质情况

断面基本情况为堤坡高10m,坡度1(2.5,三层结构:上层为厚4m的灰褐色壤土,中层为粉质粘土,基础为重砂壤土。计算边坡示意图见图1。

4󰀂结󰀂语

(1)应用非饱和土理论分析堤坝及边坡的稳定是理论联系实际的有益尝试。非饱和土在工程中经常遇到,用非饱和土的理论来解决工程问题是必需的、也是合理的。为了方便在工程中推广,应在不脱离其固有特性的前提下,将非饱和土的理论和方法加以简化和实用。

(2)在工程实用的范围内,非饱和土的土水特征曲线可以简化为半对数坐标系上的一条直线,抗

图1󰀂计算边坡示意图Fig.1󰀂Sketchofslopecalculation

剪强度的表达式也可以相应地简化。此举可以使工程应用更为方便,而且能满足工程精度要求。(3)非饱和土边坡稳定分析的研究思路应遵循:#含水量∃吸力分布∃抗剪强度∃稳定性判别%的途径。参考文献:

[1]󰀂BISHOPAW,BLIGNTGE.Someaspectsofeffective

stressinsaturatedandunsaturatedsoils[J].Geotech󰀁nique,1963,(3):177-197.

[2]󰀂FREDLUNDDG,RAHARDJOH.Soilmechanicsfor

unsaturatedsoils[M].NewYork:JohnWiley&Sons,INC.1993.

3.2󰀂计算吸力剖面及非饱和土强度参数取值

计算中的吸力剖面根据现场雨后的实测吸力分布取用,并假设吸力随深度变化按直线分布。非饱和土的强度是由有效应力引起的强度和吸力引起的强度增量两部分组成的。吸力引起的强度增量采用本文的简化公式计算,其中参数p,q根据各土层实测土水特征曲线线性段的拟合取值。该项强度以凝聚力的形式计入土的总凝聚力分量中,这样处理的优点是可以直接用常规的边坡稳定分析程序来计算稳定安全系数。

本例分析中还考虑了降雨或蒸发对土的重度的(下转第46页)46长江科学院院报2003年

的挤出变形可得到有效的控制。主厂房机窝围岩由P1q1,P1ma和C2h软岩组成,开挖后变形量大,围岩最大开挖位移出现在该部位,其值约16.6cm。洞室开挖完成后,主厂房上、下游侧墙均存在较大范围的拉应力区和塑性区。通过施加几种支护措施,围岩的应力状态得到了不同程度的改善,特别是侧墙受拉区域显著减少,围岩基本处于受压状态。洞室侧墙的塑性区延伸范围大多在预应力锚索的有效控制范围内,主厂房围岩在开挖过程中若及时采用喷锚支护,其整体稳定性可以得到保证。

参考文献:

[1]󰀂邬爱清,徐󰀂平,喻󰀂勇.三峡工程地下厂房围岩稳定

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[2]󰀂刘󰀂建,丁秀丽.彭水工程地下厂房开挖支护的数值

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[3]󰀂朱维申,何满潮.复杂条件下围岩稳定性与岩体动态

力学[M].北京:科学出版社,1995.

(编辑:李春燕)

NumericalanalysisofexcavationforundergroundpowerhouseinShuibuyaProject

ZHANGlian,DINGXiu󰀁li,FUJing

(YangtzeRiverScientificResearchInstitute,Wuhan,430019,China)

Abstract:ThestressdistributionanddeformationofthesurroundingrockmassintheundergroundpowerhouseoftheShuibuyaProjectareanalyzedbyusingnonlinear2DFEM.Furthermore,theinfluencesofsupportmea󰀁suresincludingthereplacementofsoftrockmassandshotcrete󰀁boltsupportonthestressanddeformationofthesurroundingrockmassarestudied.Finally,theintegratestabilityoftheundergroundpowerhouseisevaluated.Keywords:ShuibuyaProject;undergroundpowerhouse;replacementofsoftrock;shotcrete󰀁boltsupport;nu󰀁

mericalmodeling

(上接第41页)

[3]󰀂BAOCheng󰀁gang,GONGBi󰀁wei,ZHANLiang󰀁tong.

Properitiesofunsaturatedsoilsandslopestabilityofex󰀁pansivesoils[A].ThesecondInternationalConferenceonUnsaturatedSoils[C].Beijing:InternationlAcademic

(编辑:李春燕)

Publishers,1998.

Probeintostabilityanalysisofthedikeslopeofunsaturatedsoils

GONGBi󰀁wei,WUChang󰀁yu

(YangtzeRiverScientificResearchInstitute,Wuhan430010,China)

Abstract:Onthebasisofthetheoryofunsaturatedsoils,thepaperdiscussestheair󰀁watertransformofunsatu󰀁ratedsoils,itsstrength,andstabilityanalysisinthedikeoftheYangtzeRiver.Theshort󰀁cutformalaofshearstrengthofunsaturatedsoilisemphaticallypresented,thecompactofsuctionforceontheshearstrengthiscon󰀁sideredinstabilityanalysis,andtheconcernedprogramsaremoreresonalde.Keywords:unsaturatedsoils;shearstrength;stabilityanalysis