含水率对边坡土性及其稳定性的影响

刘纪峰,卢明师

(三明学院土木建筑工程系,福建三明 365004)

0 前言

边坡稳定性分析和评价是岩土工程界极为关注的研究课题之一,也是边坡工程的核心问题,如何正确评价和准确预测不同条件下的边坡稳定性,对于确保工程安全和降低建设费用、有效降低地质灾害给人民的生命财产带来的损失,具有重要的意义[1-2]。

边坡稳定性分析的研究方法很多,大致可分为定性分析和不确定分析方法,前者包括自然(成因)历史分析法、图解法、边坡稳定性分析数据库和专家系统等;后者主要包括极限平衡分析法、数值分析方法、灰色系统评价法、可靠度分析方法、模糊综合评价法等[3]。

何永金[4]分析了暴雨引发土质边坡滑坡的主要原因。姚裕春等[5]用离心模型试验研究了降雨对边坡稳定性的影响。钱纪芸等[6]的研究表明:降雨对边坡稳定性产生很大影响,降雨引起均质土坡发生浅层土体滑移破坏雨水入渗至土坡较深的位置,降雨引起土坡位移逐渐增大,最终形成明显的位移集中区域。土坡中一点位移发展可分为小位移阶段、迅速增大阶段和缓慢增大阶段。严继华[7]研究了华南红土不同含水率条件下的力学特性,得到了一些有意义的成果。赵颖文[8]通过室内试验对广西贵港红粘土、湖北荆门弱膨胀土与中膨胀土的物理力学性质指标、原状样脱湿过程中的强度变化、击实样泡水前后强度变化以及脱湿吸湿性能等方面进行了对比试验研究,结果显示含水率对土体性质有显著影响。

本文对不同含水率条件下边坡土体性质进行了物理力学试验,并结合 Matlab7.0程序编程,将研究成果应用于边坡稳定性系数的计算分析。

1 快剪试验

对边坡土体的重塑土样做了不同含水率下的快剪试验,试验结果如表1所示。

由表1可以发现如下规律:内摩擦角φ随含水率w的增大而逐渐减小;粘聚力 c随含水率 w的增大,先增大后减小。作者采用Origin6.1软件,分别用指数衰减函数和Gaussion函数拟合试验结果。得到的抗剪强度指标内摩擦角 φ与含水率w的关系拟合曲线见图1,黏聚力c与含水率 w的关系拟合曲线见图2,图1和图2中曲线的拟合表达式见式(1)和式(2)。通过图1、图2的拟合曲线可以看出不同含水率下重塑土样:含水率越大抗剪强度越小,含水率对黏聚力 c和内摩擦角 φ的影响都比较大,内摩擦角φ随含水率w的增大而逐渐减小;黏聚力c随含水率 w的增大,先增大后减小。

表1 边坡重塑土样不同含水率下直剪试验结果

2 含水率对边坡稳定性影响

为分析含水率变化引起土体性质变化对边坡稳定性的影响,假定其黏聚力和内摩擦角随含水率的变化符合式(1)和式(2),分别用圆弧滑动条分法和 FLAC3D强度折减法研究含水率变化对边坡稳定性的影响。所选算例如下:边坡高5 m,坡度1∶2,土质为均质土,重度γ=18 kN/m3,其圆弧滑动条分法计算简图如图3所示。

2.1 圆弧滑动条分法(Fellenius法)计算结果及分析

图3 边坡稳定性计算简图

采用圆弧滑动条分法计算边坡稳定性,该法的基本原理是将假定滑动面以上的土体分成 n个垂直土条,不考虑土条之间的相互作用力,对作用于各土条上的力进行力和力矩的平衡分析,求出在极限平衡状态下土体稳定的安全系数,判断边坡是否发生滑坡。

圆弧滑动条分法的计算流程如下:

(1)按比例绘制边坡的截面图(见图3)。

(2)根据坡脚 α查得坡底角 β1和坡顶角 β2,由此求出试算的滑动圆心 O1,量出滑动半径。

(3)将边坡分条,每条宽度bi=(1/201/10)R,本例取条宽为R/10=10.4/10=1.04m,对各条编号,其中编号为负值的表示其产生的切向力反向。

式中:di为第i土条自重心至O1的距离,m;i为土条编号数;b为条宽,m。

(5)量出各条的中心高度hi和弧长。

(6)列表计算相应于滑动圆心 O1时的稳定安全系数。

O1不一定是最危险滑动圆弧的滑动中心,因而K(O1)不一定是最小的稳定安全系数。故还需按照上述方法,经过多次试算以求得最小稳定安全系数。不同含水率时对应的边坡最小稳定安全系数,二者相互关系见图4。

由式(4)可以看出:含水率的变化对边坡土体重度 γ、黏聚力 c和内摩擦角 φ都有影响,其中对后 2个参数的影响分别由式(1)和式(2)计算,γ和含水率的关系为:

图4 不同含水率和初始重度的边坡稳定性系数

式中 γd为土的干重度。

综合式(1)、(2)、(4)和(5),可将含水率对边坡稳定性K(O1)的影响在Matlab7.0中编程实现[9],含水率计算区间为10%40%。

不同初始重度条件下含水率对边坡稳定系数的影响见图4,由图4可以看出:各初始重度条件下,受含水率对土体黏聚力、内摩擦角和重度的综合影响,边坡稳定性系数随边坡土体含水率增大而变化,总体趋势为先减小,后增大,增大到峰值后又急剧衰减。相同含水率时,土体初始重度越大的边坡,其边坡稳定性系数越小,初始重度为18 kN/m3时,含水率达 40%时边坡稳定性系数仍大于 1;初始重度为21 kN/m3时,含水率在37%左右时边坡稳定性系数仍为 1,边坡处于临界滑坡状态;初始重度进一步增大到 24 kN/m3时,含水率在 32%时边坡稳定性降低到 1,处于临界滑坡状态。说明边坡土体初始重度越大,含水率增大时,边坡越容易发生滑坡,这实质上是反映了各土条自重增大速率的增加和土条黏聚力、内摩擦角的综合变化对边坡稳定性的影响,与自然界在持续暴雨时边坡含水率持续增大(坡土黏聚力和内摩擦角变化,重度增加)边坡容易发生滑坡现象是比较一致的。

2.2 FLAC3D强度折减法数值模拟分析

强度折减法的基本原理为:定义安全系数为岩土体实际抗剪强度与临界破坏时折减后的剪切强度的比值,其计算要点是通过折减系数除以岩土体的强度指标 c和 φ求得折减后的对应指标,然后在FLAC3D中对边坡稳定性进行数值分析,不断增大折减系数,反复计算,直至其达到临界破坏,此时得到的折减系数即为安全系数。

图5 FLAC 3D数值模型网格划分

FLAC3D数值模拟网格划分见图5,选取模型参数如下:坐标原点在模型左下角,X轴向右为正,Y轴向里为正,Z轴向上为正。模型 X向长 20m,Y向宽0.5m,Z向高共8m,其中边坡高5 m,与图3一致。土体参数初始重度为18 kN/m3,不同含水率及对应的黏聚力和内摩擦角按表1选取,模拟过程中先将土体设为弹性体,在自重固结完成后将初始位移设置为0后,土体模型重设为摩尔-库伦模型,抗拉强度为100 MPa,弹性模量为 2 MPa,泊松比为 0.3,膨胀角为20°,摩尔-库伦参数随含水率变化适当折减。FLAC3D强度折减系数法模拟的含水率和边坡稳定性系数关系曲线见图6。

由图4和图6可知:FLAC3D强度折减系数法模拟的结果和Matlab7.0中圆弧滑动条分法的计算结果比较一致,所不同的是,由于二者的理论假定不同,在具体不同含水率对应的边坡稳定性系数大小方面有所差异,数值模拟结果在含水率较小的时候得出的边坡稳定性系数更小一些,而在含水率为 17%左右时二者所得出的边坡稳定性系数基本相差不大,都在 4.0左右;随着含水率进一步增大,数值模拟的边坡稳定性系数的降低速度较圆弧滑动条分法的更快。

3 结论与展望

了解含水率对边坡土体性质的影响是研究含水率对边坡稳定性影响的基础,基于以上考虑,进行了不同含水率条件下边坡土体性质的物理力学试验,在Matlab7.0中编程以及采用FLAC3D强度折减法进行了数值模拟,将研究成果应用于边坡稳定性系数的求解,结果表明:

图6 FLAC3D模拟的含水率和边坡稳定性系数关系曲线

(1)内摩擦角φ随含水率 w的增大而呈指数函数降低。(2)粘聚力c随含水率w的增大按照Gaussion函数先增大后减少,从函数可看出拐点发生在w=17.5%左右。(3)边坡稳定性系数随边坡土体含水率增大而变化,总体趋势为先减小,后增大,增大到峰值后又急剧衰减。(4)相同含水率时,土体初始重度越大的边坡,其边坡稳定性系数越小。(5) FLAC3D强度折减系数法模拟的结果和Matlab7.0中圆弧滑动条分法的计算结果规律比较一致,但由于理论假定不同,在具体数值上有所差异。

本文基于不同含水率时的边坡土体力学性质的试验结果,分别用圆弧滑动条分法和 FLAC3D强度折减法求得同一边坡的稳定系数并进行了一些基础阐述和分析。但限于水平和研究时间,作者认为还有如下问题有待进一步深入研究:

(1)边坡降雨入渗对其稳定性的影响。已有的研究表明:不同降雨强度、不同降雨持续时间条件下边坡渗流对其稳定性的影响是非常大的,本文研究的侧重点在于含水率变化对土体性质影响造成边坡稳定性的变化,没有考虑降雨入渗对边坡稳定性的影响,与实际情况有一点差异。需要说明的是,边坡降雨入渗的影响是可以在FLAC3D中模拟分析的,用诸如无网格法进行相应的分析也是研究的热点方向。(2)土样的代表性问题。试验所用土样为校内土坡土样,其代表性尚有待更多其它地方边坡土体试验结果的验证。作者认为,应在同一地区取不同地方的典型土样进行物理力学性质的室内试验,将所取参数用于理论分析才更有可信度,这也是下一步准备深入开展的工作。

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