均质无粘性土边坡稳定分析

□武子煜（郑州外国语学校）

均质无粘性土边坡稳定分析

□武子煜（郑州外国语学校）

边坡是具有倾斜面的土体，因土体表面倾斜，在重力及其它外力作用下，整个土体有从高处向低处滑动的趋势，土体滑动与边坡形状和土体类型有关。由粗颗粒土组成的边坡称为无粘性边坡，相对于粘性土边坡稳定分析，由于没有粘聚力的存在，其计算相对简单。文章根据力学平衡原理，按照土体干燥、有渗透水流两种状态进行无粘性土边坡稳定分析，通过实例计算得出结论。

无粘性土；边坡渗流；稳定分析

1 引言

土是由各种大小不同颗粒组成的混合物，一般而言，由粗粒土组成的土体为无粘性土，由细粒土组成的土体为粘性土。粘性土特性是：土体有粘性和可塑性，透水性极微，毛细管上升高度较大，其土体性质随含水量有较大变化，主要抗剪强度指标有内摩擦角和粘聚力。无粘性土特性是：土体无粘性，易透水，有一定毛细管上升高度，其主要抗剪强度指标只有内摩擦角。无粘性土根据粒径大小和颗粒占全重的比例，可分为砾砂（粒径＞2.00mm的颗粒占全重25%～50%）、粗砂（粒径＞0.50mm的颗粒超过全重50%）、中砂（粒径＞0.25mm的颗粒超过全重50%）、细砂（粒径＞7.50×10-2mm的颗粒超过全重85%）等。

2 干燥状态下均质边坡稳定分析

对于均质无粘性土边坡，在干燥状态下，只要坡面上的土颗粒在重力作用下能够保持稳定，整个边坡就处于稳定状态。边坡受力图见图1。

图1 无粘性土干燥状态下受力图

某一无粘性土体边坡，坡度为β，从坡面上取一小颗粒作为研究对象，其天然重度为γ，体积为V，小颗粒重量G。由于小颗粒在斜面受力，可将重量G分为两个力，一是沿坡面滑动力T，二是垂直于坡面的法向力为N，法向力N产生摩擦阻力F。从力学平衡原理考虑，只要滑动力T与摩擦阻力F相等，颗粒就处于平衡状态，边坡就稳定。边坡稳定计算公式如下：

式中：K—安全系数，当K≥1.00时，边坡处于稳定状态；G—颗粒重量，kN；γ—天然重度，kN/m3；V—颗粒体积，m3；N—法向力，kN；F—摩擦阻力，kN；T—滑动力，kN；f—摩擦系数；φ—内摩擦角，°一般情况下，颗粒摩擦系数f等于土体内摩擦角的正切值，即f=tanφ；β—边坡坡度，°。

3 有渗透水流的均质边坡稳定分析

当土体边坡中有渗透水流时，土体除受重力作用外，还受到渗透压力的影响，因而会降低无粘性土边坡的稳定性。边坡受力图见图2。

图2 无粘性土渗透水流状态下受力图

与干燥状态下分析过程一样，选取小颗粒为研究对象，受地下水影响，土体颗粒有效重度为γ＇，体积不变仍为V，则小颗粒有效重量为G＇，此时，有效重量除沿坡面分成两个力（滑动力T＇，法向力N＇）外，颗粒还受到渗透压力J作用。边坡稳定计算公式如下：

式中：K＇—安全系数；γsat—土体饱和重度，kN/m3，其值等于土体有效重度与水体重度之和；γ＇—有效重度，kN/m3；γw—水重度，一般取10.00kN/m3；J—渗透压力，kN；i—水力坡度，假定渗透水流沿坡面流动，i=sinβ。

4 实例分析计算

现有一无粘性土边坡，边坡坡度β=20°，土体天然重度γ=19.50kN/m3，内摩擦角φ=35°，饱和重度γsat=22.00kN/m3。根据以上公式进行安全系数计算。

4.1 干燥状态下

计算结果表明K＞1.00，边坡处于稳定状态。

4.2 渗透水流状态下

安全系数计算：

计算结果表明K＇＜1.00，边坡处于失稳状态。

4.3 计算结果分析

从以上计算结果可以看出，同一个土体边坡，在干燥状态下边坡处于稳定状态，而当土体受地下水影响，有渗透压力存在时，边坡安全系数减少约50%左右，土体处于失稳状态。因此，对于无粘性土体边坡在受到水体影响时，边坡稳定应引起重视。

5 结论

一是，无粘性土边坡在干燥状态下，安全系数与土体的重量无关，也与所选颗粒体积大小无关，只与边坡坡度及土体内摩擦角有关。在安全系数不变情况下，土体经过压实后，内摩擦角增大，边坡坡度也可适当增大。二是，在边坡坡面有顺坡渗流时，无粘性土边坡安全系数降低，有可能造成边坡失稳，应提前做好防护准备，以免造成事故发生。

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1673-8853（2017）09-0079-02

2017-6-6

编辑：刘长垠