考虑土体非均质性的三维土坡稳定性上限分析

李镜培， 龚卫兵， 李 林， 操小兵

(1.同济大学 土木工程学院，上海 200092；2.同济大学 岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092)

边坡稳定性分析是岩土工程研究中的经典问题.目前，关于边坡稳定性研究的方法主要有极限平衡法[1-5]、有限元分析法[6-9]和极限分析法[10-13].极限平衡法作为较早分析边坡稳定性的方法，因其力学概念明确、计算简单等特点一度成为分析边坡稳定性的主要方法[14].但该方法在假设条块间作用力时，往往存在假设过于简单的情况，得到的解答既不是真实解的上限也不是下限，对三维极限平衡法更是如此.随着计算机运算能力和商用有限元分析软件功能的提升，有限元分析法已成为分析边坡稳定性较为全面的一种方法.该方法不仅可以考虑复杂的边坡形式、受荷情况等因素，还能追踪边坡失稳破坏的整个过程.然而，有限元分析法建模过程复杂、用到的本构模型所需参数较难确定，且计算结果的合理性很大程度上取决于本构模型参数取值的准确性，另外，需要花费很多精力来建立的计算模型每次却只能分析某一特定边坡的稳定性，因此，该方法在实际工程中的应用推广还存在许多困难.

极限分析上限法基于塑性极限理论，通过构造合理的速度场破坏机制来求真实解的上限.该方法已被Chen[10]较好地应用于二维土质边坡稳定性分析，合理性得到了充分验证.Michalowski和Drescher[15]在Chen的基础上，将二维土质边坡的破坏模式拓展到三维土质边坡，从而研究了三维土质边坡的稳定性.其后，国内外学者在此基础上研究了三维土质边坡在不同条件下的稳定性：饶平平等[16]研究了边坡沉桩对三维土质边坡稳定性影响，得知前期沉桩导致边坡安全系数不断减小，但当桩体穿过破坏面后，安全系数明显提高；Gao等[17]将三维边坡的坡趾破坏拓展到坡底和坡面破坏，得出边坡在坡角和土体内摩擦角较小的情况下坡底破坏比坡趾破坏更危险；同时，Gao等[18]分析了抗滑桩对三维土质边坡的加固作用，发现当抗滑桩桩间距越小时，抗滑桩对边坡的加固作用较明显；Pan等[19]讨论了土体渗流力对三维土质边坡稳定性的影响，并将计算结果与FLAC 3D数值模拟结果进行了对比验证.从上述研究可以看出，目前利用极限分析法对三维土质边坡稳定性的研究还较少.另外，非均质性是土体具有的固有属性[10,12]，尽管Yang和Xu[20]应用土体二维非均质公式研究了二阶三维土质边坡的稳定性，但其仍未对二维非均质公式进行相应的三维拓展.同时，其他关于土体非均质性对三维土质边坡稳定性影响的研究还鲜见报道.值得指出的是Michalowski和Drescher[15]在研究三维边坡稳定性时考虑了土体体积压缩产生的能量耗散，但当三维土质边坡受荷或环境情况稍显复杂时，土体体积压缩耗能的计算将变得异常复杂而无法计算.因此，大部分研究[16,18-19]直接忽略了此部分耗能，却未分析不考虑此部分耗能对三维土质边坡稳定性的影响.

在现有三维土质边坡极限分析方法的基础上，把考虑土体非均质性的二维公式拓展到三维情况，研究忽略土体体积压缩耗能对三维土质边坡稳定性系数的影响，并进一步分析不同坡角、不同内摩擦角和不同宽高比的三维土坡稳定性随土体非均质性变化的规律.

1 非均质三维土坡稳定性分析

1.1 三维边坡极限分析的破坏模式

Michalowski和Drescher[15]将Chen提出的二维土质边坡对数螺旋线破坏机制成功拓展到如图1所示牛角状对数螺旋线锥体三维土质边坡破坏机制.图中，φ为土体的内摩擦角，ω为角速度，β为三维土质边坡的坡角，v为滑动速率，rm=(r+r′)/2，R=(r-r′)/2，r和r′的表达式如下：

r=r0e(θ-θ0)tan φ

(1)

(2)

X1、X2和Y可分别表示为

(3)

(4)

(5)

图1 三维土质边坡极限破坏机制示意[15]

Fig.1Schematicoflimitfailuremechanismofthree-dimensionalsoilslope[15]

根据图(1)所示几何关系可得a、b和θB的表达式为

(6)

(7)

(8)

式(8)中

(9)

当三维土质边坡纵向长度趋于一个较大值时，三维边坡稳定性即可视作二维平面问题.基于此，将上述模型沿对称面切开，插入宽度为b的二维边坡破坏模式.当插入宽度b足够大时，三维破坏模式即可转化为二维破坏模式，该拓展的示意图可参见图2.图中，B为滑动体的最大宽度，H为边坡的高度.

图2 插入平面的破坏模式示意[15]

1.2 重力做功计算

如图1所示，重力对三维土块ABC所做的功可表示为

(10)

式中:γ为土体的容重.

重力对图2中宽度为b的插入体所做的功为

(11)

由式(10)和式(11)可将重力对滑动土体做的总功表示为

W=Wγ+Wγ,P

(12)

1.3 考虑非均质性的能量耗散计算

根据Michalowski和Drescher的研究可知三维土质边坡在失稳破坏时的内能耗散包括两部分，一部分是土体沿破裂面滑动的摩擦耗能损失，另一部分是土体体积压缩耗能损失[15].为考虑土体在自然沉积过程中形成的非均质性，依据Chen[10]、Nian等[12]和Yang等[20]关于土体非均质性假设的模型，采用黏聚力沿深度直线变化的模式来表示土体的非均质性(见图3)，因此黏聚力大小可表示为

(13)

式中：c为土体黏聚力；n0为非均质系数，取值范围为0～1.n0越小，土体的非均质性越强.当n0=1时，土体是均质的.

图3 线性增大的土体非均质性

在考虑土体非均质性条件下，土体体积压缩耗能计算将过于复杂而难以得到相应解答.因此，假设滑动土体不可压缩，内能耗散仅发生在滑动面上，那么土体沿三维滑动面(图1)产生的摩擦耗能可表示为

(14)

图2中宽度为b的插入体滑动面产生的摩擦耗能可计算为

(15)

在土体非均质性条件下，黏聚力是沿深度变化的.因此，根据图3中的几何关系可将坡面黏聚力表示为

(16)

式中：H和hf的表达式为

H=rhsinθh-r0sinθ0

(17)

hf=rfsinθ-r0sinθ0

(18)

式中:rf为坡面到旋转中心的距离.图3中对应滑裂面上的黏聚力可表示为

(19)

式中：hb的表达式为

hb=rsinθ-r0sinθ0

(20)

根据三维边坡破坏模式的几何关系，可得θ0至θB段以及θB至θh段的黏聚力分别为

(21)

(22)

将式(21)和式(22)代入式(14)，并将式(13)代入式(15)，即可计算出考虑土体非均质性的内能耗散.

基于上限分析原理，三维土质边坡处于临界状态时重力所做的功与内能耗散相等，即

W=D3D+DP

(23)

将式(12)、式(14)和式(15)代入式(23)可得

(24)

式(24)的最小值可被定义为三维土质边坡的稳定性系数Ns[10,15]，即

(25)

当土体的内摩擦角φ、三维土质边坡坡角β、宽高比B/H给定时，即可编制相应的迭代程序计算确定三维土质边坡的稳定性系数.值得指出的是三维土质边坡的宽高比越小，对应边坡的三维效应就越明显.

2 验证

为了验证本文解答的准确性，将得出的稳定性系数结果与文献[15]不考虑土体体积压缩耗能即内摩擦角φ=0°的稳定性系数结果进行对比.与文献[15]相同，本文采用迭代计算的方法搜寻式(25)的最小值，但有区别的是本文首先假定一个较大的增量步，找出最小值可能存在的区间，然后缩小增量步从而在上述确定的区间搜寻最终的最小值，这样本文算法比文献[15]算法效率相对更高.

由于本文算法不同于文献[15]算法，因此计算得出的稳定性系数可能与文献[15]的结果存在差异.从图4的对比结果可以看出，当宽高比较小时(B/H<2)，本文计算结果与文献[15]计算结果存在些许误差，但最大误差仅为5%，且这个误差仅在B/H=1、β=45°时存在.另外，当宽高比较大时(B/H>2)，本文计算结果与文献[15]的计算结果基本重合.因此，根据计算结果的比较，本文计算得出的稳定性系数是合理的，解答具有准确性.

图4 本文与文献[15]的稳定性系数对比

Fig.4Comparisonbetweenstabilityfactorsofpresentstudyandtheliterature[15]

3 非均质性的影响

3.1 不考虑体积压缩耗能对稳定性系数的影响

如前文所述，本文因考虑土体非均质性对三维土质边坡稳定性影响而无法考虑土体体积压缩产生的能量耗散，所以需要先分析忽略此部分耗能对稳定性系数的影响.图5和图6给出了本文只考虑摩擦耗能计算出的稳定性系数与文献[15]不仅考虑摩擦耗能且考虑土体体积压缩耗能的稳定性系数计算结果的对比.由图5可以看出，当土体内摩擦角φ=30°和三维土质边坡坡角β=45°时，本文不考虑土体体积压缩耗能的稳定性系数与文献[15]考虑土体体积压缩耗能稳定性系数存在一定误差.当宽高比较小时(B/H<2)，两者误差较大；当宽高比较大时(B/H>2)，两者的计算结果几乎重合.当三维边坡坡角β=60°、75°和90°时，本文结果与文献[15]结果几乎重合.由图6可以看出，当土体内摩擦角φ=15°时，本文不考虑土体体积压缩耗能的稳定性系数和文献[15]考虑土体体积压缩耗能的稳定性系数存在一定误差，但这些误差均较小，且在合理范围之内.

图5土体内摩擦角为30°时本文与文献[15]的稳定性系数对比

Fig.5Comparisonbetweenstabilityfactorsofpresentstudyandtheliteraturewhenφ=30°

图6土体内摩擦角为15°时本文与文献[15]的稳定性系数对比

Fig.6Comparisonbetweenstabilityfactorsofpresentstudyandtheliteraturewhenφ=15°

因此，可以总结得出当土体内摩擦角较大而边坡坡角较小时，如果三维土质边坡的宽高比也较小，则需考虑土体体积压缩产生的能量耗散；如果三维土质边坡的宽高比较大，则土体体积压缩产生的能量耗散可以忽略.此外，当土体内摩擦角和边坡坡角均较大或者仅土体内摩擦角较小时，土体体积压缩产生的能量耗散对三维土坡稳定性系数的影响也可忽略.

3.2 参数分析

图7为土体非均质性对不同坡角的三维土质边坡稳定性影响结果对比.从图中可以发现，随着土体非均质性的增强，即非均质系数减小，不同坡角的三维土质边坡的稳定性系数都呈现减小趋势，且坡角越小，其稳定性系数减小的趋势越明显，说明土体非均质性对坡角较小的三维土质边坡稳定性影响越强.图8为土体非均质性对不同内摩擦角的三维土质边坡稳定性影响结果对比.从图中同样可以发现，随着土体非均质性的增强，三维土质边坡的稳定性系数都呈现减小趋势，且内摩擦角较大的三维土质边坡稳定性减弱越明显.因此，对坡角较小或内摩擦角较大的三维土质边坡，土体非均质性对其稳定性的影响较显著.

图9为土体非均质性对不同宽高比的三维土质边坡稳定性影响结果对比.如前文所述，宽高比反映了土质边坡的三维效应，即宽高比越小，边坡三维效应越强.从图中可以发现，土体非均质性对三维效应越强的土质边坡稳定性影响越明显，而对三维效应较弱的边坡稳定性影响较小.同时，从图中可以看出，在不考虑土体非均质性条件下，三维效应强的土质边坡其稳定性系数要大于三维效应较弱的边坡，但在考虑土体非均质性条件下，特别当土体具有很强的非均质性时，三维效应强的边坡其稳定性系数可能会小于三维效应较弱的边坡.

图7 非均质性对不同坡角的三维边坡稳定性系数影响

Fig.7Influenceofnonhomogeneityonstabilityfactorsofthree-dimensionalslopeswithdifferentinclinationangles

图8 非均质性对不同内摩擦角的三维边坡稳定性系数影响

Fig.8Influenceofnonhomogeneityonstabilityfactorofthree-dimensionalslopeswithdifferentinternalfrictionangles

图9 非均质性对不同宽高比的三维边坡稳定性系数影响

Fig.9Influenceofnonhomogeneityonstabilityfactorofthree-dimensionalslopeswithdifferentratiosofwidthtoheight

4 结论

基于极限分析法探讨了土体非均质性对三维土质边坡稳定性的影响，分析了忽略土体体积压缩耗能对边坡稳定性的影响.主要结论如下：

(1) 当三维土质边坡内摩擦角较大而坡角和宽高比较小时，土体体积压缩产生的能量耗散需要考虑；当三维土质边坡内摩擦角和坡角均较大或仅土体内摩擦角较小时，土体体积压缩产生的能量耗散可以忽略.

(2) 土体非均质性对坡角较小或内摩擦角较大的三维土质边坡稳定性影响较大.三维土质边坡坡角越小、内摩擦角越大，土体非均质性对其稳定性的影响越强.

(3) 边坡三维效应越强，土体非均质性对其稳定性的影响也越强.当土体非均质性很强时，三维效应较强边坡的稳定性系数小于三维效应较弱边坡的稳定性系数.