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1、摘 要本文针对受降雨积水影响显著的粘性土坡，运用土壤水分运动的理论和二维非稳态渗流有限元模型，模拟雨水入渗引起的暂态渗流场，将计算所得到的暂态孔隙水压力分布用于考虑了基质吸力影响的土坡稳定安全系数的计算当中，建立了考虑粘性土坡从雨水入渗到出现滑坡危险全过程的计算模型。通过实例分析，研究了降雨强度、降雨持时以及积水土壤渗透性等重要参数对非饱和土坡渗流场分布、发展和对土坡稳定性的影响。本文通过室内模型试验模拟土坡在降雨、坡底积水情况下用读数显微镜测得土坡各个测点的侧向位移、竖向位移，通过反分析方法，编程处理所有数据，从而得出土坡在降雨、坡底积水情况下的位移场、应力场以及应变场. 从宏观和微观结构分
2、析土坡在降雨条件下的粘性土坡的位移场、应力场、应变场。 经过实验结果的数据比较得出客观可靠的论证说明。关键词：土坡稳定；降雨入渗；积水；粘性土：渗流ABSTRACTThis article in view of the rain water by significant influence on slope of viscous, using the theory of soil water movement and 2-d unsteady seepage finite element simulation model, the rain caused infiltration of the
3、 transient seepage field, will get the transient calculations of the pore water pressure distribution used to consider the impact of the matrix suction soil slope safety factor of safety of calculation, established with viscous soil from rain infiltration to appear the calculation model of the whole
4、 process landslide danger. Through the case analysis, the rainfall intensity, rainfall and water on soil permeability of unsaturated soil slope important parameters seepage field distribution, development and the effect on the stability of slope.This article through the indoor model experimental sim
5、ulation in rainfall, bottom water soil slope under the microscope with reading each point of lateral displacement of the slope, vertical displacement, through the back analysis method, programming to handle all the data, and concluded that the soil of rainfall, bottom water under the condition of di
6、splacement field, stress field and strain field. From the macro and micro structure analysis in rainfall condition of soil under viscous soil for the displacement field and stress field, strain field. After the experimental results of data is concluded the objective and reliable argumentation.Keywor
7、ds: soil slope safety:； Rainfall infiltration:；water:； the cohesive soil seepage目 录第1章 绪论11.1 本课题的现状和发展趋势11.2 研究本课题的目的和意义41.3 本课题研究的内容6第2章 土坡稳定性研究方法92.1 软粘土的抗剪强度指标对土坡稳定性的影响92.1.1 内摩擦角的影响92.1.2 粘聚力对土坡稳定的影响112.1.3 小结122.2 软粘土土坡稳定计算模式122.2.1 极限平衡法122.2.2 塑性极限分析法及模糊极值理论172.2.3 有限元法192.3 土坡稳定性分析各种方法理论的比较
8、与讨论202.3.1 典型条分法202.3.2 有限单元法22第3章 渗流对于边坡稳定影响253.1 降雨入渗过程253.2 降雨入渗对边坡作用机理263.3 渗流控制方程273.3.1 土壤水运动方程273.3.2 非饱和土壤水连续基本方程283.3.3 饱和一非饱和渗流基本微分方程及其GaIerkin解28第4章 土坡室内模型试验314.1 模型试验314.1.1 模拟降雨时土坡模型试验314.1.2 模拟土坡坡前积水模型试验314.2 试验结果324.3 试验结果分析404.3.1 土坡在降雨与坡前积水各个断面铅垂方向位移图比较分析404.3.2 土坡在坡前积水时各个断面竖向位移分析40
9、4.3.3 土坡在降雨条件下的竖向位移等值线图分析404.3.4 坡底积水条件下的土坡竖向位移等值线分析414.3.5土坡在降雨条件下的最大剪应力max和最大剪应变max等值线图分析414.3.6降雨时17、24、34、35点的蠕变曲线分析414.3.7 坡底积水时17、24、34、35点的蠕变曲线分析41第5章 本课题的特色与创新43第6章 结 论45参考文献47致 谢49第1章 绪论1.1 本课题的现状和发展趋势本课题的研究前提条件是积水条件下，而引起积水的情况有很多种，现仅以降雨形成积水的情况进行展开讨论。根据目前国内外研究情况来看, 对于边坡降雨入渗问题研究主要有两个途径: 一是利用野
10、外观测与试验研究分析, 借助数学统计分析方法寻求降雨与边坡稳定性之间的相关规律, 简称数学统计方法; 二是研究降雨入渗引起边坡失稳的物理过程并建立定量的模型进行模拟分析, 从而利用这种模拟分析进行参数研究,简称理论模型数值模拟方法。(1)、数学统计方法国内外许多研究者采用第一种研究途径来寻求降雨与边坡变形、失稳的相关关系, 为滑坡的预测和预防提供科学依据, 例如:19501973年香港地区滑坡与降雨资料, 率先提出了此地区降雨与滑坡关系图, 并指出滑坡发生数量与24 hd降雨量和前期15日累计降雨量有关。当24hd降雨量100mm和前期15日降雨量350mm 时, 诱发至少50处滑坡, 形成灾
11、难性的滑坡事件; 当24 hd日降雨量100 mm和前期15日降雨量200 mm 时, 诱发10 50处滑坡, 形成严重的滑坡灾害事件。B rand等在详细分析了19631983年的滑坡数量与1 30 d的累积降雨关系之后, 认为香港地区的日均滑坡数量和滑坡伤亡人数与前期降雨量之间基本无关系可循,但与小时降雨量关系密切。认为小时降雨量75mm 为灾难性滑坡的临界降雨量, 同时24 hd降雨量也可作为降雨型滑坡的警戒指标, 当24 hd降雨量小于100mm时, 滑坡发生的可能性很小; 当24 hd降雨量大于200mm时, 严重的滑坡灾害肯定1。根据香港地区1 h峰值降雨量与相应的4 h 降雨量所
12、建立的出现严重滑坡的分区图, 分区图可作为预测和预防滑坡的依据。根据旧金山湾地区历史上群发性滑坡、泥石流事件与降雨量的关系, 指出该地区年均雨量大于660mm以上区域, 自然斜坡上泥石流启动的临界降雨强度与降雨持续时间成指数关系。曲焰根据武都古滑坡的监测资料也得出位移量与降雨量之间具有数学指数相关关系2。林卫烈等通过对福建某地一风化壳浅层滑坡为期3年的观测, 运用二元回归法建立指数函数预测模型3。谢守益等对长江三峡库区典型滑坡降雨诱发概率进行分析, 发现降雨是诱发滑坡发生或复活的主要因素, 并得到几个典型滑坡降雨诱发的阀值, 并利用阀值分析了典型滑坡降雨诱发的概率。林孝松根据重庆地区地质、地貌
13、特点的分析, 得到降雨强度大于等于I00mm /d稳定性差、处于临界稳定状态的斜坡地段开始变形, 局部破坏、失稳; 降雨强度大于等于150 mm /d稳定性较差的斜坡地段普遍出现变形、破坏并发生崩塌、滑坡和泥石流等灾害4。陈正洪等从几十个典型滑坡事例出发, 分析了我国湖北省降雨型滑坡泥石流的时空分布特征和与之密切相关的降雨气候条件的时空分布规律, 得到日降雨量大于50 mm (暴雨) 天数为最紧密因子。谢剑明等根据浙江省降雨的特点, 将降雨分为台风降雨和非台风降雨, 采用统计方法研究了区域性滑坡灾害与台风区和非台风区降雨量及降雨强度的相关性, 通过相关性分析确定了有效降雨量模型。得到了浙江省区
14、域性滑坡发生的临界降雨量和降雨强度阀值及其滑坡发生的滞后时间, 并将滑坡灾害的空间易发性与降雨量和降雨强度相结合确定了滑坡灾害的空间预警区划指标和等级。此外, 胡明鉴等以蒋家沟流域滑坡堆积坡地进行降雨激发滑坡实验, 试验反映了降雨前期雨量, 临界雨量和滑坡发生后雨量的不同作用, 三者是相互依赖, 相互影响的5。日本Jagannath Jos hi等经过对日本福冈县阿波罗山国有林地降雨引起的31 处滑坡的统计分析表明, 42%的滑坡发生在凹坡, 32% 发生在直坡, 26%发生在凸坡, 径流流经地表裂隙两次以上的地点, 引发滑坡危险性更大, 发生频率达45.2%5。通过上述途径是目前降雨型滑坡预
15、报中最常用的研究方法, 这种方法最大优点是仅仅依赖于历史数据或试验数据, 不要考虑降雨在岩土体中的作用过程和滑坡自身的演变过程。归纳出降雨与边坡稳定性的相关关系可作为本地区或本边坡的中短期滑坡预测和预防, 由于各个滑坡体地质结构、地层岩性、地下水状况等具体情形不同, 所以不能外延至其他地区或其他滑坡的分析, 具有一定的局限性。(2)、理论模型数值模拟方法国内外也有许多研究者致力于理论模型数值模拟研究。降雨型滑坡形成机理的本质在于雨水入渗边坡后破坏了边坡的应力平衡体系。因而, 从理论上揭示雨水入渗后边坡应力的变化过程、雨水在边坡中的渗透特性和渗透过程以及暂态附加水荷载问题等是理论模型数值模拟研究
16、的关键。Lumb在研究了香港地区降雨和滑坡的关系时,率先提出了一种简化的一维垂直入渗模型。该模型计算考虑了地质条件和降雨特性对边坡稳定性的影响,比如土的入渗能力、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。研究认为香港地区边坡的稳定性受岩土的入渗能力控制。但模型中假定导水率K 及扩散度D均为常量, 这些假定与实际情况存在差距。Fredlund等反复强调负孔隙水压力对边坡稳定性的影响, 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, 并假定孔隙空气压力不变, 用Ga lerk in有限元法模拟稳态和瞬态渗流场, 通过渗流
17、分析得出暴雨开始后不同时刻的孔隙水压力分布, 并重新推导边坡稳定分析中的安全因数计算公式, 从而分析边坡在不同时刻的稳定性。分析结果表明负孔隙水压力在抗剪强度发挥中起主要作用6-7。Sammon和Tsnboyanm a也用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8。渗流分析采用的控制方程为R ichard 方程, 稳定性分析采用简化Bishop法。模型中假定降雨强度参数保持不变, 而边坡长度、土层深度、横截面形状和土的性质等参数作为变量。分析表明: 对边坡稳定性不利的参数取值情况是较低的导水率, 较长的边坡,较浅的土层深度和凹形的边坡表面。A lonso等进行了
18、边坡二维渗流和极限平衡法的联合分析, 渗流分析中采用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。研究结果表明: 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低9。Shimada等用G alerk in 有限元法模拟二维渗流,采用刚体弹簧模型进行边坡稳定性数值分析。考虑的影响因素包括降雨强度和岩土的类型。计算结果表明: 较高的降
19、雨强度可以显著降低模型边坡的安全因数; 渗透性函数对模型边坡安全因数的降低只有较小影响; 在岩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边坡安全因数的大幅度降低。Sun等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。用一个将吸力、饱和度和孔隙组比联系在一起的状态方程作为附加方程, G alerkin有限元法用于离散控制方程, 有限差分公式用于离散时域, 并将总水头、空气压力及饱和度视为独立变量。分析结果表明, 由于空气压力的影响, 使朝向边坡深部的渗流变慢, 而边坡浅层将迅速饱和。雨水入渗造成边坡浅部从坡顶至屯坡脚方向的渗流, 并很易在坡脚产生破坏
20、。Ng 等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二流和边坡稳定性的影响。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。陈守义通过数值计算方法求解任意给定的入渗和蒸发边界条件下边坡土体的瞬态含水率分布及与其相对应的瞬态抗剪强度参数分布。吴宏伟等用有限元法模拟边坡上雨水入渗引起的暂态渗流场, 将计算得到的暂态孔隙水压力分布用于边坡的极限平衡分析。陈善雄等针对香港地区一种典型非饱和土斜坡, 用有限元法模拟雨水入渗引起的暂态渗流场, 然后将计
21、算得到的暂态孔隙水压力分布用于斜坡的极限平衡分析。计算中采用延伸的摩尔- 库伦破坏准则以便考虑基质吸力对抗剪强度的贡献, 研究了降雨特征、水文地质条件及坡面防渗处理等因素对暂态渗流场和斜坡安全因数的影响。数值模拟结果表明: 降雨强度、降雨历时和雨型对暂态渗流场及斜坡稳定性有明显的影响; 土体的渗透系数, 尤其是渗透系数各向异性的影响特别显著; 斜坡中相对隔水层的存在以及斜坡防渗护面的效果等因素的影响均不容忽视。张有天等根据降雨入渗分析所得的岩坡饱和非饱和渗流场来确定暂态附加水荷载, 并用裂隙网络模型对一岩石边坡工程进行了降雨入渗下的非恒定- 饱和非饱和渗流场分析, 根据渗流场的计算结果, 对降
22、雨入渗所产生的暂态孔隙水压力分布进行了探讨。姚海林等分析了考虑裂隙及雨水入渗影响的膨胀边坡稳定性情况, 表明裂隙的存在对边坡中孔隙水压力和体积含水量分布有较大影响, 膨胀土渗透性越低越应注意裂隙的作用。黄润秋等根据饱和非饱和渗流场的计算结果对考虑降雨入渗的露天矿边坡进行稳定性分析, 结果表明边坡稳定安全系数随降雨入渗的进行将逐渐减小。朱文彬等以非饱和土质边坡为对象, 利用土水特征曲线确定不同含水率时的土体抗剪强度参数, 进而利用极限平衡方法来完成考虑降雨入渗的边坡稳定性计算。此外, 吴俊杰等揭示了基质吸力对边坡稳定所起的重要作用。沈珠江等建议的非饱和土简化固结理论可以用于模拟膨胀土渠道边坡降雨
23、入渗过程,并能全面反映边坡在入渗过程中吸力丧失、有效应力降低和土体膨胀回弹及水平变位的全过程。上述方法最大优点是或多或少综合考虑了边坡各种岩土的类型、土的入渗能力、土的初始饱和度、土层深度、水文地质条件、边坡长度、降雨持时、降雨强度、暴雨前降雨量、间歇性降雨以及坡面防渗情况, 但是它这些参数的准确获取值得深入研究。降雨引起边坡失稳是一个非常前沿的课题, 它的理论涉及到工程地质学、水文地质学、地下水动力学、环境地质学、岩土工程学、地球物理化学、地貌学、统计分析学、数值计算、计算机技术等等多个学科。这个课题还刚刚起步, 需要研究的东西还非常多。1.2 研究本课题的目的和意义我国幅员辽阔，地质构造十
24、分复杂，是一个多山、多高原的国家。随着经济建设的迅速发展，在山区工农业活动中不可避免的遇到了大量自然滑坡灾害，也因为不合理的人为活动引发了大量的人为滑坡灾害，这些都给人民的生命和财产带来极大的损失。图1-1 土坡滑坡示例图诱发边坡失稳的因素有很多，主要是降雨、地震、人类工程活动等。边坡中的渗透水压力和渗流场分布是影响边坡稳定和变形的重要因素之一，而降雨更是导致边坡失稳破坏的常遇诱导因素。仅甘肃境内，在史料所记载滑坡灾害中降水引起的滑坡占403，例如1984年雨季降水量较高，天水、武都两地区发生了大量滑坡。仅危害村庄的大小滑坡灾害有近2000处，迫使近千户居民搬迁，受灾人口达20万。1981年雨
25、季，在植被良好的徽县、两当等地区也发生了数千处小型浅层滑坡。区内著名的天水锻压机床厂滑坡、椒树湾滑坡、泰山庙滑坡、舟曲县南峪滑坡、武都红土坡滑坡、清水柏树滑坡、兰州大洪沟滑坡、宝天铁路段葡萄园滑坡、东乡红庄滑坡、平凉杨庄滑坡、积石山魏家阴山滑坡等都是由降雨诱发而成的，可见降雨对滑坡影响之大。在全国，大量的滑坡事例也表明，滑坡大都在雨季发生。例如1988年，龙羊峡水电站底孔放水，水流消能形成雨雾，使下游右岸虎山坡发生大滑坡，险些阻塞河道。雨雾水落在山坡，类似长时间降雨，使坡体趋于饱和，孔隙压力加大，岩体抗剪强度减小，使原来稳定的边坡失稳。1991年雨季，汉江上游发生河岸塌滑，阻塞河道，并造成生命
26、财产损失。1992年雨季，云南昭通地区发生大滑坡，掩埋了一个树庄。五强溪水电站施工期船闸边坡持续蠕滑，雨季变形明显加剧，经过采取一系列措施，包括放缓设计坡比，才防止滑坡事故。1995年8月，岷江上游左岸一水泥场被滑坡埋没。铁路公路沿线雨季滑坡是常见多发性灾害，防不胜防。因此，深入了解、分析和掌握降雨入渗对土坡稳定的影响是十分重要的。尽管滑坡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不充分。特别是在我国西北、中南、西南地区广泛分布的黄土、膨胀土、残积土都属于非饱和土。土中气相的存在，导致土体中基质吸力的存在。基质吸力加大了土颗粒间的压力，使土的抗剪强度增大，这对保持土坡
27、的稳定起着重要的作用。很多高陡边坡正是因此才处于暂时的稳定状态。然而在非饱和土中的基质吸力很容易受外界环境变化的影响，特别是在雨水入渗的情况下，土中基质吸力大量丧失，土坡易产生浅层滑动。表1.1甘肃境内几次滑坡发生时降水特征表日期年雨季当日降水量（mm）雨型滑坡情况降水量（mm）年平均（）降水量（mm）年平均（mm）1965.7.7466.592372.276100暴雨天水罗玉沟1978.7.1586115526.1122120暴雨天水伯阳1981.8.21782154625.614580连阴雨暴雨陇南1983.7.28952.1182445.610350.8阴雨暴雨1984.8.3738.7
28、145618.415752.7阴雨暴雨天水80处1984.8.386.920mmh武都558处1984.8.311317mmh西和220处礼县450处1991.8.1158010011350mmh天水19处2003.7.9790天水多处同渭定西以往的边坡渗流场研究通常采用稳定渗流模型，对降雨入渗补给的作用，仅考虑多年平均降雨量对应的入渗条件，且入渗边界假设在地下水面上，忽略降雨在非饱和区的运动过程。这种假设对于那些地下水位较高，非饱和带较浅的地区影响并不大；但对于地下水位较低，具有深厚非饱和区的边坡，则显得不尽合理。传统的边坡稳定分析方法也是建立在饱和土假设基础之上的，理论上忽略基质吸力对边坡
29、稳定的贡献。这样的考虑是偏于安全，同时，也是由于非饱和土的研究还不够深入造成的。近年来，随着非饱和土力学的发展，为更加合理的进行边坡稳定分析提供了新的理论基础。因此，本文考虑建立降雨入渗条件下引起的坡底积水而产生的不良影响，对雨水入渗引起的土坡安全系数下降进行定量分析，对于评估边坡的稳定性、预报滑坡灾害和边坡治理均具有重要的指导意义。粘性土坡结构颗粒之间的叠置可以是松散的，紧密的，各向异性，图是空隙性大变形物质，只要外界环境条件改变，图结构内部颗粒间联结发生变化、排列重新调整，土结构内部颗粒一直处于响应的移位、畸变，即使外界环境恒定不变，土结构内部仍然不是静态的，还只需动态的变化，发生随时间而
30、运作的蠕变。粘性土微结构动态环境能场和环境岩土工程关系密切，如天气变化无常引发恶劣气候，雨水渗入土坡、坡底积水，由于外界环境的变化使土微结构内在环境介质发生变化，土颗粒间的联结强度变弱，土的抗剪强度急剧降低，坡顶、坡面发生裂缝，土坡最初会发生稳定蠕变，逐渐演变发展为加速蠕变到不稳定蠕变，最后会表现出较大的突发性，造成土坡的滑动。在实际工程土坡沉降变形、侧向变形、土的蠕变、应力松弛、裂缝、滑动破坏、土坡的失稳都是土微结构环境能场的动态变化、演变、发展的结果。土坡结果完全是一个动态环境能场。1.3 本课题研究的内容由于坡底积水水渗入土坡，使原本多相分散结构更加各向异性，改变了土体中的应力分布并趋于
31、更加不均匀性，完全变为一个典型的动态应力应变渗流场，如用常规的方法分析土坡无法完全真实的反映实际的动态环境能量场，现通过模型试验，模拟土坡坡底积水情况。本试验的特点是测出整个土坡范围内的位移场，从而利用反分析方法，分析出土坡动态的应力场、应变场。土坡室内模型试验是研究粘性土坡微结构动态环境能场的一个理想的方法，全面了解粘性土坡在不同外部环境条件发生变化，全方位测得土坡的位移及变化规律，在试验中特意选了坡面上结点、坡角出的结点、坡底的结点，用读数显微镜进行全程跟踪观测这些点的位移，为土的微结构动态环境能场分析提供了可靠的依据。由室内模型试验模拟粘性土土坡在坡底积水条件下土坡整体结构的变化规律。模
32、型试验：（1） 模拟人工土坡坡底积水条件下的环境（2） 模拟由于雨水积聚在坡底，坡前有一定水深情况。通过模型试验结果分析：（1） 粘性土坡的蠕变分析（2） 粘性土坡的裂缝机理分析（3） 粘性土坡的变形过程分析。此外本课题主要研究的还有1）调查研究已有文献对雨水入渗所引发滑坡事件的分析，掌握降雨的强度特征、持时特征和土壤渗透系数的类别与参数范围，依此进行降雨类型和土壤渗透系数的设计或选取。2）把渗流计算所得的暂态孔隙水压力分布用于斜坡的极限平衡分析，建立能考虑雨水入渗影响下土重变化和土壤抗剪强度变化的土坡稳定性安全系数计算模型并编制相应的计算程序。3）得出结论和提出建议并指出今后努力的方向。第2
33、章 土坡稳定性研究方法在岩土工程中，软粘土土坡的稳定分析逐渐成为重要的研究课题。软粘土土坡稳定性一方面与土的强度指标的选取有关，另一方面与稳定计算方法有关。软粘土强度指标的选取十分复杂，不同测定方下具有不同的抗剪强度指标，而土坡稳定性对抗剪强度指标的变化又是非常敏感的，因此一个接近真实强度的强度指标选取，对于正确评估软粘土土坡的稳定性是菲常重要的。关于土坡稳定性分析方法，目前有极限平衡法、塑性极限分析法和有限元法。其中，极限平衡法最简单完善，在工程实际中得到广泛的应用，塑性极限分析法尚停留在理论研究层面，若应用于工程实际还需更深入的研究分析10。有限元法因为能够解决复杂条件下的土坡稳定性问题而
34、越来越受到重视，已经取得了较多的研究成果，解了多个工程问题。但可适用于软粘土土坡的计算模式方面的研究甚少，而计算模是软粘土土坡稳定性评估的重要方面，应引起重视。基于此，本章先通过一典型软粘土土坡实例就抗剪强度指标对稳定性的影响进行了分析比较，随后在比较分析土坡稳定性分析方法的基础上，对可适用于软粘土土坡稳定性分析的计算模式给予了探讨。2.1 软粘土的抗剪强度指标对土坡稳定性的影响软粘土土坡稳定性分析的可靠性，很大程度上取决于抗剪强度指标选取的准确性，土的抗剪强度指标主要有粘聚力f和内摩擦角矽。Johnson采用不同的试验方法得到的强度指标对同一土坡按简化Bishop法进行了分析，计算安全系数在
35、1119之间变化，其差别大大超过了采用不同计算方法所造成的差别11。张旭辉等通过正交试验分析方法研究了各种因素对圆弧条分法计算的土坡稳定安全系数的影响12，认力土的抗剪强度指标是影响土坡稳定的最重要参数，其参数变化对稳定安全计算结果有很大的影响。目前，土工试验的水平不能准确地确定抗剪强度指标，试验结果与原状土的强度有一定偏差。造成偏差的原因一方面是试验方法和仪器方面引起的；另一方面是在取土的过程中，难免会对原状土产生扰动破坏土体原有的结构，造成与实际抗剪强度之间的偏差。即使在土体取样过程中不考虑试验仪器、试验者人为因素的影响，但由于土的抗剪强度指标随时间是在变化中的，所得的试验结果，也并不能代
36、表在任意时刻的强度指标。再加上软粘土本身具有的灵敏度大，抗剪强度低等特点，使得室内试验测定的强度与原状土强度的差别更大，由此找到能反映真实强度的抗剪强度指标，对于正确地评估软粘土土坡的稳定性是非常重要的。2.1.1 内摩擦角的影响土的内摩擦角妒与土的粗糙程度等有关。为了更好地了解软粘土土坡的摩擦角伊与安全系数C的关系，取一具体的工程实例来进行分析。如图2-1，为天津港某一代表性土坡，土的容重y=1 72kNm3，摩擦角=167，粘聚力c=51kPa。现假定粘聚力C不变，摩擦角分别取28(此为直剪快剪试验的范围值)及140180(此为固结快剪试验的范围值)，结果见表2-l。表21不同摩擦角下的分
37、析结果瑞典法=2345670.3490.4000.4480.4980.5440.590=814151617180.6370.9200.9671.0151.0631.112简化Bishop法=2345670.3640.4210.4760.5300.5830.636=814151617180.6891.0061.0601.1141.1681.224图2-2 安全系数与内摩擦角的关系由表2一l及图2-2可以清楚看出，不周抗剪强度指标求得的安全系数的差别是较大的。即使在粘聚力不变的情况，在固结快剪试验范围下的摩擦角用瑞典法得出的安全系数在09211 12，而直剪快剪为0349,4)637(系数之所以较
38、小，是由于粘聚力的值较小的原因)，由此也足以说明了抗剪强度指标对安全系数的影响是非常大的。2.1.2 粘聚力对土坡稳定的影响粘聚力c是土抗剪强度的一个重要指标，它反映的是土颗粒之间的物理作用力。还取图2一l，假定摩擦角缈不变，粘聚力c从5-12kPa变化，来分析安全系数的变化。所用分析方法分别为瑞典法和简化Bishop法。结果见表2-2。表2-2 不同粘聚力下的分析结果方法c=5kPac=6kPac=7kPac=8kPac=9kPac=10kPac=11kPac=12kPa瑞典法1.0431.1101.1561.2131.2691.3131.3651.418简化Bishuo法1.1461.20
39、31.2591.3161.3721.4251.4771.530图2-3 安全系数与c值的关系由表2-2及图2-3可以看出，粘聚力c从5kPa-12kPa，安全系数变化范围为1.043-1.418(瑞典法)和11461530(简化Bishop法)，变化率为264和251。根据试验测定的粘聚力c，当为直剪快剪时大约为47kPa，固结快剪为812kPa，也就是说在其中一个抗剪强度指标摩擦角不变的情况下，对应于不同试验方法下测得的粘聚力c引起安全系数的变化率可达264和251。而对应于同一粘聚力不同计算方法下的安全系数，瑞典法与简化Bishop法之间的最大差别为85，远小于264，所以说明了强度指标变
40、化下的差别较不同计算方法下的差别大。2.1.3 小结通过分析摩擦角及粘聚力c对安全系数C的影响，可以看出，软粘土土坡抗剪强度指标对安全系数的影响要大于分析方法对安全系数的影响。安全系数对抗剪强度的变化较敏感，不同的抗剪强度试验可以得出不同的强度指标，而且又由于试验中存在一些不可控制的因素，再加上软粘土本身的复杂性，使得计算出的安全系数差别较大。2.2 软粘土土坡稳定计算模式2.2.1 极限平衡法极限平衡法是建立在Mohr-Coulomb强度准则基础之上的，将滑体视为刚性体，不考虑其本身的变形，除楔形破坏外，其余的破坏大多简化为平面问题。其特点是只考虑静力平衡条件和土的MolarCoulomb破
41、坏准则，通过对可能的滑动面的试算求出最小安全系数，故极限平衡法只能求得一种近似解。但是由于该方法的应用积累了丰富的经验，而精确合理的方法至今尚未成熟，所以，在工程实践中仍广泛采用极限平衡法，最为常见的极限平衡法是条分法。.基本概念极限平衡法假设土体的一部分沿着某一滑裂面滑动，在该滑裂面上土体处处达到极限平衡，即正应力和剪应力满足Mohr-Coulomb强度准则。安全系数的求解则根据Bishop等对土坡稳定安全系数f的定义：沿整个滑裂面的抗剪强度，与实际产生的剪应力之比，即： （2-1）这样定义的安全系数物理意义更加明确，使用更广泛，也为以后的各种极限平衡法提供了有利条件。该法将滑坡体分为若干土
42、条，要求对每个土条和整个滑动土体都应满足静力平衡条件，还必须满足两个合理性条件：1)土条分界面上不违反土体破坏准则，即沿着划分的土条两侧面上的剪应力不能超过在这个面上所能发挥的抗剪能力；2)一般地说，不允许土条之间出现拉力。.基本分析方法由于对相邻土条之间的内力所作假定的不同，所能满足的静力平衡条件也不相同，大体可分为：满足力平衡法、满足整体力矩平衡法、满足力和力矩的平衡法三类，它们在实际应用中适合不同场合。满足力平衡法此类方法没有明确考虑力矩平衡，仅仅满足力的平衡。我国工民建和铁道部门在核算滑坡稳定时常使用的不平衡推力传递法，简化Janbu法和美国陆军工程师团法都属于此法。任意假定侧向力的倾
43、斜程度对安全系数影响很大，因而应该特别注意侧向力的假定，谨慎地应用力的平衡法。满足整体力矩平衡法满足整体力矩平衡法是目前应用比较广泛的一类方法。包括瑞典法，简化Bishop法和对数螺旋线法等，其中以瑞典法和简化Bishop最为常用。瑞典法是条分法中最古老最简单的方法，其做了如下的假设加以简化：1)假定土坡稳定属于平面问题。2)假定滑裂面是圆弧面，弧面上的土体看作刚体，计算中不考虑土条之间的相互作用力。3)各个土条底部同时发挥到岩土材料的抗剪强度峰值。4)滑弧上的安全系数按式(22)计算： (22)式中为所求的安全系数；为抗滑力矩，土体的抗剪切强度采用摩尔一库伦定律；为滑动力矩，其物理意义是作用
44、在滑动土体上所有外荷载对圆心的力矩的迭加。瑞典法的受力分析见图24。其最后的计算公式见式(23) (2-3)式中：每一土条的粘聚力，kPa；每一土条底面的长度，m；每一土条的重量，kN；每一土条的底面与水平面的夹角，()；每一土条的内摩擦角，()。瑞典法计算中不考虑各土条间的相互作用力，严格讲，对每二土条的平衡条件及土条本身的力矩平衡是不满足的，仅能满足整个滑动土体的整体力矩平衡条件。该法必然会产生误差，一般求出的安全系数偏低100旷20。简化Bishop法较瑞典圆弧滑移法有所改进，考虑了土条之间的作用力。该法假设土条之间的作用力的合力是水平的，忽略条间的切向力，由土条的竖向平衡条件确定潜在滑
45、移面上的法向力。此方法，只是对方向作了硬性规定，整体力矩平衡和垂直力的平衡均不满足。但如果破坏面可近似地看作圆弧，则该法还是令人满意的。如图25，和，分别表示法向及切向条间力，形为土条自重，为水平作用力，、分别为土条底部的总法向力和切向力。根据每一土条垂直方向力的平衡条件有： (24)按Bishop定义的安全系数式(2-2)及Mohr-Coulomb准则，土条底部总法向力为： (2-5)其中 (2-6)再根据极限平衡时，各土条对圆心的力矩之和应为零，条间力作用相抵消，有： (2-7)将各变量式代入式(2-7)，且，最后化简后的安全系数公式为： (2-8)由于和是未知的，假定各土条间的切向条间力均略去不计，各条间力的合力是水平的，这样式(28)可简化成： (2-9)这就是简化Bishop公式。计算时，一般先假定=1，求出 (或假定=1)，再求，再用此求出新的及，如果反复迭代，直至假定和算出的非常接近为止。与瑞典法相比，简化Bishop法是在不考虑条间切向力的前提下，满足力多边形闭合条件，隐含着条间有水平力的作用。由于考虑了条块间水平力的作用，得到的安全系数较瑞典法略高。满足力和力矩平衡法此类方法满足了力和力矩的平衡法，是更普遍的方法。包括Ja
