考虑基质吸力影响的非饱和均质边坡稳定性分析

员康锋,　赵建斌

(山西省交通科学研究院 黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室,山西 太原　030006)



考虑基质吸力影响的非饱和均质边坡稳定性分析

员康锋,赵建斌

(山西省交通科学研究院 黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室,山西 太原030006)

摘要:控制吸力条件下非饱和土的强度特性主要基于膨胀土,文章针对侯禹高速公路某边坡黄土进行控制吸力固结不排水三轴剪切试验,主要研究了有效应力强度参数黏聚力c和内摩擦角φ随基质吸力的变化规律,并基于强度折减法对一定基质吸力影响下的该边坡进行稳定性分析。结果表明:黏聚力c随基质吸力的增大变化明显,而内摩擦角φ随基质吸力的增大基本不变;随基质吸力的增大安全系数增大;在低吸力阶段,增大幅度较大,随基质吸力的增大,增大幅度变小。

关键词:边坡;控制吸力;固结不排水;强度折减法;安全系数

非饱和土边坡的稳定性研究一直是岩土工程界的一个重要课题,许多学者对此进行了大量的研究,并取得了不少研究成果。文献[1]认为在其他条件相同的情况下,考虑非饱和土的基质吸力,边坡的安全系数会增大。基于非饱和土力学理论的边坡稳定性分析是对传统稳定性分析方法一个很重要的发展,然而,针对非饱和黄土边坡安全系数与基质吸力之间的量化研究还不够深入,定性的成果多而定量的并不多[2-9]。非饱和土在我国分布相当广泛,开展非饱和土边坡的稳定性研究具有十分重要的现实意义。

鉴于此,本文根据侯禹(侯马至禹门口)高速公路某边坡非饱和土的试验结果,在非饱和土理论的基础上,基于强度折减法研究基质吸力对该边坡稳定的影响规律,为边坡的稳定和加固提供科学依据,具有一定的理论和现实意义。

1非饱和土抗剪强度试验

目前已被人们广泛应用的非饱和土抗剪强度有效应力的公式主要有以下2种。

Bishop强度公式为:

(1)

Fredlund双变量强度公式为:

(2)

(1)式、(2)式表明，非饱和土抗剪强度不仅与c′、φ′及法向应力有关,还与基质吸力有关,吸力所贡献的这部分强度,即吸附强度[10]，记为τus,则(1)式、(2)式可重写为:

(3)

由上述可知,吸附强度可以看做是非饱和土总凝聚力的一部分,即

(4)

1.1　试验用土

选取晋南地区侯禹高速公路某边坡,在边坡中部取土,取土深度为1 m,土呈褐黄色,粉质黏土,土质均匀,土样的天然含水量为9.6%。土样在现场削成边长为40～50 cm的长方体,标明上下方向,并用塑料纸和胶带包好,运回实验室(运输过程中尽量不扰动土样)。

1.2　试验仪器

本文试验仪器采用江苏某实验仪器厂生产的应力应变控制非饱和土三轴仪,通过固定横梁的反作用,将荷载施加于试样,通过施加气压控制吸力。

1.3　试验方法

利用非饱和土三轴仪进行控制吸力固结不排水三轴试验,共制备20个原状三轴试样,含水量为天然含水量,围压分别为50、100、200、400 kPa,控制吸力分别为50、100、150、200、250 kPa,在剪切过程中排水阀一直关闭,通过不断调整所加气压,使得作用在试样上的吸力等于设定吸力值,直到试样剪切破坏,剪切以从压力室外看到土样有明显裂纹或轴向变形百分表读数达到12 mm为关机标准。

2试验结果与分析

基于公式τf=ctotal+(σn-ua)tanφ′的非饱和土有效应力抗剪强度包线如图1所示。

图1　不同控制吸力下的有效应力抗剪强度包线

由图1可看出,黏聚力c随吸力的增大变化明显,而内摩擦角φ随吸力的增大基本不变。

3实例分析

3.1　工程概况

侯禹高速公路是国道主干线二连浩特至河口在山西的重要出境路段,其建设对于完善路网布局,促进区域经济发展具有重要意义。该路线全长65.56 km,穿越晋西黄土高原区,地形起伏大,冲沟发育,深挖路堑形成的高边坡多,边坡高度普遍在20 m以上,研究区地形、地质条件、周边环境复杂,边坡高陡。因此,边坡的变形破坏机理分析及稳定性评价是侯禹高速公路勘察设计需要解决的重要问题。

3.2　计算模型的建立

以侯禹高速公路某边坡作为研究对象,该边坡高为30 m,坡度为45°,坡身纵向长度为237 m。由于该边坡较为均质,坡身与地基土物理力学性质基本相同,其基本物理力学参数如下：重度为19 kN/m3，弹性模量为46.5 MPa，泊松比为0.3，黏聚力为21 kPa，摩擦角为32.96°。

为清除模型尺寸对计算结果的影响,模型左边界距坡脚60 m,右边界距坡顶80 m,底边界距坡脚60 m。模型左右边界约束水平位移,底边界约束水平和竖向位移。计算模型中边坡土体采用Mohr-Coulomb破坏准则,计算时采用关联流动法则,基于“二分法”对边坡进行稳定性分析。模型及其网格划分如图2所示。

图2　数值模型网格划分

3.3　临界滑动面的确定及结果分析

对于土体基质吸力为50 kPa的边坡,当折减系数小于1.60时,边坡水平向最大位移值较小,且随着折减系数的增大,水平向最大位移增幅不大,边坡处于稳定状态。当折减系数从1.60增大至1.61时,边坡水平向最大位移陡增,此时,边坡已经发生失稳破坏。由此可以看出,当折减系数为1.60时,边坡已达到临界失稳状态,即该边坡的安全系数为1.60。

当边坡失稳时,将产生明显的局部剪切变形并形成贯通区,贯通区内外土体变形相差显著,失稳坡体将沿该贯通区滑动面滑出,失稳时边坡塑性应变云图及水平应变云图分布如图3所示。

基于上述数值模型,运用强度折减法对土体基质吸力分别为100、150、200、250 kPa的边坡进行稳定性分析,计算相应基质吸力下边坡的安全系数,探讨边坡稳定性与基质吸力之间的规律,不同基质吸力下边坡的安全系数如图4所示。

由图4可以看出,随基质吸力的增大,安全系数增大,在低吸力阶段,增大幅度较大,随基质吸力的增大,增大幅度变小。

图3　塑性应变和水平应变云图

图4　安全系数随基质吸力的变化

通过对数函数拟合,该曲线拟合情况较好,安全系数随基质吸力的变化规律表述为:

Fs=0.255 4ln(ua-uw)+0.612 5

(5)

将基质吸力引入到有限元计算中，建立非饱和黄土边坡安全系数预测模型,(5)式的确定方法比较简单。在分析实际工程问题时,只需用在工程中容易测得的基质吸力就可以预测边坡的安全系数,对工程实际有一定的参考意义。

4结论

本文采用非饱和三轴仪进行控制吸力固结不排水三轴试验,根据试验数据整理有效应力强度参数,基于强度折减法分析了不同基质吸力下边坡的安全系数,主要结论如下:

(1) 黏聚力c随基质吸力的增大变化明显,而内摩擦角φ随基质吸力增大基本不变。

(2) 随基质吸力的增大,安全系数增大,在低吸力阶段,增大幅度较大,随基质吸力的增大,增大幅度变小。

(3) 建立非饱和黄土边坡安全系数预测模型,公式的确定方法比较简单,对工程实际有一定的参考意义。

[参考文献]

[1]刘翠然,王丽,贾晓敏.基质吸力对黄河大堤非饱和土边坡稳定的影响[J].路基工程,2011 (1):100-101.

[2]黄润秋,戚国庆.非饱和渗流基质吸力对边坡稳定性的影响[J].工程地质学报,2002,10(4):343-348.

[3]刘金龙,栾茂田,赵少飞,等.关于强度折减有限元方法中边坡失稳判据的讨论[J].岩土力学,2005,26(8):1345-1348.

[4]李旭华.黄土高边坡的合理坡型研究[J].山西交通科技,2012(1):25-26.

[5]景卫华,王克东,朱俊高,等.变形参数对土坡稳定安全系数的影响[J].水利水电科技进展，2010,30(2):17-20.

[6]胡海英,王钊.含水量对压实粘土的变形及强度性能的影响[J].公路,2007(2):1-6.

[7]冯望,李顺群,张彦.不同密实度土的微结构与其土水特性间的关系[J].辽宁工程技术大学学报:自然科学版,2013,32(5):611-614.

[8]胡娜,谭晓慧,唐飞跃,等.膨胀土强度指标的试验研究及变异性分析[J].合肥工业大学学报:自然科学版, 2013,36(3):332-336.

[9]李健,徐鹏,秦帅,等.膨胀土与改良土胀缩性等级评价[J].合肥工业大学学报:自然科学版, 2013,36(8):969-973.

[10]卢肇钧.非饱和土抗剪强度的探索研究[J].中国铁道科学,1999,20(2):10-25.

(责任编辑闫杏丽)

詹炳根(1964-),男,安徽庐江人,博士,合肥工业大学教授,硕士生导师.

Effect of matric suction on the stability of unsaturated homogeneous slope

YUAN Kang-feng,ZHAO Jian-bin

(Key Laboratory of Highway Construction and Maintenance Technology in Loess Region of Ministry of Transport, Shanxi Transportation Research Institute, Taiyuan 030006, China)

Abstract:Strength properties of unsaturated soils under the controlled suction used to be studied mainly with respect to the expansion soils. In this paper, the consolidated undrained triaxial tests of controlled suction on the loess from a selected slope of Houma-Yumenkou Highway were conducted. The changing law of the effective stress strength indexes including cohesion c and internal friction angle φ with the matric suction was analyzed. And the stability of the selected slope under certain suction was studied by shear strength reduction method. The results show that the change of cohesion c is obvious with the increase of matric suction, while the change of internal friction angle φ is not obvious with the increase of matric suction. The safety factor of the selected slope increases with the increase of matric suction. In the low suction phase, the increase amplitude of safety factor is larger, then becomes small with the increase of matric suction.

Key words:slope; controlled suction; consolidated undrainage; shear strength reduction method; safe factor

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2015.04.023

作者简介：商文龙(1988-),男,山东禹城人,合肥工业大学硕士生;

收稿日期：2014-02-28；修回日期：2014-04-15

中图分类号:TU411.7

文献标识码：A

文章编号：1003-5060(2015)04-0531-04