边坡顶部裂缝对其稳定性的影响研究

(重庆交通大学 土木工程学院 重庆 400074)

引言

在我国基础建设领域中，边坡工程总是一个非常重要的因素，滑坡等自然灾害已经给人们造成了重大的经济损失，最为重要的为裂缝的开展，这其中又以坡顶裂缝最为严重。在边坡工程施工的过程中，也会经常看到有一些裂缝的产生。

一、边坡稳定性分析方法

(一)无粘性土坡的稳定性分析

假定边坡的土体是黏性的，并且土体是均质的，边坡土体的内摩擦角为φ，边坡的坡角为α，在边坡内部取一单元体进行研究。设单元体质量为W，与滑动面垂直的法向力为N，单元的下滑力为T，则：

T=Wsinα，

Tf=Ntanφ=Wcosαtanφ

所以，无粘性土坡的安全系数K则可定义成抗滑力与滑动力之比，即

K=Tf/T=Wcosαtgφ/Wsinα=tgφ/tgα

通过研究发现，当我们知道安全系数K在数值上等于1.0的时候，内摩擦角φ在数值上与坡角α在数值上相同时，边坡此时则处于极限平衡状态，即刚好不会向下滑动，此时的坡角称作自然休止角[3]。

(二)粘性土坡的稳定性分析

由于粘性土本身的性质，粘性土土颗粒之间与生俱来就存在粘结应力，所以边坡一旦产生滑动，则整个边坡土体则一起向下滑动。因此，在考虑边坡整体稳定性的时候需要考虑边坡土体之间的粘结应力进行计算。关于粘土边坡，Fellenius和Taylor对边坡稳定性的分析提出了两种分析方法，分别是圆弧滑动整体分析法和条分法进行分析法。土坡圆弧滑动整体分析法适用于φ=0的情况下，即内摩擦角为零，所以土坡圆弧滑动整体分析法适用于简单均质性边坡，条分法进行分析适用于φ≠0的非均质粘性土坡或均质粘性土坡[4]。

二、裂缝对土坡稳定性的影响

基于土体与生俱来就存在一定的收缩及张力作用，所以即使天然土体的边坡的坡顶附近一定会存在一些或多或少的裂缝，边坡顶部裂缝开展的深度h0可以根据在土体墙顶产生的抗拉力区域高度来计算即：

γ为土的重度；

当我们采用上面的方法来进行边坡稳定性分析研究时，由于边坡的滑动力矩是恒定不变的，但当我们研究的边坡滑动面的弧长会不断减少，所以边坡的安全系数也随之相应的减小。

三、裂缝的数值模拟

(1)将含有裂缝的土体表层和裂缝一起看做一种特殊的土，然后再考虑裂缝的随机分布。采用初始代表体积来描述，但是目前为止这种方法很难实现。

(2)将边界定义为裂缝的两侧，已达到数值模拟。这种处理方法是将裂缝的两侧作为整个边坡边界的一部分来考虑，将边界定义为裂缝的两侧，已达到数值模拟，并且去除裂缝中间空隙的部分，最后再将边界条件引入，就可以达到实现裂缝对边坡稳定性影响的研究分析。

四、算例分析

本文将采用重庆市某一级粘性土边坡作为实例，边坡参数如下：边坡高度14m、边坡底部宽度14m、边坡顶部宽度6m，边坡的其他力学参数如下：

表1 力学参数表

我们将裂缝的深度作为本次研究的单一变量，采用单一变量法来进行研究分析，我们在边坡土体最容易开裂的位置处分别设置长度为1.6m，1.7m，1.8m采用折减系数法进行建模分析，从结果中，我们显而易见，当我们的裂缝长度L=1.6m时，边坡此时得到的稳定系数为1.24，当裂缝长度为L=1.7m时，此时得到的边坡的稳定系数为1.04，这时候边坡需要进行加固防护处理，当裂缝长度为L=1.6m时，此时得到的边坡的稳定系数已经小于1，此时边坡已经处于失稳状态。通过三组数据分析，在边坡土体最容易开裂的位置处，只要裂缝出现深度大于1.7m时，边坡就必须进行加固防护处理，否则将可能产生失稳破坏，造成人为伤亡。

五、结语

本文通过对无裂缝粘性土边坡进行数值模拟和对有裂缝粘性土边坡进行数值模拟，并且在计算方法是运用了强度折减法和静力法这两种方法，最后得到的结论是边坡顶部裂缝对边坡的稳定性影响较大，并且会减小边坡土体在工程运用中的稳定系数，甚至当裂缝深度达到很高的情况下，边坡土体极有可能因为裂缝的原因而失稳，最终导致边坡破坏，危及人们的财产安全。