涉水土质边坡稳定性计算与参数选用初步研究

2022-08-17刘博敬静

采矿技术 2022年4期

刘博，敬静

(1.北京中岩大地科技股份有限公司，北京 100000； 2.湖南省湘煤地质工程勘察有限公司，湖南长沙 410014)

0 引言

地下水是影响边坡稳定性的主要因素，在工程设计分析过程中，在计算模型中如何考虑地下水的影响非常重要。目前关于地下水对边坡稳定性的影响有大量的文献，吴宏伟等[1]研究了不同降雨强度、降雨历时和雨型对非饱和土坡稳定性的影响；郑颖人等[2]研究了库水位下降时坡体内的渗透力和地下水浸润线计算方法，并用极限平衡法分析了边坡的稳定性；刘才华等[3]研究了库水位上升对边坡稳定性的影响；吴火珍等[4]采用数值分析方法研究了随降雨持续引起堆积层滑坡体地下水的渗流场变化，以及最终对边坡稳定性的影响；李金瑞[5]分析了边坡稳定分析中土体抗剪强度指标的选取，针对不同工况给出了试验参数的选取方法。

目前在永久和临时边坡的设计分析过程中容易出现一种臆断，对渗透性较差的土考虑水土合算，那么在边坡稳定性分析过程中采用总应力法，对渗透性较强的土考虑水土分算，故采用有效应力法进行边坡稳定性分析。这种水土分算、合算与有效应力法、总应力法关联的做法似乎有道理，但是违背了有效应力原理。

当前计算软件往往只能设定一个水位条件，在许多设计工程中往往采用勘察阶段的稳定水位进行取值，并未区分地下水的赋存条件，这导致将水面以下土层默认为饱和状态，在采用有效应力法进行计算时所有水下条块就会考虑水压，但如果水下存在非饱和隔水层，那么这一分析方法考虑的孔压场就与实际情况存在差别，容易引起设计错误。

1 前置问题分析

1.1 地下水对土体的渗透力

土体的地下水渗透力计算方法有两种，一种是把土体和水看成整体进行分析，另一种是把土体骨架作为分析对象进行分析。渗透力是一种体积力，对于单个土条进行分析，方法一是由水力坡度乘以流体重度得到渗透力，方向与水力坡度一致，而方法二计算的是土块左右两侧的水压力和条块底部的水压力，可以证明其合力等于方法一的渗透力，并且可以推导两种分析方法得到的极限平衡法安全系数在理论上一致[6]。故两种方法考虑的渗透力是等效的。

1.2 有效应力法与总应力法的计算公式

目前边坡设计中常用软件理正岩土边坡稳定分析系统，基本上考虑了目前所有的边坡设计规范，包括建筑边坡、水利水电边坡、堤防边坡、土石坝等，该软件提供了总应力法、有效应力法选项与渗透力选项，主要通过各类极限平衡法进行边坡稳定性分析，本文以边坡分析中常用的简化Bishop法来说明该软件对于有效应力法和总应力法计算的差别。

有效应力法公式如下：

总应力法公式如下：

式中，K为基于整个滑体剩余下滑力计算的安全系数；b为单个土条的宽度，m；W为条块重力，kN，浸润线以上取天然重度，以下取饱和重度；θ为条块的重力线与通过此条块底面中点滑弧法线之间的夹角，（°）；c、φ为土的总应力抗剪强度指标；c′、φ′为土的有效应力抗剪强度指标；U为条块所受的浮力，kN；D为条块所受到的渗透力，kN，据孔隙水压力场梯度积分得出；α为条块的渗透力与水平线的夹角，（°）。

以上两个公式分析的条块对象都是水与土的混合体。当不考虑渗透力时，式（1）同《建筑边坡工程技术规范》GB50330-2013中的边坡稳定性计算公式一致，由此可以看出，总应力法与有效应力法的区别在于是否考虑条块底部的水压力U。简化Bishop法的前提假设是条块间只有水平向的力进行传递，而水平力隐含在公式，可以认为计算公式中已经综合考虑了条间的土体传力与条块两侧的水压力差，而条块两侧的水压差和底部的水压力就构成了渗透力，所以在有效应力法的求解过程中是完整考虑了渗透力的作用。

由此可以得出是否采用有效应力法取决于水压力是否能够传递到该层土滑动面的位置，如果水压可以传递，则应该采用有效应力法，反之，就采用总应力法。

1.3 土体强度指标的确定

由于有效应力法和总应力法的计算模式不同，所采用的土体强度参数也必然需要区分，目前常用的土体强度参数一般都通过室内试验获得，试验类型主要有以下两类。

（1）直剪试验：直剪快剪试验；固结快剪；慢剪。

（2）三轴试验：不排水剪；不排水剪测孔压；固结不排水剪；固结不排水剪测孔压；固结排水剪。

以上试验得到的强度指标在不同的规范中可能被规定成总应力指标或者有效应力指标，但从现场实际情况来看，如果需要准确地描述滑动面的抗剪强度，还需要弄清楚土体真实孔压情况、固结历史、应力路径等。不同的外部环境变化会带来不同的强度失稳，比如加载可能导致出现超孔隙水压力，土体是在嵌固结的状态下失稳的。如果出现降雨、库水位变化等导致的孔压场变化，这会导致有效应力场改变而引起边坡失稳，这可以用有效应力分析，但与应力路径又有极大的相关性。还有一种情况，边坡在挖脚的情况下出现了局部的应力释放，导致应力场重分布，如果很快发生破坏，可能带来临时的超孔隙水压力，这和固结不排水剪对应的试验工况类似。

表1总结了当前涉及边坡稳定性分析的主要规范，建筑边坡规定采用有效应力计算，并且针对土体不同特性选择了不同的试验指标，而水电行业和水利行业则根据不同的工况、土类对不同的分析方法选用了不同的试验参数。两个行业对计算指标的选取存在很大差异，建筑边坡在有效应力分析中所采用的参数指标在水电行业大部分都是总应力法分析指标。

表1 不同计算方法选用的试验指标

2 边坡稳定性计算方法与强度指标选取

经过上面的讨论可以确认：

（1）涉水边坡对水土混合体和骨架进行分析是等效的；

（2）对水土混合体分析的极限平衡法中有效应力和总应力法的区别在于是否考虑条块底部水压力；

（3）总应力法和有效应力法所采用的试验参数不同。

在以上分析的基础上，结合土体的现场实际情况进一步分析稳定性计算方法和强度指标的选取。

2.1 采用总应力法分析的情况

从计算方法来看，总应力法公式中没有考虑滑面位置的法向水压力，一般认为透水性较差的饱和黏性土应该采用总应力法。但是也存在两种情况：第一种情况是土层透水，可以全部或部分传递水压力，但是采用总应力法应综合考虑这种情况下的土体抗剪承载力；第二种情况是土体虽然饱和，但是土体内水的联通性很差，不传递空隙水压力，通过总应力法分析该饱和土的滑面抗剪能力。

对于第一种情况，饱和黏性土是否能够传递水压已经有大量的试验分析。李广信[7]通过小浪底斜心墙防渗黏土料试验，说明了不同塑性条件下的饱和土样均能传递静水压力，如果土体含水率小于塑限，水压可能无法100%的传递，相反，对于含水量大于塑限的土体则水压可以完全地传递，但是传递具有不同的时效性。此时如果采用总应力法计算，采用的指标应当考虑相应孔压条件下的总应力指标，但是不论是固结快剪还是快剪，还是三轴的不排水剪、固结不排水剪似乎都没有涉及到不同孔压条件下的抗剪强度试验。笔者认为这样的试验结果与土体真实的孔压和应力情况不完全一致，如果孔压对土体的总应力抗剪强度有显著影响，那么将会导致计算结果的不准确。所以建议对于含水率高于塑限的饱和黏性土也按照有效应力法计算。

对于含水率远低于塑限的饱和黏性土建议可以采用总应力法进行分析，此时土体内水的联通性很弱，但考虑可能还是存在的一定水压，可以通过选取数值相对更小的快剪、固结快剪、不排水剪和固结不排水剪进行计算，具体参数的选取还应该考虑不同的设计工况，如果快速堆载工况应该考虑快剪和不排水剪，但是对于前缘卸载等工况应该采用固结快剪和固结不排水剪。

2.2 采用有效应力法分析的情况

对于强透水性的砂层、圆砾层、砾石层，毫无疑问应该采用有效应力法，而且采取的指标可以直接按照慢剪或者固结排水剪指标。对于上节讨论的含水率大于塑限且饱和软黏土建议采用有效应力法，根据不同工况可以采用固结快剪、慢剪、固结排水、固结不排水参数进行选取。因为固结快剪和固结不排水剪在试验过程中先固结排水，只是在剪切过程中不排水，这样可以模拟有效应力条件下快速滑动破坏的情况，由于黏性土水压传递的时效性，所以破坏过程中会出现的超孔隙水压力与稳定状态已经存在的孔隙水压叠加效应，通过有效应力法+固结快剪/固结不排水剪指标综合的方式考虑是具有一定合理性的，严谨的推理还需要进行深入研究分析。对于缓慢的变形，可以考虑采用慢剪指标和固结不排水指标，但对于永久性的边坡或者重要性极高的边坡建议考虑“渐进式破坏”带来的土体强度的应变软化效应，建议考虑采用有效应力法结合固结快剪或固结不排水剪的参数进行设计分析。

由此笔者认为，固结快剪和固结不排水剪得到的土体强度指标既可以用到有效应力法，也可以用到总应力法，具体情况需要根据土类、含水率情况、工况、潜在破坏形式来综合确定，另外，由于岩土的地域性差异，相关的经验也非常重要。

3 对于复杂土层涉水边坡稳定性分析

在实际工程中经常会遇到地下水赋存条件较为复杂的情况，比如填土中存在上层滞水然后下面有相对不透水的黏土层，再往下又有赋存承压水的砂卵石层，但是一般的计算分析过程中设计软件只能考虑一层水，一旦设定计算水位，其以下就均考虑为饱和状态，如果采用有效应力法则中间的不透水层也会在分析的条带底部考虑水压力，但这层土实际应该按照总应力法进行分析更为合理，这样会导致计算结果偏于保守。

从总应力法和有效应力法的公式可以得出，总应力法是有效应力法中水压为0的特例，建议分析过程可以将总应力法归并到有效应力法中，通过分层赋予孔压的形式或者分层赋予浸润线的形式来赋予水头，对于相对不透水层可以按照0孔压输入，计算分析均采用有效应力公式，相应条块底部的水压根据各土层浸润线来确定，另外，强度指标可以结合不同的分析土层情况、工况和潜在破坏模式进行输入，计算分析如图1所示。