土質邊坡穩(wěn)定性影響因素的研究

牛越先，馬 俊

(1.山西省水土保持監(jiān)測中心，太原030002;2.中國石油天然氣股份有限公司西氣東輸管道分公司，上海200122)

邊坡穩(wěn)定分析方法的發(fā)展最引人注目，它是經典土力學最早試圖解決而至今仍未圓滿解決的課題。經過一個多世紀的發(fā)展，形成了多種邊坡穩(wěn)定分析方法，如極限平衡法、極限分析法、數(shù)值分析法、有限元強度折減法、邊坡專家系統(tǒng)方法等[1]。穩(wěn)定性分析是邊坡工程一項重要的工作，目前在工程設計中常用的邊坡穩(wěn)定分析方法為安全系數(shù)法，它是經過長期工程實踐證明的一種有效設計方法。由于邊坡表面傾斜，在土體自重以及其他外力作用下，整個土體都有從高處向低處滑動的趨勢。引起失穩(wěn)的根本原因在于土體內部某個面上的剪應力達到了它的抗剪強度，穩(wěn)定平衡遭到破壞。而剪應力達到抗剪強度的起因有兩個:一是剪應力的增加，二是由于土體本身抗剪強度的減小。由此可見，為了有效防止滑坡，在設計時要經過仔細的穩(wěn)定分析。影響邊坡穩(wěn)定的主要參數(shù)為土的抗剪強度指標c和φ，邊坡的坡角α和坡高H。由于現(xiàn)階段只有理論上計算邊坡安全系數(shù)的公式，并不能直觀感性的認識，不便于工程實踐上的應用。本文針對影響邊坡穩(wěn)定性的主要參數(shù)，采用極限平衡原理、強度折減法對土的抗剪強度指標粘聚力c和內摩擦角φ，邊坡的坡角α和坡高H 進行分析，通過不斷改變單一變量的值，得出其與邊坡安全系數(shù)的關系，并采用軟件分析擬合出公式，從而得出簡單可行的判斷邊坡安全系數(shù)的方法。

1 土質邊坡穩(wěn)定的基本理論

1.1 極限平衡原理

極限平衡法[2-3]是邊坡穩(wěn)定分析中最常用的方法，它是通過分析在臨近破壞狀況下，土體外力與內部強度所提供抗力之間的平衡，計算土體在自身和外荷作用下的土坡穩(wěn)定性程度。傳統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定性分析方法中，為了便于分析計算的進行，做了許多假設[4-5]，如假設一個滑動面、不考慮土體內部的應力-應變關系等。極限平衡理論是根據(jù)力學平衡原理分析邊坡破壞模式的受力狀態(tài)，采用抗滑力和下滑力之間的關系來評價邊坡穩(wěn)定性;畢肖普等人將穩(wěn)定性定義為沿整個滑裂面的抗剪強度與實際產生的剪應力之比。條分法是一種方便有效的邊坡穩(wěn)定性極限平衡計算方法，于1916年由瑞典人彼得森提出。隨著土力學學科的不斷發(fā)展，經費倫紐斯、泰勒等人的不斷改進，條分法不斷得到改進，著重致力于三方面的改進:探索最危險滑弧位置的規(guī)律，對基本假定作改進和補充;提出新的計算方法使之更加符合實際情況;利用計算機技術提高計算速度及對結果的可視化輸出。

1.2 強度折減法

有限元強度折減系數(shù)法[6-7]的基本原理為:抗剪強度折減土體所發(fā)揮的最大抗剪強度與外荷載在邊坡內所產生的實際剪應力之比[8-10]。系數(shù)定義為在外荷載保持不變的情況下，邊坡內巖在彈塑性有限元靜力計算[11-12]中，通過不斷降低坡體和滑動面的強度參數(shù)(粘聚力c和內摩擦角φ)，使系統(tǒng)達到不穩(wěn)定狀態(tài)，即有限元靜力計算不收斂，由此而獲得的強度折減系數(shù)就是邊坡的安全系數(shù)。在計算過程中將坡體和滑動面的強度參數(shù)(粘聚力c和內摩擦角φ)逐步折減 ，即

式中:F——折減系數(shù)。

將折減后所得參數(shù)輸入進行有限元計算，若程序計算收斂，則滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài);繼續(xù)折減，當程序計算不收斂，即達到失穩(wěn)狀態(tài)時的折減系數(shù)即為滑坡的安全系數(shù)。

2 影響土質邊坡穩(wěn)定性因素的分析

2.1 坡高對安全系數(shù)的影響

坡角取 30°，c=42 kPa，φ=17°，土容重取25 kN/m3，坡高分別取15，25，35，45，55 m 進行分析 ，分析計算結果見表1。

表1 不同坡高的安全系數(shù)

隨著坡高的增加，邊坡安全系數(shù)不斷減小，繪制其關系曲線見圖1。

圖1 坡高與安全系數(shù)關系

可見，隨著邊坡高度的增加，安全系數(shù)逐漸降低，即邊坡高度越高，邊坡越不穩(wěn)定。利用ORINGE 6.0軟件對以上數(shù)據(jù)進行擬合，得出邊坡高度與安全系數(shù)的函數(shù)關系式為:

式中:K——安全系數(shù);H——坡高。

2.2 坡角對安全系數(shù)的影響

坡高取 35 m ，c=42 kPa，φ=17°，土容重取 25 kN/m3，坡角分別取 10°，20°，30°，35°，40°進行分析 ，分析計算結果見圖2。

表2 不同坡角的安全系數(shù)

隨著坡角的不斷增大，邊坡安全系數(shù)逐漸減小，繪制關系曲線見圖2。

圖2 坡角與安全系數(shù)關系

可見，隨著坡角的增加，安全系數(shù)逐漸降低，即邊坡越陡，邊坡越不穩(wěn)定，當坡角達到35°時，即安全系數(shù)小于1時，邊坡進入不穩(wěn)定狀態(tài)。利用ORINGE 6.0軟件對以上數(shù)據(jù)進行擬合，得出邊坡坡角與安全系數(shù)的函數(shù)關系式為:

式中 :θ——坡角。

2.3 粘聚力對安全系數(shù)的影響

坡角取 30°，坡高取35 m，φ=17°，土容重取 25 kN/m3。 粘聚力分別取 0 ，21，30，42 ，50 kPa 進行分析研究，分析計算結果見表3。

表3 不同粘聚力的安全系數(shù)

隨著粘聚力的不斷增大，邊坡的安全系數(shù)不斷增大，繪制關系曲線見圖3。

圖3 粘聚力與安全系數(shù)關系

可見，隨著土粘聚力的減小，安全系數(shù)逐漸減小，即粘聚力越小，邊坡越不穩(wěn)定，當安全系數(shù)小于1時，邊坡進入不穩(wěn)定狀態(tài)。

利用ORINGE 6.0軟件對以上數(shù)據(jù)進行擬合，得出土體粘聚力與安全系數(shù)的函數(shù)關系式為:

式中:c——粘聚力。

2.4 內摩擦角對安全系數(shù)的影響

坡角取 30°，坡高取 35 m ，c=42 kPa，φ=17°，土容重取 25 kN/m3，內摩擦角分別取 17°，24°，30°，34°，40°進行分析，分析計算結果見表4。

表4 不同內摩擦角的安全系數(shù)

隨著內摩擦角的不斷增大，邊坡的安全系數(shù)也不斷增加，繪制關系曲線見圖4。

圖4 內摩擦角與安全系數(shù)關系

可見，隨著土內摩擦角的的減小，安全系數(shù)逐漸降低，即土內摩擦角越小，邊坡越不穩(wěn)定，當安全系數(shù)小于1時，邊坡進入不穩(wěn)定狀態(tài)。

利用ORINGE 6.0軟件對以上數(shù)據(jù)進行擬合，得出土體內摩擦角與安全系數(shù)的函數(shù)關系式為:

式中:φ——內摩擦角。

2.5 各參數(shù)影響結果分析

分析影響邊坡穩(wěn)定的各因素與邊坡穩(wěn)定系數(shù)之間的相關性[13]，即分析各因素的變化對于邊坡穩(wěn)定系數(shù)的影響，通過分析可以找到對邊坡穩(wěn)定影響較大的因素，在工程實踐中，應對這些因素尤為注意。

通過以上計算結果和曲線可以清楚看到，土體的內摩擦角及粘聚力的變化引起安全系數(shù)較大的改變，即土體的內摩擦角及粘聚力較坡高和坡角對安全系數(shù)影響顯著。

采用灰色系統(tǒng)理論，對各參數(shù)對安全系數(shù)的相關性進行分析，計算灰色關聯(lián)系數(shù):

ρ∈(0 ，1)分辨系數(shù)

采用以上公式計算，得到灰色關聯(lián)度為 γc=0.8384，γφ=0.717，γθ=0.634，γh=0.621 ，由此可見，土體的內摩擦角及粘聚力較坡高和坡角對安全系數(shù)影響顯著。

3 結語

以上研究結果表明:邊坡高度的增加，會降低邊坡的安全性，隨著邊坡角度的增加，邊坡的安全性會隨之降低，土體的抗剪強度指標內摩擦角及粘聚力越大，邊坡越穩(wěn)定。通過計算灰色關聯(lián)度，對邊坡高度、坡角、內摩擦角及粘聚力做敏感性分析，可以看出土體的內摩擦角及粘聚力較坡高和坡角對安全系數(shù)影響顯著。針對影響土質邊坡穩(wěn)定性的主要參數(shù)，采用極限平衡原理、強度折減法對土的抗剪強度指標粘聚力c和內摩擦角φ，邊坡的坡角α和坡高H 進行分析，通過不斷改變單一變量的值，得出其與邊坡安全系數(shù)的關系，并采用軟件分析擬合出簡易公式，從而得出簡單可行的判斷邊坡安全系數(shù)的方法。

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