均質無粘性土邊坡穩定分析

□武子煜（鄭州外國語學校）

均質無粘性土邊坡穩定分析

□武子煜（鄭州外國語學校）

邊坡是具有傾斜面的土體，因土體表面傾斜，在重力及其它外力作用下，整個土體有從高處向低處滑動的趨勢，土體滑動與邊坡形狀和土體類型有關。由粗顆粒土組成的邊坡稱為無粘性邊坡，相對于粘性土邊坡穩定分析，由于沒有粘聚力的存在，其計算相對簡單。文章根據力學平衡原理，按照土體干燥、有滲透水流兩種狀態進行無粘性土邊坡穩定分析，通過實例計算得出結論。

無粘性土；邊坡滲流；穩定分析

1 引言

土是由各種大小不同顆粒組成的混合物，一般而言，由粗粒土組成的土體為無粘性土，由細粒土組成的土體為粘性土。粘性土特性是：土體有粘性和可塑性，透水性極微，毛細管上升高度較大，其土體性質隨含水量有較大變化，主要抗剪強度指標有內摩擦角和粘聚力。無粘性土特性是：土體無粘性，易透水，有一定毛細管上升高度，其主要抗剪強度指標只有內摩擦角。無粘性土根據粒徑大小和顆粒占全重的比例，可分為礫砂（粒徑＞2.00mm的顆粒占全重25%～50%）、粗砂（粒徑＞0.50mm的顆粒超過全重50%）、中砂（粒徑＞0.25mm的顆粒超過全重50%）、細砂（粒徑＞7.50×10-2mm的顆粒超過全重85%）等。

2 干燥狀態下均質邊坡穩定分析

對于均質無粘性土邊坡，在干燥狀態下，只要坡面上的土顆粒在重力作用下能夠保持穩定，整個邊坡就處于穩定狀態。邊坡受力圖見圖1。

圖1 無粘性土干燥狀態下受力圖

某一無粘性土體邊坡，坡度為β，從坡面上取一小顆粒作為研究對象，其天然重度為γ，體積為V，小顆粒重量G。由于小顆粒在斜面受力，可將重量G分為兩個力，一是沿坡面滑動力T，二是垂直于坡面的法向力為N，法向力N產生摩擦阻力F。從力學平衡原理考慮，只要滑動力T與摩擦阻力F相等，顆粒就處于平衡狀態，邊坡就穩定。邊坡穩定計算公式如下：

式中：K—安全系數，當K≥1.00時，邊坡處于穩定狀態；G—顆粒重量，kN；γ—天然重度，kN/m3；V—顆粒體積，m3；N—法向力，kN；F—摩擦阻力，kN；T—滑動力，kN；f—摩擦系數；φ—內摩擦角，°一般情況下，顆粒摩擦系數f等于土體內摩擦角的正切值，即f=tanφ；β—邊坡坡度，°。

3 有滲透水流的均質邊坡穩定分析

當土體邊坡中有滲透水流時，土體除受重力作用外，還受到滲透壓力的影響，因而會降低無粘性土邊坡的穩定性。邊坡受力圖見圖2。

圖2 無粘性土滲透水流狀態下受力圖

與干燥狀態下分析過程一樣，選取小顆粒為研究對象，受地下水影響，土體顆粒有效重度為γ＇，體積不變仍為V，則小顆粒有效重量為G＇，此時，有效重量除沿坡面分成兩個力（滑動力T＇，法向力N＇）外，顆粒還受到滲透壓力J作用。邊坡穩定計算公式如下：

式中：K＇—安全系數；γsat—土體飽和重度，kN/m3，其值等于土體有效重度與水體重度之和；γ＇—有效重度，kN/m3；γw—水重度，一般取10.00kN/m3；J—滲透壓力，kN；i—水力坡度，假定滲透水流沿坡面流動，i=sinβ。

4 實例分析計算

現有一無粘性土邊坡，邊坡坡度β=20°，土體天然重度γ=19.50kN/m3，內摩擦角φ=35°，飽和重度γsat=22.00kN/m3。根據以上公式進行安全系數計算。

4.1 干燥狀態下

計算結果表明K＞1.00，邊坡處于穩定狀態。

4.2 滲透水流狀態下

安全系數計算：

計算結果表明K＇＜1.00，邊坡處于失穩狀態。

4.3 計算結果分析

從以上計算結果可以看出，同一個土體邊坡，在干燥狀態下邊坡處于穩定狀態，而當土體受地下水影響，有滲透壓力存在時，邊坡安全系數減少約50%左右，土體處于失穩狀態。因此，對于無粘性土體邊坡在受到水體影響時，邊坡穩定應引起重視。

5 結論

一是，無粘性土邊坡在干燥狀態下，安全系數與土體的重量無關，也與所選顆粒體積大小無關，只與邊坡坡度及土體內摩擦角有關。在安全系數不變情況下，土體經過壓實后，內摩擦角增大，邊坡坡度也可適當增大。二是，在邊坡坡面有順坡滲流時，無粘性土邊坡安全系數降低，有可能造成邊坡失穩，應提前做好防護準備，以免造成事故發生。

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1673-8853（2017）09-0079-02

2017-6-6

編輯：劉長垠