復雜工況下成層土坡的穩定性研究

王恒亮

(南京市江寧區建設工程質量監督站，江蘇 南京 211100)

1 概述

邊坡在自然界中大量存在，并且自然界中的土體絕大部分都是成層的。因地震和地下水位的驟然變動引發的邊坡穩定問題屢見不鮮，所以對成層土坡在復雜工況下的研究尤為重要。

目前，對于成層土質邊坡考慮地震和地下水位的影響的研究較少。欒茂田等[1]考慮用變分解法進行成層土坡穩定性分析，對地震工況下成層土坡的分析方法進行了探討。黃琳[2]通過對六種土體組合工況下的成層土邊坡動力破壞模式進行分析，發現層狀土邊坡，當黏性土位于上層和中層時，邊坡的破壞以“后緣拉裂—中間滑移—前緣圓弧形剪切”的破壞面為主；當黏性土位于下層時,坡頂位置處會出現局部垮塌。付成華[3]對地下水位驟降時，由于驟降產生的滲流使得土體內孔隙水壓力增加，土體有效應力降低的現象進行了有限元分析。馬吉倩[4]基于飽和—非飽和滲流理論，通過一維、二維成層邊坡有限元滲流計算，得到在不同降雨條件下坡積土層厚度對含水率、孔隙水壓力沿高程分布的影響規律，以及坡積土層厚度、邊坡坡比對二維邊坡不同截面的降雨入滲深度的影響。

總的來說，成層土坡研究缺乏復雜工況下系統規律的研究，這使得實際工程中難以借鑒。基于上述情況，開展復雜工況下成層土坡的穩定規律研究十分必要，尤其是針對地震和地下水位驟降情況對成層土坡穩定性的影響。

2 模型的建立及工況設置

計算模型為一兩層黏性土坡，如圖1所示。上下層土的厚度分別為h1和h2，土體重度分別為18 kN/m3和20 kN/m3，土坡坡角為β，本次模擬設定tanβ=15/29。坡高H=15 m，兩層土的強度指標分別為c1=20 kPa，φ1=25°，c2=25 kPa，φ2=30°。為了考慮成層土厚度的不同，取h1/(h1+h2)分別為1/20,3/20,1/4和7/20四種情況。模擬地震工況時，考慮0.05g,0.1g,0.2g和0.3g四種不同的加速度；模擬地下水位驟降時，假定初始地下水位與坡底的距離3 m,5 m,7 m,9 m,11 m和13 m六種工況。

Morgenstern-Price[5]法和Spencer[6]法都屬于嚴格條分法，故計算結果更加符合實際，但Morgenstern-Price法不能計算有地下水作用情況的土坡穩定，而Spencer法為Morgenstern-Price法的特例，且可以計算地下水位驟降情況，同時計算的安全系數與Morgenstern-Price法有可比性。因此，本文對于地震工況采用Morgenstern-Price法，而對地下水位驟降工況采用Spencer法。

3 計算結果與分析

3.1 地震對土坡穩定性的影響

圖2是土坡安全系數隨地震加速度的變化曲線。從圖2中可以看出，無地震時土坡安全性最高，隨著地震加速度的增大，土坡安全系數明顯下降。通過數據擬合，發現地震加速度與土坡安全系數的關系均滿足二次函數關系。上下兩層土的厚度不同也會影響邊坡的滑動面位置。計算結果顯示，隨上層土體(差土)所占比例增加，土坡安全系數降低，并且隨著地震加速度的增大，滑坡入口逐漸遠離坡肩，滑動體體積增大。

3.2 地下水位驟降對土坡穩定性的影響

圖3是土坡安全系數隨地下水位驟降距離的變化曲線。從圖3中可以看出，隨著地下水位驟降時的初始位置與土坡底面的距離的增大，土坡安全系數隨之減小，但減小的幅度逐漸減小。此外，從圖3中還可以看出，上層土(差土)越厚，土坡的安全系數越小。計算結果還顯示，當土坡高度大于上層土厚度時，滑動面出口均位于坡腳，這一定程度上是因為受到了下層土的制約，隨著上層土厚度的增大，滑動面入口略微向坡肩移動，滑動體體積減小；當土坡高度小于上層土厚度時，此時滑動面出口從坡腳向坡底移動，入口基本保持不變，滑動體體積增大。

4 結語

通過對成層黏性土邊坡進行數值模擬，分析了地震和地下水位驟降對成層土坡安全系數和滑動面的影響，得到了如下結論：

1)黏性土坡的安全系數隨著地震加速度的增大而減小，兩者的關系可用二次函數很好的擬合。土坡滑動面出口均位于坡腳，隨著地震加速度的增大，滑動體體積增大。

2)地下水位驟降時的初始位置對邊坡穩定性影響較大，初始位置越高，邊坡安全系數越小。當上土層厚度小于坡高時，滑動面過坡腳位置；當上土層厚度大于坡高時，滑動面出口從坡腳向坡底移動，入口基本保持不變，滑動體體積增大。