涉水土質邊坡穩定性計算與參數選用初步研究

劉博，敬靜

(1.北京中巖大地科技股份有限公司， 北京 100000； 2.湖南省湘煤地質工程勘察有限公司， 湖南 長沙 410014)

0 引言

地下水是影響邊坡穩定性的主要因素，在工程設計分析過程中，在計算模型中如何考慮地下水的影響非常重要。目前關于地下水對邊坡穩定性的影響有大量的文獻，吳宏偉等[1]研究了不同降雨強度、降雨歷時和雨型對非飽和土坡穩定性的影響；鄭穎人等[2]研究了庫水位下降時坡體內的滲透力和地下水浸潤線計算方法，并用極限平衡法分析了邊坡的穩定性；劉才華等[3]研究了庫水位上升對邊坡穩定性的影響；吳火珍等[4]采用數值分析方法研究了隨降雨持續引起堆積層滑坡體地下水的滲流場變化，以及最終對邊坡穩定性的影響；李金瑞[5]分析了邊坡穩定分析中土體抗剪強度指標的選取，針對不同工況給出了試驗參數的選取方法。

目前在永久和臨時邊坡的設計分析過程中容易出現一種臆斷，對滲透性較差的土考慮水土合算，那么在邊坡穩定性分析過程中采用總應力法，對滲透性較強的土考慮水土分算，故采用有效應力法進行邊坡穩定性分析。這種水土分算、合算與有效應力法、總應力法關聯的做法似乎有道理，但是違背了有效應力原理。

當前計算軟件往往只能設定一個水位條件，在許多設計工程中往往采用勘察階段的穩定水位進行取值，并未區分地下水的賦存條件，這導致將水面以下土層默認為飽和狀態，在采用有效應力法進行計算時所有水下條塊就會考慮水壓，但如果水下存在非飽和隔水層，那么這一分析方法考慮的孔壓場就與實際情況存在差別，容易引起設計錯誤。

1 前置問題分析

1.1 地下水對土體的滲透力

土體的地下水滲透力計算方法有兩種，一種是把土體和水看成整體進行分析，另一種是把土體骨架作為分析對象進行分析。滲透力是一種體積力，對于單個土條進行分析，方法一是由水力坡度乘以流體重度得到滲透力，方向與水力坡度一致，而方法二計算的是土塊左右兩側的水壓力和條塊底部的水壓力，可以證明其合力等于方法一的滲透力，并且可以推導兩種分析方法得到的極限平衡法安全系數在理論上一致[6]。故兩種方法考慮的滲透力是等效的。

1.2 有效應力法與總應力法的計算公式

目前邊坡設計中常用軟件理正巖土邊坡穩定分析系統，基本上考慮了目前所有的邊坡設計規范，包括建筑邊坡、水利水電邊坡、堤防邊坡、土石壩等，該軟件提供了總應力法、有效應力法選項與滲透力選項，主要通過各類極限平衡法進行邊坡穩定性分析，本文以邊坡分析中常用的簡化Bishop法來說明該軟件對于有效應力法和總應力法計算的差別。

有效應力法公式如下：

總應力法公式如下：

式中，K為基于整個滑體剩余下滑力計算的安全系數；b為單個土條的寬度，m；W為條塊重力，kN，浸潤線以上取天然重度，以下取飽和重度；θ為條塊的重力線與通過此條塊底面中點滑弧法線之間的夾角，（°）；c、φ為土的總應力抗剪強度指標；c′、φ′為土的有效應力抗剪強度指標；U為條塊所受的浮力，kN；D為條塊所受到的滲透力，kN，據孔隙水壓力場梯度積分得出；α為條塊的滲透力與水平線的夾角，（°）。

以上兩個公式分析的條塊對象都是水與土的混合體。當不考慮滲透力時，式（1）同《建筑邊坡工程技術規范》GB50330-2013中的邊坡穩定性計算公式一致，由此可以看出，總應力法與有效應力法的區別在于是否考慮條塊底部的水壓力U。簡化Bishop法的前提假設是條塊間只有水平向的力進行傳遞，而水平力隱含在公式，可以認為計算公式中已經綜合考慮了條間的土體傳力與條塊兩側的水壓力差，而條塊兩側的水壓差和底部的水壓力就構成了滲透力，所以在有效應力法的求解過程中是完整考慮了滲透力的作用。

由此可以得出是否采用有效應力法取決于水壓力是否能夠傳遞到該層土滑動面的位置，如果水壓可以傳遞，則應該采用有效應力法，反之，就采 用總應力法。

1.3 土體強度指標的確定

由于有效應力法和總應力法的計算模式不同，所采用的土體強度參數也必然需要區分，目前常用的土體強度參數一般都通過室內試驗獲得，試驗類型主要有以下兩類。

（1）直剪試驗：直剪快剪試驗；固結快剪；慢剪。

（2）三軸試驗：不排水剪；不排水剪測孔壓；固結不排水剪；固結不排水剪測孔壓；固結排水剪。

以上試驗得到的強度指標在不同的規范中可能被規定成總應力指標或者有效應力指標，但從現場實際情況來看，如果需要準確地描述滑動面的抗剪強度，還需要弄清楚土體真實孔壓情況、固結歷史、應力路徑等。不同的外部環境變化會帶來不同的強度失穩，比如加載可能導致出現超孔隙水壓力，土體是在嵌固結的狀態下失穩的。如果出現降雨、庫水位變化等導致的孔壓場變化，這會導致有效應力場改變而引起邊坡失穩，這可以用有效應力分析，但與應力路徑又有極大的相關性。還有一種情況，邊坡在挖腳的情況下出現了局部的應力釋放，導致應力場重分布，如果很快發生破壞，可能帶來臨時的超孔隙水壓力，這和固結不排水剪對應的試驗工況類似。

表1總結了當前涉及邊坡穩定性分析的主要規范，建筑邊坡規定采用有效應力計算，并且針對土體不同特性選擇了不同的試驗指標，而水電行業和水利行業則根據不同的工況、土類對不同的分析方法選用了不同的試驗參數。兩個行業對計算指標的選取存在很大差異，建筑邊坡在有效應力分析中所采用的參數指標在水電行業大部分都是總應力法分析指標。

表1 不同計算方法選用的試驗指標

2 邊坡穩定性計算方法與強度指標選取

經過上面的討論可以確認：

（1）涉水邊坡對水土混合體和骨架進行分析是等效的；

（2）對水土混合體分析的極限平衡法中有效應力和總應力法的區別在于是否考慮條塊底部水壓力；

（3）總應力法和有效應力法所采用的試驗參數不同。

在以上分析的基礎上，結合土體的現場實際情況進一步分析穩定性計算方法和強度指標的選取。

2.1 采用總應力法分析的情況

從計算方法來看，總應力法公式中沒有考慮滑面位置的法向水壓力，一般認為透水性較差的飽和黏性土應該采用總應力法。但是也存在兩種情況：第一種情況是土層透水，可以全部或部分傳遞水壓力，但是采用總應力法應綜合考慮這種情況下的土體抗剪承載力；第二種情況是土體雖然飽和，但是土體內水的聯通性很差，不傳遞空隙水壓力，通過總應力法分析該飽和土的滑面抗剪能力。

對于第一種情況，飽和黏性土是否能夠傳遞水壓已經有大量的試驗分析。李廣信[7]通過小浪底斜心墻防滲黏土料試驗，說明了不同塑性條件下的飽和土樣均能傳遞靜水壓力，如果土體含水率小于塑限，水壓可能無法100%的傳遞，相反，對于含水量大于塑限的土體則水壓可以完全地傳遞，但是傳遞具有不同的時效性。此時如果采用總應力法計算，采用的指標應當考慮相應孔壓條件下的總應力指標，但是不論是固結快剪還是快剪，還是三軸的不排水剪、固結不排水剪似乎都沒有涉及到不同孔壓條件下的抗剪強度試驗。筆者認為這樣的試驗結果與土體真實的孔壓和應力情況不完全一致，如果孔壓對土體的總應力抗剪強度有顯著影響，那么將會導致計算結果的不準確。所以建議對于含水率高于塑限的飽和黏性土也按照有效應力法計算。

對于含水率遠低于塑限的飽和黏性土建議可以采用總應力法進行分析，此時土體內水的聯通性很弱，但考慮可能還是存在的一定水壓，可以通過選取數值相對更小的快剪、固結快剪、不排水剪和固結不排水剪進行計算，具體參數的選取還應該考慮不同的設計工況，如果快速堆載工況應該考慮快剪和不排水剪，但是對于前緣卸載等工況應該采用固結快剪和固結不排水剪。

2.2 采用有效應力法分析的情況

對于強透水性的砂層、圓礫層、礫石層，毫無疑問應該采用有效應力法，而且采取的指標可以直接按照慢剪或者固結排水剪指標。對于上節討論的含水率大于塑限且飽和軟黏土建議采用有效應力法，根據不同工況可以采用固結快剪、慢剪、固結排水、固結不排水參數進行選取。因為固結快剪和固結不排水剪在試驗過程中先固結排水，只是在剪切過程中不排水，這樣可以模擬有效應力條件下快速滑動破壞的情況，由于黏性土水壓傳遞的時效性，所以破壞過程中會出現的超孔隙水壓力與穩定狀態已經存在的孔隙水壓疊加效應，通過有效應力法+固結快剪/固結不排水剪指標綜合的方式考慮是具有一定合理性的，嚴謹的推理還需要進行深入研究分析。對于緩慢的變形，可以考慮采用慢剪指標和固結不排水指標，但對于永久性的邊坡或者重要性極高的邊坡建議考慮“漸進式破壞”帶來的土體強度的應變軟化效應，建議考慮采用有效應力法結合固結快剪或固結不排水剪的參數進行設計分析。

由此筆者認為，固結快剪和固結不排水剪得到的土體強度指標既可以用到有效應力法，也可以用到總應力法，具體情況需要根據土類、含水率情況、工況、潛在破壞形式來綜合確定，另外，由于巖土的地域性差異，相關的經驗也非常重要。

3 對于復雜土層涉水邊坡穩定性分析

在實際工程中經常會遇到地下水賦存條件較為復雜的情況，比如填土中存在上層滯水然后下面有相對不透水的黏土層，再往下又有賦存承壓水的砂卵石層，但是一般的計算分析過程中設計軟件只能考慮一層水，一旦設定計算水位，其以下就均考慮為飽和狀態，如果采用有效應力法則中間的不透水層也會在分析的條帶底部考慮水壓力，但這層土實際應該按照總應力法進行分析更為合理，這樣會導致計算結果偏于保守。

從總應力法和有效應力法的公式可以得出，總應力法是有效應力法中水壓為0的特例，建議分析過程可以將總應力法歸并到有效應力法中，通過分層賦予孔壓的形式或者分層賦予浸潤線的形式來賦予水頭，對于相對不透水層可以按照0孔壓輸入，計算分析均采用有效應力公式，相應條塊底部的水壓根據各土層浸潤線來確定，另外，強度指標可以結合不同的分析土層情況、工況和潛在破壞模式進行輸入，計算分析如圖1所示。

圖1 復雜土層涉水邊坡穩定性分析示意

4 結論

本文對邊坡穩定性計算分析的總應力法、有效應力法及強度指標進行了討論分析，結合已有的理論試驗成果提出了一些想法，主要得出以下結論：

（1）采用總應力法與否主要考慮土體內是否能夠有效傳遞水壓力，這與土類和土體的塑性狀態關系很大，對于含水率遠高于塑性含水率的土體建議采用有效應力法，對于含水率低于塑性含水率的土體建議采用總應力法；

（2）固結排水試驗和固結快剪試驗得到的土體參數既可用于有效應力法，也可用于總應力法，但得結合土類、工況、潛在破壞形式以及當地經驗充分考慮，所以建筑邊坡規范與水利水電行業規范的差異是可以包容的；

（3）筆者對于含有多個含水層的復雜土層邊坡提出了計算分析的改進措施，并建議將總應力法作為總應力法特例進行統一，這樣既符合土力學有效應力的基本理論，也能滿足設計分析的實際 情況；

（4）本文對于不同土層對應不同含水率應該采取總應力法或有效應力法的計算沒有深入研究，同時，也未深入研究不同孔壓條件對土體總應力指標的影響，后續可以深入探討。