CN106503354B - 一种非饱和土质路堑边坡稳定性计算改进方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非饱和土质路堑边坡稳定性计算的改进方法。本发明根据非饱和土力学理论，水文学理论和边坡稳定性分析理论，结合高陡路堑边坡的楔形破坏地质模式，提出基于三角楔形剖面的非饱和土质路堑边坡稳定系数计算方法，实现对非饱和条件下楔形破坏地质模型的路堑边坡进行稳定性计算和预测。本发明理论方法可靠，计算科学便捷，弥补了目前边坡稳定性分析不考虑非饱和土以及路堑边坡楔形破坏模式的两方面缺陷，可提高非饱和土质路堑边坡稳定系数的预测精度，并揭示路堑边坡在非饱和条件下发生变形破坏的物理过程和力学机理。

Description

一种非饱和土质路堑边坡稳定性计算改进方法

技术领域

本发明涉及一种非饱和条件下土质路堑边坡稳定性计算的改进方法技术，属于山地灾害领域。

背景技术

目前，降雨条件下土质边坡的稳定性计算方法是主要是考虑土体在完全饱和条件下，根据测试土体的饱和粘聚力(c)和内摩擦角结合边坡剖面条分法，将边坡划分成许多矩形条带，通过对各条带下滑力和抗滑力的计算和耦合，从而求得边坡的稳定系数(Fs)。

但是，基于饱和条件下边坡稳定性计算方法存在如以几个方面的不足：一是现行计算方法基于土体完全饱和的假设与实际情况脱节，大量工程实践已经证实，土质边坡在还没有完全饱和的情况下就已经失稳破坏，边坡土体完全饱和在现实中几乎很难实现，饱和的假设更多只是一种计算的简化；二是现行稳定性计算方法的剖面为考虑高陡的土质路堑边坡破坏的地质模式。路堑边坡破坏的滑动面是楔形滑面，其稳定性计算剖面不同于一般土质斜坡。由于在公路和铁路建设过程中大量开挖，一般以1：1或者1：1.5进行开挖和放坡，坡度大于天然斜坡，从而形成高陡的路堑边坡，破坏后滑面为三角楔形破坏(图2)，因此基于条分法的矩形条带计算方法和模型不适用于楔形破坏的土质高陡边坡；三是传统的稳定性计算方法不能反映非饱和土质高陡边坡土体的力学性能和水文特征。降雨诱发边坡破坏的机理是由于降雨入渗诱发基质吸力降低导致抗滑力减小，降雨入渗条件下土体含水量和渗透系数等水文力学参数都有不同的变化，因此未考虑边坡土体上述水文和力学参数等指标的模型，也无法反映非饱和土质边坡破坏的物理特征，很难做到对路堑边坡稳定性的准确计算；也不能全面反映浅层滑坡变形破坏的物理力学特征。

发明内容

本发明的目的就是针对现行的边坡稳定性分析计算方法的不足，提供一种非饱和条件下土质路堑边坡稳定性计算的改进方法，针对现行稳定性方法只考虑土体完全饱和条件下的工况和矩形条带的计算剖面，对非饱和条件下土体失稳的物理力学状态和破坏地质模式考虑不充分，因而导致计算结果不准确的技术缺陷。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种非饱和土质路堑边坡稳定性计算的改进方法，主要包括以下步骤：

步骤一：根据现场地质勘查确定边坡范围，并通过岩土试验确定其非饱和土体物理力学参数：其中，主要物理力学参数包括：土体有效内摩擦角φ',土体有效粘聚力c',土体干容重γs,土体的饱和体积含水量θs，土体的残余体积含水量θr，非饱和土水土特征曲线参数(α，n)；

步骤二：根据路堑边坡形破坏地质模式土体的抗滑力和下滑力的受力分析，建立路堑边坡楔形破坏地质模式的稳定性计算模型；

步骤三：结合基于土体非饱和条件下不同体积含水量的稳定系数计算方法，对路堑边坡稳定系数进行计算；

步骤四：根据计算结果，对非饱和土质路堑边坡开展稳定性分析。

作为优选，所述步骤二中涉及的的楔形破坏地质模式的稳定性计算模型，具体如下：

1)根据楔形破坏剖面的受力分析，可建立路堑边坡楔形破坏地质模式的抗滑力和下滑力计算模型；

路堑边坡楔形破坏模式的土质块体的重量可用下式表示：

式中，W为路堑边坡楔形剖面土体的总重量，γ为路堑边坡土体容重,β为路堑边坡坡度，δ为路堑边坡滑面倾角，Z为路堑边坡的高度；

边坡相应的下滑力和总应力可以分别表示为：

2)根据极限平衡理论，边坡的稳定系数是抗滑力和下滑力的比值，因此土质路堑边坡楔形破坏剖面的稳定性系数的计算模型可以表示为：

即：

式中，Fs(Z,t)为滑坡非饱和土体稳定系数，σ^s(Z,t)为非饱和土体深度的吸应力；φ'为土体有效内摩擦角；c'为土体有效粘聚力,γ为土体容重,β为滑坡坡度，δ为路堑边坡滑面倾角；

作为优选，所述步骤三中涉及的基于非饱和土体的稳定性计算方法具体如下：

1)基于非饱和土体积含水量的非饱和土体稳定系数计算方法，是耦合非饱和土理论，水文学理论和滑坡稳定性分析理论，对滑坡非饱和土的稳定系数进行实时求解，具体按照如下方法实施：根据水文学理论中计算有效饱和度Se(Z,t)：

式中：Se(Z,t)为有效饱和度，θ(Z,t)为土体的饱和体积含水量，θ_s为土体的饱和体积含水量，θ_r为土体的残余体积含水量；t为不同时刻，Z为不同土层深度；

2)根据土壤学理论计算非饱和土体基质吸力ψ(Z,t)：

式中：ψ(Z,t)为滑坡非饱和土体基质吸力，γ_w为水的容重,α和n为水土特征曲线特征参数；

3)根据非饱和土力学理论计算吸应力σ^s(Z,t)：

σ^s(Z,t)＝S_eψ(Z,t) 公式8

式中：σ^s(Z,t)为非饱和土吸应力；ψ(Z,t)为滑坡非饱和土体基质吸力；Se为有效饱和度；

耦合非饱和土理论，水文学理论和滑坡稳定性分析理论，计算滑坡非饱和土体稳定系数Fs(Z,t)：

式中，Fs(Z,t)为滑坡非饱和土体稳定系数，σ^s(Z,t)为非饱和土体深度的吸应力；φ'为土体有效内摩擦角；c'为土体有效粘聚力,γ_s为土体干容重,γ_w为水的容重,β为滑坡坡度,δ为路堑边坡滑面倾角。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明基于耦合非饱和土理论和滑坡稳定性分析方法理论，结合高陡路堑边坡的楔形破坏地质模式，提出基于三角楔形剖面的非饱和土质路堑边坡稳定系数计算方法。本发明的核心是耦合非饱和土理论，水文学理论和边坡稳定性分析理论，针对土质路堑边坡非饱和破坏失稳的工程实践，提出在高陡路堑边坡楔形破坏模型条件下，对非饱和土质路堑边坡稳定系数计算方法进行方法改进，本发明不但能够弥补目前边坡稳定性分析不考虑非饱和土以及路堑边坡楔形破坏模式的缺陷，提高非饱和土质路堑边坡稳定系数的预测精度的实际问题，而且还可以揭示降雨激发路堑边坡在非饱和条件下发生变形破坏的物理过程和力学机理，对于推动边坡稳定性分析理论进一步深化打下基础。

与现行的采用矩形剖面的条分法和基于饱和工况下来开展边坡的稳定性计算方法相比，本发明直接结合高陡边坡特有的楔形计算剖面，利用非饱和条件下，土质路堑边坡土体体积含水量结合土体物理力学参数，计算土体力学状态和稳定性，从而对现行边坡稳定性计算方法不适用于路堑边坡的楔形破坏模式以及实际工程实践中非饱和的土体含水状态的缺陷，针对非饱和条件下土质路堑边坡稳定性计算方法进行了优化发明，填补了非饱和条件下路堑边坡稳定性计算和临界高度预测的技术空白。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明的具体实施中路堑边坡楔形破坏模式及受力分析图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的优选实施例作进一步的描述。

一种非饱和条件下土质路堑边坡稳定性计算的改进方法，主要包括以下步骤：

步骤一：根据现场地质勘查确定稳定性分析路堑边坡范围，剖面形态，并通过岩土试验确定滑坡非饱和土体物理力学参数，主要参数包括：土体有效内摩擦角(φ'),土体有效粘聚力(c'),土体干容重(γ_s),土体的天然体积含水量、饱和以及残余体积含水量，以及非饱和土水土特征曲线(SWCC)参数(α，n)。

非饱和土水土特征曲线(SWCC)一般也叫做土壤特征曲线或土壤pF曲线，它表述了土壤水势(土壤水吸力)和土壤水分含量之间的关系。通常土壤含水量以体积百分数表示，土壤吸力以大气压表示。

通过室内土壤物理力学参数试验，可以确定不同土体的残余含水量和饱和含水量的区间范围，从而根据需要或者实测的降雨量和含水量的关系确定非饱和土含水量的计算工况；实测的降雨量和含水量可以通过现场安装雨量计和含水量计实测，得到的土体含水量的含水量变化范围以及和降雨量的对应关系；

步骤二：根据滑坡现场勘查确定滑坡监测范围，通过室内岩土试验和渗水试验得到的不同土体含水量的计算工况，建立路堑边坡楔形破坏地质模式的稳定性计算模型，即公式5；

步骤三：结合基于土体非饱和条件下不同体积含水量的稳定系数计算方法，即公式9对非饱和土质路堑边坡的稳定性进行计算；

步骤四：根据公式9计算结果，对非饱和土质路堑边坡开展稳定性分析和预测。

实施例一

用本发明提供的方法，对成都市地震灾区都江堰虹口乡拟开建公路通过银洞子沟泥石流堆积扇开挖的路堑边坡进行实例分析。该拟建公路边坡物质为泥石流堆积物和坡积物的混杂堆积体，路堑边坡土体为碎石土，现针对该区非饱和土体特征，开展建成后路堑边坡在不同含水量工况条件下的稳定性进行评估和预测。

步骤一：实地勘察路堑边坡区域范围，剖面形态，通过现场采集滑坡砾石土土样，开展岩土试验确定滑坡非饱和土体物理力学参数，通过室内土力学实验测试土体物理力学参数(详见表2)：

表2路堑边坡物理力学参数测试值

步骤二：根据滑坡现场勘查确定滑坡监测范围，通过室内岩土试验和渗水试验得到的不同土体含水量的计算工况，开展非饱和条件下的含水量工况为表2所示，经过现场工程地质分析，确定路堑边坡破坏模式为楔形破坏，建立路堑边坡楔形破坏地质模式的稳定性计算模型。

步骤三：结合基于土体非饱和条件下不同体积含水量的稳定系数计算方法，即公式9对非饱和土质路堑边坡的稳定性进行计算，得到计算结果(见表2)。

表2不同工况非饱和路堑边坡稳定性计算评价表

工况	体积含水量	对应降雨量	稳定系数	稳定性评价
					天然状态	11.30％	0mm	1.19	稳定状态
中雨工况	13.00％	9mm	1.12	基本稳定状态
					暴雨工况	16.60％	76mm	1.05	欠稳定状态
大暴雨工况	20.00％	100mm	0.99	不稳定状态

步骤四：根据公式9计算结果，对非饱和土质路堑边坡开展稳定性分析。对比稳定系数相对应的路堑边坡稳定状态，可知在降雨开始后，随着体积含水量的增加，滑坡的稳定系数从1.2(稳定状态)，迅速降到1.12(基本稳定状态)，随着降雨量的增大，体积含水量也相应增大，到暴雨工况，路堑边坡的稳定系数降低至1.05到达欠稳定状态，而大暴雨工况下，土体含水量达到20％，稳定系数小于1.0，路堑边坡将失稳破坏。

Claims (2)

1.一种非饱和土质路堑边坡稳定性计算的改进方法，其特征在于，主要包括以下步骤：

步骤一：根据现场地质勘查确定边坡范围，并通过岩土试验确定其非饱和土体物理力学参数：其中，主要物理力学参数包括：土体有效内摩擦角φ’，土体有效粘聚力c’，土体干容重γ_s，土体的饱和体积含水量θ_s，土体的残余体积含水量θ_r，非饱和土水土特征曲线参数(α，n)；

步骤二：根据路堑边坡形破坏地质模式土体的抗滑力和下滑力的受力分析，建立路堑边坡楔形破坏地质模式的稳定性计算模型；

步骤三：结合基于土体非饱和条件下不同体积含水量的稳定系数计算方法，对路堑边坡稳定系数进行计算；

步骤四：根据计算结果，对非饱和土质路堑边坡开展稳定性分析；

所述步骤二中涉及的楔形破坏地质模式的稳定性计算模型，具体如下：

1)根据楔形破坏剖面的受力分析，可建立路堑边坡楔形破坏地质模式的抗滑力和下滑力计算模型；

路堑边坡楔形破坏模式的土质块体的重量可用下式表示：

式中，AB为坡顶长度，W为路堑边坡楔形剖面土体的总重量，γ为路堑边坡土体容重，β为路堑边坡坡度，δ为路堑边坡滑面倾角，Z为路堑边坡的高度；

边坡相应的下滑力和总应力可以分别表示为：

式中，OB为计算剖面楔形滑面；

2)根据极限平衡理论，边坡的稳定系数是抗滑力和下滑力的比值，因此土质路堑边坡楔形破坏剖面的稳定性系数的计算模型可以表示为：

即：

式中，Fs(Z，t)为滑坡非饱和土体稳定系数，σ^s(Z，t)为非饱和土体深度的吸应力；φ’为土体有效内摩擦角；c’为土体有效粘聚力，β为滑坡坡度，δ为路堑边坡滑面倾角。

2.根据权利要求1所述的一种非饱和土质路堑边坡稳定性计算的改进方法，其特征在于，所述步骤三中涉及的基于非饱和土体的稳定性计算方法具体如下：

1)基于非饱和土体积含水量的非饱和土体稳定系数计算方法，是耦合非饱和土理论，水文学理论和滑坡稳定性分析理论，对滑坡非饱和土的稳定系数进行实时求解，具体按照如下方法实施：根据水文学理论中计算有效饱和度S_e(Z，t)：

式中：S_e(Z，t)为有效饱和度，θ(Z，t)为土体的饱和体积含水量，θ_s为土体的饱和体积含水量，θ_r为土体的残余体积含水量；t为不同时刻；

2)根据土壤学理论计算非饱和土体基质吸力ψ(Z，t)：

式中：ψ(Z，t)为滑坡非饱和土体基质吸力，γ_w为水的容重，α和n为水土特征曲线特征参数；

3)根据非饱和土力学理论计算非饱和土体深度的吸应力σ^s(Z，t)：

σ^s(Z,t)＝S_eψ(Z,t) 公式8

式中：ψ(Z，t)为滑坡非饱和土体基质吸力；S_e为有效饱和度；

耦合非饱和土理论，水文学理论和滑坡稳定性分析理论，计算滑坡非饱和土体稳定系数Fs(Z，t)：

式中，Fs(Z，t)为滑坡非饱和土体稳定系数；φ’为土体有效内摩擦角；c’为土体有效粘聚力，γ_s为土体干容重，γ_w为水的容重，β为滑坡坡度，δ为路堑边坡滑面倾角。