CN110045087B - 一种细粒土路堤边坡危险滑体应力状态类别的判定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种细粒土路堤边坡危险滑体应力状态类别的判定方法，包括以下步骤：步骤1：获取细粒土路堤边坡原状土常规压力下饱和慢剪强度参数及低压下强度变化指数；步骤2：确定细粒土路堤饱和慢剪强度低压力段和常规压力段强度差异性变化界限值；步骤3：确定细粒土路堤边坡危险滑体最大法向应力；步骤4：通过对比步骤2获取的界限值和步骤3得到的最大法向应力大小，确定细粒土路堤边坡危险滑体应力状态类型；本发明可提高细粒土路堤边坡危险滑体稳定性评价结果的准确性，操作简单、实用性强，为危险边坡加固治理方案提供参考。

Description

一种细粒土路堤边坡危险滑体应力状态类别的判定方法

技术领域

本发明涉及岩石土工程技术领域，具体涉及一种细粒土路堤边坡危险滑体应力状态类别的判定方法。

背景技术

降雨是导致细粒土路堤边坡失稳破坏最普遍的环境因素；主要影响体现在：一方面雨水入渗于细粒土路堤边坡内形成渗流作用导致滑体下滑力增大；另一方面产生孔隙水压力致使有效应力降低、滑体抗滑力减小，目前对雨水渗流条件下细粒土路堤边坡稳定性准确评估的关键在于合理确定与危险滑体应力状态类型相匹配的抗剪强度。不同应力区段的细粒土抗剪强度变化规律差异显著。例如：在低应力区段抗剪强度随应力减小呈非线性降低的趋势，而在常规应力区段力下抗剪强度随应力增加呈线性增长的规律。因此，在对降雨入渗下细粒土路堤边坡稳定性准确评估之前，须对细粒土路堤边坡危险滑体应力状态类别进行判定，以确保稳定性评估方法时采用准确的抗剪强度参数，从而获得更科学的边坡稳定性评价建议。但目前还没有专门对细粒土路堤边坡危险滑体应力状态类别进行判定的方法。

发明内容

本发明提供了一种利用常规室内土工试验设备即可准确判定细粒土路堤边坡危险滑体应力状态类别的判定方法。

本发明采用的技术方案是：一种细粒土路堤边坡危险滑体应力状态类别的判定方法，包括以下步骤：

步骤1：获取细粒土路堤边坡原状土常规压力下饱和慢剪强度参数及低压下强度变化指数；

步骤2：确定细粒土路堤饱和慢剪强度低压力段和常规压力段强度差异性变化界限值σ′_cr；

步骤3：确定细粒土路堤边坡危险滑体最大法向应力σ′_nmax；

步骤4：通过对比步骤2获取的σ′_cr和步骤3得到的σ′_nmax大小，确定细粒土路堤边坡危险滑体应力状态类型；若σ′_nmax＞σ′_cr，则细粒土路堤边坡危险滑体为常规应力状态；若σ′_nmax＜σ′_cr，则细粒土路堤边坡危险滑体为低应力状态。

进一步的，所述步骤1具体过程如下：

S11：通过全压力范围的饱和细粒土试样慢剪试验，得到以慢剪强度τ_f为纵坐标，以法向压力σ_n'为横坐标的τ_f～σ_n'散点图；

S12：通过以下公式对散点图进行拟合，得到细粒土常规压力下有效抗剪强度参数c'、

和低压力下强度变化指数η；

式中，τ_f1为全压力区段剪切面上抗剪强度；

S13：通过将有效抗剪强度参数c'、

代入以下公式得到常规压力下饱和慢剪强度参数：

式中，τ_f2为常规应力区段剪切面上的抗剪强度；

进一步的，所述步骤2确定过程如下：

S21：定义强度差异参数λ；

S22：将式(1)和式(2)带入式(3)得到法向压力与强度差异参数的关系：

S23：根据全压力区段测定的抗剪强度与常规压力下确定的抗剪强度之间的相对差异λ范围值确定有效法向压力界限值σ′_cr；法向压力逐渐增加时，λ值相应降低直至降至5％，对应的有效法向压力σ_n'即为界限值σ′_cr，由式(4)得到式(5)：

式中：λ₅＝5％。

进一步的，所述最大法向应力σ′_nmax确定方法如下：

S31：确定强降雨下渗入细粒土路堤边坡危险滑面及边坡浅层水位线；

S32：对细粒土边坡建立直角坐标系，沿坐标x方向滑动土体，得到单位长度土条重力和孔隙水压力u；

S33：根据步骤S32得到的重力和水压力，确定细粒土路堤边坡危险滑体坐标x位置单位长度土条底部有效法向压力σ′_nx；

σ_nx′＝(γ_mh_1x+γ_sh_2x)cos²θ_x-u (6)

式中：γ_m为土样的天然容重，γ_s为饱和容重，θ_x为坐标x位置滑体底部滑面与水平面的夹角，h_1x为坐标x位置滑体单位长度土条潮湿部分高度，h_2x为坐标x位置滑体单位长度土条饱和部分高度；

S34：确定最大法向应力σ′_nmax：

σ′_nmax＝max(σ′_nx) (7)。

本发明的有益效果是：

(1)本发明判定方法合理准确，可提高细粒土路堤边坡危险滑体稳定性评价结果的真实性；

(2)本发明方法操作简单、实用性强；通过对细粒土路堤边坡危险滑体应力状态类别的判断，为危险边坡加固治理方案提供参考。

附图说明

图1为本发明原理中细粒土路堤边坡危险滑体单位长度土条底部有效法向应力计算原理图。

图2为本发明实施例中全压力区段有效法向压力和抗剪强度复合指数非线性变化关系回归图。

图3为本发明实施例中常规应力区段有效法向压力和抗剪强度线性关系图。

图4为本发明实施例中强度差异变化指数与有效法向压力的变化关系图及η₅确定。

图5为本发明实施例中细粒土路堤边坡危险滑体及饱和区水位勘测图。

图6为本发明实施例中细粒土路堤边坡危险滑体底部有效法向应力即最大法向应力计算图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

一种细粒土路堤边坡危险滑体应力状态类别的判定方法，包括以下步骤：

步骤1：获取细粒土路堤边坡原状土常规压力下饱和慢剪强度参数c′、

及低压下强度变化指数η；

具体过程如下：

通常首先按照《铁路工程土工试验规程》(TB 10102-2010)，对细粒土路堤边坡危险滑体取原状土样并测试原状土样的天然容重γ_m；然后采用24h真空法饱和(抽真空至少1h)，且饱和过程中保持体积不变，饱和后测定土样的饱和容重γ_sat。

S11：通过全压力下饱和细粒土试样慢剪试验，得到以慢剪强度τ_f为纵坐标，以法向压力σ_n'为横坐标的τ_f～σ_n'散点图；

开展全压力下饱和细粒土试样慢剪试验：采用直接施加荷载方式，开展法向压力σ_n分别为0kPa、5kPa、20kPa、30kPa、50kPa、75kPa、100kPa、200kPa、300kPa压力下慢剪强度试验(慢剪强度下法向压力σ_n即为有效法向压力σ_n')。其中，法向压力固结时间及剪切速率按照《铁路工程土工试验规程》(TB 10102-2010)控制。由此获得不同压力下饱和细粒土的剪压力和剪切位移关系曲线，并取关系曲线峰值对应的剪压力作为该法向压力下细粒土饱和慢剪强度τ_f，没有峰值时，取剪切位移4mm时对应的剪应力为抗剪强度。以慢剪强度τ_f为纵坐标，以法向压力σ_n'为横坐标绘制τ_f～σ_n'散点图。

S12：通过以下公式对散点图进行非线性拟合，得到细粒土常规压力下有效抗剪强度参数c'、

和低压力下强度变化指数η；

式中，τ_f1为全压力区段剪切面上抗剪强度。

S13：通过将有效抗剪强度参数c'、

代入以下公式得到常规压力下

式中，τ_f2为常规应力区段剪切面上的抗剪强度；

步骤2：确定细粒土路堤饱和慢剪强度低压力段和常规压力段强度差异性变化界限值σ′_cr；

确定过程如下：

S21：定义相对差异参数λ；

S22：将式(1)和式(2)带入式(3)得到法向压力与相对差异参数的关系：

S23：根据全压力区段测定的抗剪强度与常规压力下确定的抗剪强度之间的相对差异λ范围值确定有效法向压力界限值σ′_cr；法向压力逐渐增加时，λ值相应降低直至降至5％，对应的有效法向压力σ_n'即为界限值σ′_cr，由式(4)得到式(5)：

式中：λ₅＝0.05。

步骤3：确定细粒土路堤边坡危险滑体最大法向应力σ′_nmax；

最大法向应力σ′_nmax确定方法如下：

S31：根据现场勘察资料确定强降雨下渗入细粒土路堤边坡危险滑面及边坡浅层水位线；

S32：对细粒土边坡建立直角坐标系，沿坐标x方向滑动土体，得到单位长度土条重力和孔隙水压力u；

S33：根据步骤S32得到的重力和水压力，确定细粒土路堤边坡危险滑体坐标x位置单位长度土条底部有效法向压力σ′_nx；

σ_nx′＝(γ_mh_1x+γ_sh_2x)cos²θ_x-u (6)

式中：γ_m为土样的天然容重，γ_s为饱和容重，θ_x为坐标x位置滑体底部滑面与水平面的夹角，h_1x为坐标x位置滑体单位长度土条潮湿部分高度，h_2x为坐标x位置滑体单位长度土条饱和部分高度；

S34：确定最大法向应力σ′_nmax：

σ′_nmax＝max(σ′_nx) (7)。

步骤4：通过对比步骤2获取的σ′_cr和步骤3得到的σ′_nmax大小，确定细粒土路堤边坡危险滑体应力状态类型；若σ′_nmax＞σ′_cr，则细粒土路堤边坡危险滑体为常规应力状态；若σ′_nmax＜σ′_cr，则细粒土路堤边坡危险滑体为低应力状态。

具体原理如下所示：

细粒土饱和慢剪试验中，剪切面上有效法向压力(应力)σ_n'与抗剪强度τ_f1在低压力区段呈非线性变化规律，常规压力区段呈线性变化，可采用复合指数公式进行表达：

其中，η为低压力下强度变化指数，其为正值。

而常规压力区段剪切面上有效法向压力(应力)σ_n'与抗剪强度τ_f2基本满足Coulomb线性关系，通常采用Coulomb公式进行表达：

式(1)中当有效法向压力σ_n'超过一定值σ′_cr时进入常规应力区段，因η为正值，

强度非线性复合指数公式(1)即与Coulomb公式(2)近似一致。

可见，不同压力区段下强度变化规律具有显著的差异性；为了明确细粒土路堤边坡滑动土体所属的压力区段，以便获得较为准确的抗剪强度，定义了反映低压力下强度非线性程度的相对差异参数λ：

将式(1)和式(2)代入式(3)得相对差异参数λ与有效法向压力σ_n'的关系式(4)：

《铁路工程土工试验规程》规定，常规压力下，试验测定的抗剪强度与Coulomb线性回归方程确定的抗剪强度之间的相对差异应控制在5％以内。但低应力区段由于抗剪强度的非线性变化，试验测定的抗剪强度与常规压力下Coulomb线性回归方程确定的抗剪强度之间相对差异λ应该在5％～100％。因此，σ_n'从0逐渐增加时，λ值相应降低直至λ＝λ₅＝5％对应的有效法向压力σ_n'＝σ_cr'作为低压力与常规压力强度差异性变化的界限值(如图4所示)，由式(4)得到式(5)：

细粒土路堤边坡危险滑体底部有效法向压力与滑面位置相关。因此，对细粒土路堤边坡建立直角坐标系(如图1所示)。

沿坐标x方向上滑动土体单位长度土条重力W为：

W＝1×(γ_mh_1x+γ_sh_2x)

式中：h_1x为坐标x位置滑体单位长度土条潮湿部分高度，h_2x为坐标x位置滑体单位长度土条饱和部分高度；γ_s为饱和重度。

单位长度土条孔隙水压力u为：

u＝γ_wh_tx

式中：h_tx为坐标x位置滑体单位长度土条底部孔隙水压力水头高度，γ_w为水的重度。

因此，细粒土路堤边坡危险滑体坐标x位置单位长度土体底部有效法向压力σ′_nx为：

σ_nx′＝(γ_mh_1x+γ_sh_2x)cos²θ_x-u (6)

沿坐标x方向上滑动土体单位长度土条底部有效法向压力σ′_nx最大值σ′_nmax：

σ′_nmax＝max(σ′_nx) (7)。

按照本发明方法判别某坡度为45°、高度为6m的一处细粒土路堤边坡危险滑体的应力状态类型。

低压力下强度变化指数η＝0.070，如图2所示；其常规压力下抗剪强度参数c′＝16.4kPa、

如图3所示。天然容重γ_m＝19kN/m³、饱和容重γ_sat＝21kN/m³。按照步骤2确定细粒土路堤饱和慢剪强度低压力段与常规中等压力段阈值σ′_cr＝43kPa，如图4所示。按照步骤3确定危险滑面位置及水深1m，如图5所示，并计算出危险滑面上沿着坐标x方向的单位长度土条底部有效法向压力σ′_nx，如图6所示。根据σ′_nmax＝max(σ′_nx)，得细粒土路堤边坡危险滑体最大法向应力σ′_nmax＝17.3kPa。按照步骤4，因σ′_nmax<σ′_cr时，故该细粒土路堤边坡危险滑体属于低应力状态类型。

本发明基于细粒土饱和慢剪强度试验，在低压力下呈非线性，常规压力下呈线性变化的特征，建立了细粒土饱和慢剪强度低压力和常规压力阈值判别方法；对细粒土路堤边坡危险滑体所属应力状态类型进行判定，避免了直接采用适用于常规应力区段的抗剪强度Coulomb线性公式对细粒土路堤边坡低应力区段的危险滑体进行稳定性评价带来误判；本发明方法通过对细粒土路堤边坡危险滑体应力状态类型判断有助于提高边坡稳定性评价结果的准确性。本发明方法操作简单、实用性强；按照《铁路工程土工试验规程》，进行细粒土路堤边坡原状土试样制备，测试原状试样干容重、潮湿容重及饱和容重等物性指标；利用常规直剪仪，开展原状试样0～300kPa法向压力下(涵盖低压力与常规压力段的全压力范围)的饱和慢剪试验，判断细粒土路堤边坡危险滑体所属低应力、常规应力状态类别，根据其应力状态类别指定危险边坡加固治理方案。

Claims (1)

1.一种细粒土路堤边坡危险滑体应力状态类别的判定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：获取细粒土路堤边坡原状土常规压力下饱和慢剪强度参数及低压下强度变化指数；

S11：通过全压力范围的饱和细粒土试样慢剪试验，得到以慢剪强度τ_f为纵坐标，以法向压力σ_n'为横坐标的τ_f～σ_n'散点图；

S12：通过以下公式对散点图进行拟合，得到细粒土常规压力下有效抗剪强度参数c'、

和低压力下强度变化指数η；

式中，τ_f1为全压力区段剪切面上抗剪强度；

S13：通过将有效抗剪强度参数c'、

代入以下公式得到常规压力下饱和慢剪强度参数：

式中，τ_f2为常规应力区段剪切面上的抗剪强度；

步骤2：确定细粒土路堤饱和慢剪强度低压力段和常规压力段强度差异性变化界限值σ_c′_r；

S21：定义强度差异参数λ；

S22：将式(1)和式(2)带入式(3)得到法向压力与强度差异参数的关系：

S23：根据全压力区段测定的抗剪强度与常规压力下确定的抗剪强度之间的相对差异λ范围值确定有效法向压力界限值σ′_cr；法向压力逐渐增加时，λ值相应降低直至降至5％，对应的有效法向压力σ_n'即为界限值σ′_cr，由式(4)得到式(5)：

式中：λ₅＝0.05；

步骤3：确定细粒土路堤边坡危险滑体最大法向应力σ′_nmax；

S31：确定强降雨下渗入细粒土路堤边坡危险滑面及边坡浅层水位线；

S32：对细粒土边坡建立直角坐标系，沿坐标x方向滑动土体，得到单位长度土条重力和孔隙水压力u；

S33：根据步骤S32得到的重力和水压力，确定细粒土路堤边坡危险滑体坐标x位置单位长度土条底部有效法向压力σ′_nx；

σ_nx′＝(γ_mh_1x+γ_sh_2x)cos²θ_x-u (6)

式中：γ_m为土样的天然容重，γ_s为饱和容重，θ_x为坐标x位置滑体底部滑面与水平面的夹角，h_1x为坐标x位置滑体单位长度土条潮湿部分高度，h_2x为坐标x位置滑体单位长度土条饱和部分高度；

S34：确定最大法向应力σ′_nmax：

σ′_nmax＝max(σ′_nx) (7)

步骤4：通过对比步骤2获取的σ′_cr和步骤3得到的σ′_nmax大小，确定细粒土路堤边坡危险滑体应力状态类型；若

则细粒土路堤边坡危险滑体为常规应力状态；若σ′_nmax＜σ′_cr，则细粒土路堤边坡危险滑体为低应力状态。

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