不同模式下抗剪强度参数对路堤稳定性的影响.pdf

第29卷第4期土木工程与管理学报V()1．29No．42012年12月JournalofCivilEngineeringandManagementDec．20l2不同模式下抗剪强度参数对路堤稳定性的影响罗烈日，郑俊杰(华中科技大学土木工程与力学学院，湖北武汉430074)摘要：基于Mohr—Coulomb准则，采用FLAC3D分析了抗剪强度参数(主要是黏聚力和内摩擦角)对高填方路堤边坡安全系数及滑动面位置的影响。同时，提出了降雨条件下路堤稳定性的分析方法，并对不同折减模式下安全系数的变化规律进行了分析。结果表明：黏聚力和内摩擦角对安全系数的影响规律类似，对滑动面位置的影响规律相反；降雨入渗条件下，对抗剪强度参数的折减会使边坡滑动破坏面由路堤深层向浅层发展，折减程度越大，安全系数降低的程度越明显。关键词：强度折减法；安全系数；滑动面；折减模式；降雨入渗中图分类号：TU432文献标识码：A文章编号：2095—0985(2012)04—005005EfectsofShearStrengthonEmbankmentStabilityunderDiferentPatternsLUOLie—ri，ZHENGJun-fie(SchoolofCivilEngineeringandMechanics，HuazhongUniversityofScienceandTechnology，Wuhan430074，China)Abstract：BasedontheMohr．Coulombcriterion，theeffectsofshearstrength，suchasthecohesionandinternalfrictionangle，onthesafetyfactorandtheslidingsurfaceofhighembankmentslopeareanalyzedusingFLA3D．Anevaluationmethodoftheembankmentstabilitysubjectedtorainfallinfiltrationisproposed．Furthermore，thevariationofsafetyfactorunderdifferentreductionpatternsissummarized．Theresultsshowthattheeffectsofcohesionandinternalfrictionanglearesimilartosafetyfactor．butcontraryonslidingsurface．Underrainfal1infiltration．thereductionofshearstrengthcausestheslopeslidingsurfacedevelopingfromdeeptoshallow．Thelargerthereductiondegreeis，themoresignificantlythesafetyfactordecreases．Keywords：strengthreduction；safetyfactor；slidingsurface；reductionpattern；rainfallinfiltration边坡稳定是土力学的经典问题之一，也是岩解的安全系数具有多解性，以及极限分析法和土工程领域的一个热点研究课题。安全系数作为滑移线场法在实际应用中的局限性，越来越多的边坡稳定状态的评价指标，其传统的计算方法主学者基于有限元、有限差分的强度折减法对边坡要可以分为三类¨J：一类是极限平衡法，即通过进行稳定性分析：Dawsonl3等比较了极限分析法假设一定形状的滑动面，再根据平衡条件及屈服与强度折减法的计算结果，验证了稳定性分析中准则进行求解，例如瑞典法，Bishop圆弧滑裂法，使用强度折减法的合理性；郑颖人、赵尚毅等Morgenstern—Price法等；一类是基于塑性力学上、讨论了强度折减法中边坡失稳的判断标准，并研下限定理的极限分析法；一类是严格满足塑性理究了土坡与岩坡中强度折减法的计算精度及影响论的滑移线场法。因素；迟世春等提出了强度折减法中界定边坡鉴于极限平衡法中一些简化与假设导致其求破坏的坡顶水平位移增量判断标准；杨有成等收稿日期：2012433438修回日期：2012433-28作者简介：罗烈日(1988一)，男，湖南邵阳人，硕士研究生，研究方向为岩土工程的数值模拟(Email：luo—lr@qqtmm)通讯作者：郑俊杰(1967一)，男，湖北武汉人，教授，博士，研究方向为岩土与隧道【程的数值模拟(Email：zhen~j@hust．edu，Cl2)基金项目：¨1p省交通建议科技项目(11—2-17) ·52·土木工程与管理学报Mohr．Coulomb准则，则影响路堤稳定性的抗剪强度参数主要是黏聚力c和内摩擦角，以此对路堤进行参数分析。2．2．1填土黏聚力的影响采用控制变量法，计算填土黏聚力C分别为2kPa，6kPa，10kPa，14kPa和18kPa五种工况下．2O15—10—505／m边坡的安全系数F，计算结果见表2。图5填土内摩擦角对滑动面位置的影响表2填土黏聚力与安全系数的关系c／kPa26101418F】．1081．42】1．6751．8992．1143降雨对强度参数的折减研究从表2中可以看出，黏聚力每增加4kPa，安Lee认为边坡失稳主要有三个方面的原全系数分别增加0．313，0．254，0．224和0．215。因：降雨、边坡坡度以及填料性质。该试验段雨水因此，边坡安全系数随着填土黏聚力的增大而增较为充足，在路堤填筑过程中曾因连续阴雨而暂加，但是增加的幅度逐渐变小。图4描述了黏聚停施工，雨后边坡浅层出现大量裂缝，因此有必要力对边坡滑动面位置的影响，其中坡脚坐标为对降雨条件下边坡的稳定性进行研究。(～16．5，0)，坡顶坐标为(一4．5，8)。一般认为，降雨入渗引起基质吸力的减小或丧失是诱发边坡稳定性降低的主要原因”’。鉴于考虑基质吸力的非饱和土强度理论并不完善以及在数值软件中考虑基质吸力的难度，仍以Mohr．Coulomb准则作为理论基础，通过考虑雨水对填土抗剪强度参数C、的折减来分析降雨对路图4填土黏聚力对滑动面位置的影响堤稳定性的影响，并研究不同抗剪强度参数折减模式下路堤稳定性的变化规律。从图4可以看出，随着黏聚力的增大，边坡滑在数值分析的过程中，将路堤填土分为两个动面逐渐由浅层向深层变化，滑动面越来越平缓，区域：一个是人渗区，另一个是非入渗区。在非人滑动土体的体积也逐渐增大。并且当黏聚力较小渗区，由于填土强度参数未受到雨水的影响，采用时，黏聚力的变化对边坡滑动面位置的影响更明原有C、值；在降雨入渗区，考虑到雨水对强度参显；而当黏聚力增大到某一值之后，其变化对滑动数的折减，采用折减后的强度参数C、。将面位置的影响减弱。和k分别定义为黏聚力和内摩擦角的降雨入渗2．2．2填土内摩擦角的影响折减因子，入渗折减因子越小则对其折减程度越改变填土内摩擦角值，计算分别为l0。，大，并设：20。，30。，40。以及50。五种工况下路堤边坡的安全C=·C(0≤k≤1)(3)系数，计算结果见表3。=·。(0≤k。≤1)(4)比较表2和表3可知，填土内摩擦角对安全所谓考虑不同折减模式下路堤的稳定性，即系数的影响与其黏聚力对安全系数的影响类似：考虑黏聚力入渗折减因子与内摩擦角人渗折安全系数随着内摩擦角的增大而增加，但是增加减因子。在不同函数关系．厂条件下，边坡安全系的幅度逐渐降低，由0．401降为0．361。数的变化规律，即：表3填土内摩擦角对安全系数的影响，)=0(5)：仍以上述工程为例，路堤两侧边坡均设置降F0．9031．3041．6752．0462．407雨入渗区，其深度为2．0ml1J，且雨水浸润线平从图5可以看出，内摩擦角对边坡滑动面位行于路堤边坡线。根据k和k。的取值范围，假置的影响小于黏聚力对滑动面位置的影响。且随设不同的函数厂对抗剪强度参数进行折减。着内摩擦角的增大，边坡滑动面由深层逐渐发展3．1等效折减模式为浅层，滑动面越来越陡，滑动土体的体积逐渐减等效折减模式，即降雨入渗对填土黏聚力与小，这与黏聚力的影响规律相反。内摩擦角折减程度相同，则．厂的表达式为： 第4期罗烈日等：不同模式下抗剪强度参数对路堤稳定性的影响‘53·=(0≤=≤1)(6)边坡原有安全系数为1．675，计算分别为0．9，0．8，0．7，0．6，0．5和0．4六种情况下边坡的安全系数。从表4可以看出，当降为0．9时，安全系数减小了0．02；当c降低至0．4时，安全系数仅为原来的1／2。因此，尽管相对于整个路堤而言，降雨人渗区体积较小，但是其抗剪强度参图7黏聚力主折减模式下滑动面的变化规律数的折减对安全系数影响较为明显：安全系数随表达式为：着入渗折减因子的减小而降低，并且折减程度越=(0≤0．7)时，路堤边坡为深层滑动破坏；当抗剪强度参数折减程度较大(，≤0．7)时，路堤边坡滑动破坏变为浅层，发生在降雨入渗区，这与Ng¨试验得出的结论相符，佐证了数值分析的合理性。3．2黏聚力主折减模式图8内摩擦角主折减模式下滑动面的变化规律黏聚力主折减模式，定义为降雨入渗条件下，图9描述了三种折减模式下边坡安全系数随雨水对黏聚力的折减程度大于对内摩擦角的折黏聚力入渗折减因子的变化规律。当确定减，即<，设／为二次函数，其表达式为：时，三种模式下安全系数的大小关系为：内摩擦角=：(0≤<≤1)(7)主折减模式<等效折减模式<黏聚力主折减模表5描述了在黏聚力主折减模式下，边坡安式。比较图9中三条直线的近似斜率可知，黏聚全系数随入渗折减因子的变化规律。从表中可以力主折减模式的近似斜率最大，内摩擦角主折减看出，安全系数随入渗折减因子，的减小而降模式的近似斜率最小。结合表4～表6可以看低，并且降低的程度越来越明显，由0．01增大至出，抗剪强度参数折减程度越大，边坡安全系数降0．654。黏聚力主折减模式下，路堤边坡滑动面的低的程度越明显。变化规律见图7。表5黏聚力主折减模式下安全系数的变化规律k，0．90．80．70．60．50．4F1．6651．6461．5581．3821．2061．0213．3内摩擦角主折减模式内摩擦角主折减模式，定义为降雨人渗条件下，雨水对填土内摩擦角的折减程度大于对黏聚图9不同折减模式下安全系数的变化规律力的折减程度，即。<，仍设／为二次函数，其 ·54·土木工程管理学报2012年讨[J]．岩土力学，2005，26(2)：332335．4结论郑颖人，赵尚毅．有限死强度折减法在土坡和岩坡中的应用[J]．岩石力学与【：程学报，2004，23(9)：3381—3388．基于Mohr—Coulomb准则，本文分析了填土抗迟世春，关立军．基于强度折减的拉格朗日差分方剪强度参数对路堤边坡安全系数及滑动面的影法分析土坡稳定性[J]．岩_十丁程学报，2004，26响，并提出了黏聚力和内摩擦角的三种不同折减(1)：42_46．模式以分析一定人渗深度条件下路堤稳定性，得杨有成，李群，陈新泽．对强度折减法若干问题到了如下结论：的讨论[J]．岩土力学，2008，29(4)：1103—1106．(1)填土黏聚力和内摩擦角对安全系数的影BishopAW．Theuseoftheslipcircleinthestability响类似：安全系数随着抗剪强度参数的增大而增analysisofslopes[J]．Geoteehnique，1999，5(1)：7—加，但是增加的幅度逐渐降低。17．ZienkiewiczOC．HumphesonC．LewisRW(2)随着黏聚力的增加，边坡滑动破坏由浅．Associ—atedandnon—associatedvisco—plasticityandplasticity层变为深层，滑面越来越平缓；内摩擦角对滑动面insoilmechanics[J]．Geotechnique，1975，25(4)：位置的影响规律与之相反。且相对内摩擦角而671—689言，黏聚力对滑动面位置的影响更明显。[10]DuncanJM．Stateoftheart：limitequilibriumandfi—(3)一定降雨入渗深度条件下，对抗剪强度nite—elementanalysisofslopes[J]．Journalo1参rl数的折减rl会使边坡rL破坏由rL深层变为rL浅层，在雨GeotechniqueEngineering，1996，122(7)：577—596．]J]J]J1引J]J水人渗区出现滑动破坏，这与实际情况相符；同[I1]孙书伟，林杭，任连伟．FLAC3D在岩上】：程rfJ时，安全系数随着入渗折减因子的减小而降低，且的应用[M]．北京：中国水利水电出版礼，2011．降低的程度越来越明显。[12]LeeML，KassimA，GofarN．PerfornmnceottwoiJ1一strmnentedlaboratorymodelsforthestudyofraint~dl参考文献infiltrationintounsaturatedsoils[J]．EngineeringGc—ology，2011，117：78—89．李彦民．昔格达填土土T格栅高路堤的稳定性研究[D]．成都：西南交通大学，2008．[13]吴宏伟，陈守义，庞宇威．雨水入渗对非饱和坡[2]刘华丽，朱大勇，刘德富，等．边坡安全系数的多稳定性影响的参数研究[J]．岩土力学，1999，20解性讨论[J]．岩土力学，2007，28(8)：1661一(1)：1—14．l664．[14]FourieAB，RowerD．BlightGE．Theeffeeto1infil—[3]DawsonEM，RothWH，DreseherA．Slopestabilitytrationonthestabilityofadryashdump[J]．Geote—analysisbystrengthreduction[J]．Geotechnique，chique，1999，49(1)：1—13．1999，49(6)：835—840．[15]NgCWW，ZhanLT．Performanceofanunsaturated[4]赵尚毅，郑颖人，张玉芳．极限分析有限元法讲expansivesoilslopesubjectedtoartifieialrainfallinfil—座——II有限元强度折减法中边坡失稳的判据探tration[J]．Geotechnique，2003，53(2)：143—157．(上接第49页)[11]陈建峰，李辉利，柳军修，等．土工格栅与砂土的[12]史旦达，周健，刘文白，等．砂土单调剪切特性细观界皿特性研究[J]．岩土力学，2011，32(s1)的非圆颗粒模拟[J]．岩土工程学报，2008，3066—71．(9)：1361—1366．