降雨条件下膨胀土路堤边坡稳定性分析

1 概述
　　边坡稳定性分析一直是土力学中的一个重要研究课题，从本世纪20年代土力学诞生以来，在工程实践的不断推动下，出现了许多新的边坡稳定性分析方法，同时己有的各种方法也在不断地改进和完善。目前常用的有极限平衡法、塑性极限分析法、工程地质法和有限元法等。
　　膨胀土是一种典型的非饱和土，由于其不良的工程特性，修筑在典型膨胀土分布区的公路澎胀土路基常常是“逢堑必滑，有堤必坍”。而且这种破坏作用往往具有多次反复性和长期潜在危害性，对膨胀土地区的公路工程造成极大的经济损失和不良影响。因此对膨胀土边坡进行稳定性分析，在理论上和实践上都具有很重要的意义
　　2边坡侧向位移非饱和土理论
　　非饱和土中，由于负孔隙水压力的存在，加大了土体的抗剪强度。自从Haine和Terzaghi研究非饱和土的抗剪强度以来，许多学者提出了不同的非饱和土抗剪强度理论，其中Fredlund的线性非饱和土剪切强度被岩土界广泛接受，即：
　　 （1）
　　式中为与基质吸力有关的非饱和土内摩擦角，表示非饱和土由于基质吸力产生的附加摩擦强度，简称为吸附强度。由于吸附强度与外力无关，进行常规直剪试验时，它表现为与一般粘聚力相似的性质，因此又称之为表观粘聚力。但当土的含水量发生变化时，基质吸力随之变化，因而吸附强度是不稳定的，它随着含水量的增加而降低，直至接近饱和时完全消失，此时土中的粘聚力称为真粘聚力。
　　根据非饱和土抗剪强度理论公式，可按传统的极限平衡法对非饱和土边坡的稳定性进行分析，其中式（1）可考虑非饱和土抗剪强度随含水量的增加而降低，但需要测量基质吸力。目前基质吸力量测的技术要求较高，而且需要专门的技术人员操作，因此公式（1）未能大量应用于工程实践。因此，需要通过常规的直剪试验得到不同含水量时的粘聚力，则可应用传统的饱和土强度理论进行非饱和土边坡的稳定性分析。
　　根据湿度应力场理论计算膨胀土路堤分别在三种工况(重力、重力加湿度荷载、湿度荷载)作用下的路堤边坡坡面侧向位移(其中正值表示边坡向外侧膨胀，负值表示边坡向内侧收缩)，湿度荷载引起的坡面位移是重力、重力加湿度荷载两种工况作用下的坡面位移差。由于边坡湿度变化区域内有较大的竖向膨胀变形产生，使得路堤顶部一定范围内出现了边坡内缩的现象，最大膨胀变形均发生在距离坡底l m处。通过研究粘土包边试验路段的处治路堤与全填膨胀土路堤的坡面侧向位移可知处治路堤坡面的侧向位移均向外侧，最大值为3.8cm，发生在距离坡顶5m处；全填膨胀土路堤的坡面在上部3 m范围内有向内侧的位移，坡顶发生最大的内缩4.2cm，最大膨胀变形为2.5cm，发生在距离坡顶6.5m处。
　　3 考虑降水入渗的膨胀土路堤边坡稳定性
　　根据Mohr-Coulomb强度准则判断边坡土体可能出现的剪切破坏区。为简化起见，对土体单元在最大剪应力平面的受力状态进行极限平衡分析，并以此作为判定土体达到极限平衡状态的依据。由土力学可知土体中某点在最大剪应力平面的法向应力和剪应力，分别为：
　　和
　　其中和，分别为第一和第三主应力。最大剪应力平面的抗剪强度为：根据与抗剪强度的比较可判断该点所处的状态：
　　(在破坏线以下) 安全(或称弹性平衡)
　　(在破坏线上) 临界状态(或称极限平衡)
　　(在破坏线上方) 破坏(或称塑性破坏)
　　借鉴极限平衡法对边坡稳定性系数的定义，若定义，则可根据k值判断该点是否己进入塑性破坏区：
　　 k>1(在破坏线以下) 安全(或称弹性平衡)
　　 k=1(在破坏线上) 临界状态(或称极限平衡)
　　 k<1(在破坏线上方) 破坏(或称塑性破坏)
通过渗流分析获得边坡中体积含水量的分布，根据不同体积含水量时膨胀土的粘聚力、内摩擦角以及增湿变形分析得到的路堤应力、变形结果分析边坡的稳定性并可用k的等值线反映边坡安全程度的分布情况。膨胀土的粘聚力和内摩擦角都随含水量的增加而降低，但内摩擦角随含水量的增加降低得很小，因此可取常值。
　　

图1 膨胀土路堤粘土包边边坡k的分布

图2 膨胀土路堤全填膨胀土边坡k的分布

　　根据包边膨胀土路堤与全填膨胀土路堤边坡中k的分布如图1和图2。在降雨条件下，各膨胀土路堤中坡脚处的k值均最小，因此坡角是边坡强度最薄弱的地方；同时边坡表层k值较小，且距离坡表越深k值愈大，这从一定程度上解释了膨胀土边坡浅层性。
　　通过对比粘土包边膨胀土路提试验路段的处治路提与相应的全填膨胀土路堤边坡中k的分布（图1和图2）。可见包边处治路堤边坡的安全程度较高，k值都大于1；而全填膨胀土路提边坡的安全程度较小，坡角处的k值有一部分小于1，有可能出现失稳破坏。
　　4 结束语
　　本文在膨胀土路堤渗流分析和不均匀增湿变形分析的基础上，进行膨胀土路堤边坡的稳定性分析，在膨胀土路堤不均匀增湿变形分析的基础上得到各试验路段处治路堤与全填膨胀土路堤边坡表面的侧向位移分布情况。由于全填膨胀土路堤的不均匀增湿现象，使得边坡在路堤顶面l m范围内出现了内缩现象。
　　根据路堤边坡中k的分布情况判定边坡的安全程度。全填膨胀土路提边坡中k的等值线顺坡面分布，且边坡浅层的k值较小，最小值位于坡角处。因此坡角是边坡最危险的地方，在雨水作用下有可能首先产生失稳破坏。粘土包边处治路堤中的k值较大，说明边坡稳定性较强。

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