楊安玉

(1.水利部農(nóng)村電氣化研究所，浙江 杭州 310012；2.水利部農(nóng)村水電工程技術(shù)研究中心，浙江 杭州 310012；3.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029)

1 概 述

土是由固體顆粒和液、氣三相組成的松軟集合體。工程研究中常將土簡化由固、液兩種物質(zhì)構(gòu)成，然而實際工程中所遇的情況多是以三相狀態(tài)出現(xiàn)。土力學上將固、液兩相稱之為飽和土力學，與之對應，將土作為固、液、氣三相物質(zhì)進行研究稱之為非飽和土力學。當前飽和土力學已形成了一套完善、獨立的理論體系，通過合理的簡化假設(shè)，也廣泛有效的運用于各類工程研究中。但是，對于某些特殊區(qū)域或特殊性質(zhì)的土，類似的簡化假設(shè)將造成研究理論的失誤，從而危及工程安全。

非飽和土力學的研究始于20世紀30年代，由于非飽和土體的復雜性，使得理論研究進展緩慢。到50年代，由于太沙基的有效應力公式在描述飽和土性狀方面取得的巨大成功，使研究者將建立非飽和土有效應力公式作為目標。1959年，Bishop率先提出了分別考慮孔隙氣體和孔隙水對強度影響的非飽和土的有效應力公式，但是公式不能說明非飽和土在濕化過程中的濕陷現(xiàn)象。此后，Coleman、Bishop、Blight提出了用兩個獨立的應力變量—靜應力和基質(zhì)吸力描述非飽和土的強度和變形。Fredlund和Morgenstem提出了零位試驗，驗證了采用這兩個獨立變量描述非飽和土的強度和變形的正確性。自此，用雙應力變量作為有效應力的研究得到了迅速發(fā)展并應用于多種工程研究。

2 關(guān)于邊坡工程的研究

2.1 邊坡穩(wěn)定分析概述

邊坡抗滑穩(wěn)定分析是土力學研究的重要課題之一。簡化Bishop法是常用的分析方法，該方法是建立在靜力學基礎(chǔ)上的力系平衡理論，計算中所采用的抗剪強度采用飽和土的試驗指標。

簡化Bishop法是圓弧條法的一種，將邊坡滑動面假定為圓弧面，同時將滑動土體豎向分成若干土條，分別求解作用與各土條上的力對圓心的滑動力矩和抗滑力矩，并將滑動面上的抗剪強度與實際產(chǎn)生的剪應力之比定義為邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)，公式為：

(1)

(2)

式中，c為粘聚力；φ為內(nèi)摩擦角；u為滑面上孔隙水壓力；w為單個土體的自重；α為土條至圓心直線與豎向的夾角；b為單個土條的寬度；i為土條的序號。

現(xiàn)實中，邊坡易受雨水或地下水反復作用而處于非飽和狀態(tài)，采用上式分析這種狀況下的邊坡時將存在較大的誤差。針對這種情況，可以考慮將非飽和土的總粘聚力c=c′+(uα-uw)tanφ′和ui=uα代入式(2)，同時對于土坡有uα=0，有式：

(3)

式中，R為圓弧半徑；uw為孔隙水壓力；l為土條的長度；Q為單個土條中水重。

2.2 算例

某均質(zhì)粘土質(zhì)邊坡高25 m，坡度1∶2，土的重度γ=20 kN/m3,內(nèi)摩擦角φ=25°，粘聚力c=10 kPa，假定滑動圓弧半徑R=50 m。假設(shè)當邊坡受降雨影響處于非飽和狀態(tài)時，粘聚力c′=9 kPa，內(nèi)摩擦角φ′=20°，孔隙水壓力u=1 kPa，土的水重度γ′=2 kN/m3。

采用簡化Bishop法求解此邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs(見圖1)，將滑動土體分為寬5 m的土條，共12塊。

圖1邊坡穩(wěn)定計算示意

(1)基于飽和土力學理論進行穩(wěn)定計算(見表1)。

表1 邊坡穩(wěn)定計算(不考慮孔隙水壓)

第三次假定Fs=1.07，求得：

(4)

故求得穩(wěn)定安全系數(shù)Fs=1.34。

(2)基于非飽和土力學理論進行穩(wěn)定計算(見表2)。

表2 邊坡穩(wěn)定計算(考慮孔隙水壓)

第四次假定Fs=1.07，求得：

(5)

故求得穩(wěn)定安全系數(shù)Fs=0.94。

根據(jù)對比計算結(jié)果可知，將邊坡視作非飽和土狀態(tài)考慮孔隙水壓力時，求解安全系數(shù)更低，即相較于飽和土力學理論計算結(jié)果，實際情況是邊坡處于更危險狀態(tài)。

3 結(jié) 語

對于明顯處于非飽和狀態(tài)的土質(zhì)邊坡工程進行穩(wěn)定分析時，應采用非飽和土指標進行計算；且今后當獲取非飽和土指標更為簡捷準確時，對于任意狀態(tài)下的邊坡工程都應當采用非飽和土指標進行分析。