《饱和粉土地区边坡降水稳定性分析》

在饱和粉土地区，边坡的稳定性受降水影响显著。饱和粉土具有特殊的工程性质，其颗粒细小，孔隙比相对较大。降水时，水分渗入土体，一方面会增加土体的重量，使边坡承受更大的竖向荷载。另一方面，水的渗入会改变粉土的物理状态，降低土颗粒间的有效应力。随着孔隙水压力的增大，土体的抗剪强度降低。这就可能导致边坡土体内部的应力平衡被打破，原本稳定的边坡产生变形甚至发生滑动。对饱和粉土地区边坡降水稳定性的分析，需要综合考虑粉土的渗透性、地下水位变化、降水强度与持续时间等多种因素，从而为边坡的合理设计与防护提供依据。

【摘要】本文通过FLAC程序结合强度折减法对边坡在水土耦合作用下的稳定性演化进行了水土耦合分析，对水动力条件改变后饱和粉土边坡的稳定性进行研究。研究表明降水对于边坡的稳定性具有直接提升作用，边坡的整体稳定性提高了约7%。
    【关键词】FLAC 稳定性 降水
   
    一、饱和粉土地区边坡稳定性研究现状
   
    郑州市邙山干渠输水工程部分地段位于饱和粉土，沟槽开挖控制着工程的进度和造价，因此对开挖中渗流与边坡稳定性关系进行研究，是保证顺利开挖的关键。
    关于饱和与非饱和情况下渗流对边坡稳定性研究一直是一个热点和难点。渗流发展始于18世纪中期，线性渗流定律(达西定律)为渗流理论的发展奠定了基础。渗流微分方程适用于求均质渗流介质和简单边界条件的解析解，电拟法为解决比较复杂的渗流问题提供了一个有效的工具，后来逐步发展了电网模拟法。
    直到数值模拟应用到Richards控制方程中以后，使得饱和-非饱和的渗流场获得合理的数值解成为可能，随着有限元技术的发展和逐渐成熟，有限元方法成为求解饱和-非饱和渗流问题的主要方法。
    近年来，由于非饱和土理论的发展，国内外学者越来越注意非饱和土的性质研究和对边坡或滑坡稳定性的影响研究。我国也有不少专家对饱和非饱和渗流做过研究。饱和渗流对边坡的稳定性影响主要体现在如下一些方面：饱和后有效重度降低、渗透形成的动水压力、排水和不排水等方面。
    对于动水压力的考虑，另外一种方法是降土和水的混合体作为研究对象。渗透压力(或动水压力)与土条中的水重和周边静水压力是一对平衡力。以此为基础，在浸润线以下，稳定系数仅与渗透压力 D和土条浮重有关。因此，当用渗透压力表述稳定系数时，对于浸润线以上取天然重量，对浸润线以下取土条浮重和渗透压力即可。这样可把水压力和水重用一个渗透力 D代替，使问题变得简单。
   
    二、饱和土体开挖段地质条件
   
    浅层为粉土层，灰黄色，饱和，稍密状，具有析水性。厚度约为4m。
    下部为夹粉砂粉土层，褐黄色，饱和，稍密，震动析水更为明显，厚度约为6m。
    由于管道施工地段地下水位浅且土质主要属于松散的粉土，工程性质较差，开挖容易出现事故。采用支护施工不经济合理，因此采用降水施工，利用土体的自身强度来维持边坡的稳定性有实际意义。
   
    三、FLAC差分程序在饱和粉土边坡水土耦合分析
   
    FLAC (Fast Lagrangian Analysis of Continua)是由美国Itasca Consulting Group Inc开发的三维显式有限差分法程序，它可以模拟岩土或其他材料的三维力学行为。在FLAC中，可以对地下水的渗流进行模拟。在得到渗流场的条件下，采用水土耦合技术可以得到边坡的稳定性，边坡的稳定性采用强度折减法求得。
    在FLAC中，可以对地下水的渗流进行模拟。在得到渗流场的条件下，采用水土耦合技术可以得到边坡的稳定性，边坡的稳定性采用强度折减法求得。
    根据工程地质条件，建立起数值分析的几何模型，数学模型采用摩尔-库仑模型。 四、降水对边坡稳定性影响分析
   
    降水是保证基础开挖的前提条件，因为在具有渗流条件下的边坡，边坡内地下水动力对边坡的稳定性具有明显的负面作用。由于降水，加大了土体的有效重度，提高了土体的有效强度，但也加大了下滑力。通过对耦合土——水相互作用的边坡稳定性进行分析，为工程实践和优化设计提供理论依据。
    分析过程中，分别设定不同的井水位，计算得到各井水位下的渗流场，以此作为前提对边坡的稳定性进行分析。计算中分别设定降深为0m、2.5m、4.5m、6.5m、8.5m等5个降深。各个降深下的孔隙水压力分布如图2所示。同时可以得到各孔隙水压力分布情况下的边坡的破坏区分布图。
   
    通过计算可以看出：
    (1)降水导致渗流场逐渐远离危险区域，对于边坡的稳定性的提高将会有明显的作用，导致破坏区域的面积逐渐缩小，特别是2.5m与4.5m等几个降深。
    (2)降水对边坡稳定性的影响在初期非常明显，随着水位逐渐降低，地下水位变化对边坡的稳定性影响幅度逐渐减少，到最后基本没有影响。
    从整体稳定性变化来分析降水对边坡的稳定性影响，降水导致边坡的整体稳定性提高了7%。
   
    五、结论
   
    通过研究表明，地下水水动力作用对边坡的具有明显的影响。降水能够明显提高边坡的整体稳定性，特别是降水初期。整体稳定性提高大概约7%。
   
    参考文献：
    [1]张伟.渗流场及其与应力场的耦合分析和工程应用[D].武大博士学位论文，2004，5.
    [2]吴梦喜，高莲士.饱和——非饱和土体非稳定渗流数值分析.水利学报，1999，(12).
    [3]郑颖人，赵尚毅.有限元强度折减法在土坡与岩坡中的应用，岩石力学与工程学报，2004，(10).
    [4]郑颖人，赵尚毅，张鲁渝.用有限元强度折减法进行边坡稳定分析，后勤工程学院学报，2002，(10).
    来源: 《建筑中文网》.

原文网址：http://www.pipcn.com/research/200911/14028.htm