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降雨入渗影响下公路边坡稳定性分析 (1)

·48·北方交通2011

降雨入渗影响下公路边坡稳定性分析

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孙刚志,王永波,齐永华

(1.辽宁省交通科学研究院,沈阳110015;2.大庆油田路桥工程有限责任公司,大庆163458;

3.辽宁省高速公路管理局葫芦岛管理处,葫芦岛125000)

要:降雨是公路边坡失稳最重要的触发原因。基于渗流力学、土力学等理论,考虑降雨对公路边坡稳定性

的影响,采用FLAC3D有限差分软件对自然状态和降雨状态下的公路边坡进行模拟,并对两种情况下的孔隙压力、剪切应变、剪切应力以及安全系数进行对比分析,探讨了公路边坡的安全性问题。

关键词:公路边坡;降雨入渗;稳定性分析;安全系数

+

中图分类号:U416.14

文献标识码:A文章编号:1673-6052(2011)06-0048-03

1前言

随着我国国民经济的快速发展,社会对交通运

公路运输近些年得到了飞速输的需求大幅度增加,

发展,而公路边坡的稳定性直接关系到国家财产和因此公路边坡稳定性一直是人民生命的安全问题,

各国重点研究的工程问题。降雨作为公路边坡失稳

活动最重要的触发因素,长久以来被认为是引起边边坡土体中地下坡失稳的主要原因。降雨过程中,

水瞬态运动和水压分布将会严重恶化边坡的稳定状况。本文将降雨入渗作为边坡稳定分析的重要因素,基于饱和-非饱和渗流理论及传统极限平衡方

利用FLAC3D有限差分软件,结合北方某公路边法,

坡算例,对其进行了自然状态和降雨条件下稳定性分析的数值模拟,对比分析两种情况下的边坡稳定性,得出相应情况下的边坡安全系数,为边坡的稳定性分析和滑坡预测提供工程依据。2

降雨入渗对边坡稳定性的影响机理2.1饱和-非饱和土降雨入渗模型

描述饱和-非饱和公路边坡土壤降雨入渗的

[6]

Darcy-Richards方程[5]为:

θθθK(θ)=D(θ)+D(θ)-sinαtxxzzxK(θ)-cosα(1)

z

式中:D(θ)—扩散率;θ—体积含水率;k(θ)—渗透系数;α—边坡的倾角。2.2

屈服准则

边坡降雨入渗,导致边坡非饱和区基质吸力降

低,依据非饱和土引申的Mohr-Coulomb抗剪强度

准则,土体抗剪强度也随之降低,进而导致边坡稳定性的降低。

基质吸力产生的抗剪强度包括非饱和土体的粘聚力,表示为:C=C'+(ua-uw)tanφb(2)

由此可以理解,旱季由于负孔隙水压力(或基质吸力)造成稳定性系数的提高。夏天持续降雨,雨水入渗边坡导致边坡土体基质吸力降低,粘聚力

边坡的稳定性系数显著下降。减小,2.3

考虑基质吸力影响的简化Bishop法简化Bishop法假定条间切向力X=0,条间法向

[8]

力E≥0,也就是假定条间力的合力是水平的

得:用图1所示的条块力系,

。采

(3)∑W·Rx-∑N·Rf-∑Sm·R=0

式中:Rx—条块中线至转动中心或力矩中心的水平距离;

R—圆弧滑动面的半径或任意形状滑动面上的抗剪力Sm的力矩的臂;

Rf—法向力N的作用线至转动中心或力矩中心的垂直距离。

将条块底面的法向力N、条块底面的切向力T代入公式(3),最后得到稳定性系数计算公式为:

tanφb

N-uwβtanφ'}∑{C'β+[

tanφ'

Fs=

∑Wsinα

式中:C'—有效粘聚力;

β—条块底面的斜向长度;

uw—边坡失稳时破坏面上的孔隙水压力;φ'—与净法向应力状态变量有关的内摩擦角;

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