不同因素下成层土坡的滑裂面位置研究

不同因素下成层土坡的滑裂面位置研究

翟王颖

翟王颖

（东南大学土木工程学院，南京，210096）

【摘要】土坡的滑裂面位置对于土坡的加固设计至关重要，而目前关于成层土坡的滑裂面位置的研究很少。考虑不同的土体强度参数和土坡的几何参数，采用Geo-slope软件对31个不同工况的成层土坡的稳定性进行了分析，发现成层土坡的破坏型式与上下层土体的强度大小直接相关，当上层土体强度达到一定值后，滑裂面入口与坡肩的距离会突然减小；滑裂面入口与坡肩的距离随坡高的增大而先减小再增大，随着坡角的增大变化趋势大致是先增大后减小，然后再增大。上述结论可为土坡加固提供参考。

【关键词】边坡；稳定性；滑裂面；成层土

前言

我国是一个多山的国家，边坡分布广泛，滑坡灾害频发。因此，土坡稳定性一直是岩土工程研究的重点问题。对于均质土坡中，安全系数和滑裂面位置随有关影响因素的变化规律研究较多。卢坤林等[1]采用临界滑动场理论[2]对不同土体强度参数和土坡几何参数对边坡滑裂面位置的影响进行了分析。裴广龙等[3]通过理论分析和Geo-slope软件分析相结合，研究了均质边坡在地震作用下，不同几何参数和强度参数对滑裂面位置和安全系数的影响。郑涛等[4]则将Sigma/W模块的计算结果引入Slope/W模块进行分析，证明了将极限平衡法和有限元法结合起来的方法对均质和成层土坡有较好的适用性。王玲[5]基于某土质边坡对比分析了Geo-slope、理正及Z-Soil软件在边坡稳定性计算方面的差异。代杰[6]和史俊涛[7]都采用强度折减法研究了土坡的稳定性规律。郑颖人等[8]提出了有限元强度折减动力分析法。

对于成层土坡的稳定性，现阶段的研究尚不如均质土坡稳定性研究那么全面和深入，更多的是具体工程案例的验算和比较。王宇辉[9]探讨了强度折减法在分析复杂多层边坡和加固后土坡稳定性的适用性。王俊杰等人[10]将强度折减法应用于了成层土坡稳定性研究中。

综上分析可以发现，目前关于成层土坡滑裂面位置的研究很少，其规律分析总结成果基本没有，而滑裂面的位置对于土坡加固方法的选择及设计极为重要。因此，本文采用Geo-slope软件中的SLOPE/W模块对均质土坡和成层土坡进行分析，归纳总结出土坡滑裂面位置变化的一般规律，为土坡加固提供参考。

1．模型的建立

采用Geo-slope软件中的SLOPE/W模块进行建模，选择Morgenstern-Price法进行分析，滑裂面搜索采取软件自动搜索法，不考虑地震力和地下水的影响。图1为标准双层土坡模型，其中坡高15m，坡角45°，第一层土体厚3.75m，土体强度参数为：c=10kPa，φ=20°，γ=18kN/m3；第二层土体厚11.25m，土体强度参数为：c=20kPa，φ=25°，γ=20kN/m3。建模时，不论土体参数和土坡几何尺寸如何变化，保持模型水平方向长155m和坡脚以下深40m不变。

图1标准双层土坡模型（单位：m）

Fig.1Doubleslopemodel(unit:m)

2．计算结果与分析

2.1强度参数对边坡滑裂面位置的影响

设定下层土体强度参数不变，改变上层土体强度参数（强度参数由小逐渐增大，具体如表1所示），建立10个工况模型，得到如表1所示的土坡安全系数和滑裂面位置。

图2为土坡滑裂面位置示意图。从图2中可以发现，当上层土体强度明显小于下层土体时，土坡出现坡面破坏，此时滑出面位于两层土交界面处，滑裂面未延伸到第二层土中，这是由于上层土体的强度太小，对于此类工况仅需要考虑上层土体的坡面加固；随着上层土体强度的增大，土坡破坏型式变为坡脚破坏，滑裂面穿过了下层土体，但未穿越坡底所在平面，故对于此类工况，加固时仅需要考虑坡面和坡脚加固。当上层土体达到一定强度之后（c=15kPa，φ=20°），滑裂面位置突然向坡肩靠近（表1中的工况6~10，滑裂面入口与坡肩距离在1m以内），滑动体体积变小。此时若采用土钉或锚杆加固，则需要注意打入的深度，相较而言此时采用锚杆或土钉加固所需的长度较短。

表1不同土体强度下土坡破坏特性汇总表

Table1thesummaryofslopefailurecharacteristicsunderdifferentsoilstrength

图2上层土体强度变化对滑裂面影响示意图（单位：m）

Fig.2Theinfluenceofuppersoilstrengthontheslidingsurface(unit:m)

2.2几何参数对土坡稳定性的影响

分别考虑坡角和坡高对土坡滑裂面位置的影响。

（1）坡角对土坡滑裂面位置的影响

设定各层土的厚度、坡高、土体强度参数不变，坡角分别取10°~80°，每5°一变化，建立15个工况模型进行计算分析，得到如表2所示的土坡安全系数和滑裂面位置。

图3为土坡滑裂面位置示意图。从图3和表2中可以发现，随着坡角的增大，土坡的破坏模式由坡底破坏转变为坡脚破坏，只有当坡角很小时（10°和15°）才会出现坡底破坏，土坡的稳定性随坡角增大而减小。当坡角在10°~40°范围内时，滑裂面入口与坡肩距离的变化趋势大致是随坡角的增大而增大，这意味着滑裂面逐渐向土体内部移动；当坡角等于45°时，滑裂面入口与坡肩距离产生突然减小，然后再随着坡角的增大而增大。

当坡角大于40°时，滑裂面位于坡脚水平面之上，而未穿越坡底所在水平面，此时仅需要进行坡面加固；当坡角介于15°~40°之间时，滑裂面穿越坡底所在水平面，此时可选择坡面或坡脚加固；当坡角小于15°时，土坡发生坡底破坏，此时加固的区域还可以选择坡底加固。

表2不同坡角下土坡破坏特性汇总表

Table2thesummaryofslopefailurecharacteristicsunderdifferentslopeangle

图4为土坡滑裂面位置示意图。从图4和表3中可以看出，随着坡高的增大，土坡稳定安全系数逐渐减小，而土坡破坏模式均为坡脚破坏，滑裂面入口与坡肩距离随坡高的增大先减小再增大，即滑裂面先向坡面方向移动，再向土坡内移动。值得注意的是，当坡高为15m时，滑裂面入口与坡肩距离出现了一个极小值。

图4坡高对滑裂面的影响示意图

Fig.4Theinfluenceofslopeheightontheslidingsurface(unit:m)

3、结论

考虑不同的土体强度参数和土坡几何参数，通过对31个不同工况的成层土坡进行稳定性分析，获得如下结论。

（1）成层土坡的破坏型式与上下层土体的强度大小直接相关，若上层土体强度很低，则滑裂面可能只局限于上层土中；当上层土体强度接近或大于下层土体时，土坡会发生坡脚破坏，但需注意的是当上层土体强度达到一定值后，滑裂面与坡肩的距离会减小，这直接与所需的加固深度相关。

（2）随着坡角的增大，土坡的滑裂面入口与坡肩距离的变化趋势大致是先增大后突然减小，然后增大。

（3）随着坡高的增大，土坡的滑裂面入口与坡肩的距离先减小再增大，即滑裂面先向坡面方向移动，再向土坡内移动。

参考文献：

[1]卢坤林,朱大勇,闫艳等.对均质土坡滑裂面位置变化规律的定性分析[J].水电能源科学,2010,28(6)

[2]朱大勇.边坡临界滑动场及其数值模拟[J].岩土工程学报,1997,19(1):63-69.

[3]裴广龙,王宏权,林赉谛等.不同参数对地震边坡稳定性的影响研究[J].低温建筑技术,2014,36(10):98-100.

[4]郑涛,张玉灯,毛新生.基于Geo-Slope软件的土质边坡稳定性分析[J].水利与建筑工程学报,2008,6(1):6-8.

[5]王玲.基于GEO-SLOPE软件对某土质边坡稳定性分析[J].山西建筑,2011,37(16):72-73.

[6]代杰.基于位移信息的均质土坡稳定性分析[D].西南交通大学,2013.

[7]史俊涛,任琪,黄春晖.基于多因素正交试验的土坡参数敏感度分析[J].贵州师范大学学报：自然科学版,2013,31(4):85-88.

[8]郑颖人，叶海林，黄润秋，等.边坡地震稳定性分析探讨[J].地震工程与工程振动，2010，30（2）：173-180.

[9]王宇辉,查珑珑.强度折减法分析非均质土坡稳定的适用性[J].低温建筑技术,2014,36(1):120-122.

[10]王俊杰,马伟,张慧萍.基于强度折减有限元的非均质土坡失稳判据分析[J].河南理工大学学报：自然科学版,2013,32(1):89-92.