邊坡頂部裂縫對其穩定性的影響研究

(重慶交通大學 土木工程學院 重慶 400074)

引言

在我國基礎建設領域中，邊坡工程總是一個非常重要的因素，滑坡等自然災害已經給人們造成了重大的經濟損失，最為重要的為裂縫的開展，這其中又以坡頂裂縫最為嚴重。在邊坡工程施工的過程中，也會經常看到有一些裂縫的產生。

一、邊坡穩定性分析方法

(一)無粘性土坡的穩定性分析

假定邊坡的土體是黏性的，并且土體是均質的，邊坡土體的內摩擦角為φ，邊坡的坡角為α，在邊坡內部取一單元體進行研究。設單元體質量為W，與滑動面垂直的法向力為N，單元的下滑力為T，則：

T=Wsinα，

Tf=Ntanφ=Wcosαtanφ

所以，無粘性土坡的安全系數K則可定義成抗滑力與滑動力之比，即

K=Tf/T=Wcosαtgφ/Wsinα=tgφ/tgα

通過研究發現，當我們知道安全系數K在數值上等于1.0的時候，內摩擦角φ在數值上與坡角α在數值上相同時，邊坡此時則處于極限平衡狀態，即剛好不會向下滑動，此時的坡角稱作自然休止角[3]。

(二)粘性土坡的穩定性分析

由于粘性土本身的性質，粘性土土顆粒之間與生俱來就存在粘結應力，所以邊坡一旦產生滑動，則整個邊坡土體則一起向下滑動。因此，在考慮邊坡整體穩定性的時候需要考慮邊坡土體之間的粘結應力進行計算。關于粘土邊坡，Fellenius和Taylor對邊坡穩定性的分析提出了兩種分析方法，分別是圓弧滑動整體分析法和條分法進行分析法。土坡圓弧滑動整體分析法適用于φ=0的情況下，即內摩擦角為零，所以土坡圓弧滑動整體分析法適用于簡單均質性邊坡，條分法進行分析適用于φ≠0的非均質粘性土坡或均質粘性土坡[4]。

二、裂縫對土坡穩定性的影響

基于土體與生俱來就存在一定的收縮及張力作用，所以即使天然土體的邊坡的坡頂附近一定會存在一些或多或少的裂縫，邊坡頂部裂縫開展的深度h0可以根據在土體墻頂產生的抗拉力區域高度來計算即：

γ為土的重度；

當我們采用上面的方法來進行邊坡穩定性分析研究時，由于邊坡的滑動力矩是恒定不變的，但當我們研究的邊坡滑動面的弧長會不斷減少，所以邊坡的安全系數也隨之相應的減小。

三、裂縫的數值模擬

(1)將含有裂縫的土體表層和裂縫一起看做一種特殊的土，然后再考慮裂縫的隨機分布。采用初始代表體積來描述，但是目前為止這種方法很難實現。

(2)將邊界定義為裂縫的兩側，已達到數值模擬。這種處理方法是將裂縫的兩側作為整個邊坡邊界的一部分來考慮，將邊界定義為裂縫的兩側，已達到數值模擬，并且去除裂縫中間空隙的部分，最后再將邊界條件引入，就可以達到實現裂縫對邊坡穩定性影響的研究分析。

四、算例分析

本文將采用重慶市某一級粘性土邊坡作為實例，邊坡參數如下：邊坡高度14m、邊坡底部寬度14m、邊坡頂部寬度6m，邊坡的其他力學參數如下：

表1 力學參數表

我們將裂縫的深度作為本次研究的單一變量，采用單一變量法來進行研究分析，我們在邊坡土體最容易開裂的位置處分別設置長度為1.6m，1.7m，1.8m采用折減系數法進行建模分析，從結果中，我們顯而易見，當我們的裂縫長度L=1.6m時，邊坡此時得到的穩定系數為1.24，當裂縫長度為L=1.7m時，此時得到的邊坡的穩定系數為1.04，這時候邊坡需要進行加固防護處理，當裂縫長度為L=1.6m時，此時得到的邊坡的穩定系數已經小于1，此時邊坡已經處于失穩狀態。通過三組數據分析，在邊坡土體最容易開裂的位置處，只要裂縫出現深度大于1.7m時，邊坡就必須進行加固防護處理，否則將可能產生失穩破壞，造成人為傷亡。

五、結語

本文通過對無裂縫粘性土邊坡進行數值模擬和對有裂縫粘性土邊坡進行數值模擬，并且在計算方法是運用了強度折減法和靜力法這兩種方法，最后得到的結論是邊坡頂部裂縫對邊坡的穩定性影響較大，并且會減小邊坡土體在工程運用中的穩定系數，甚至當裂縫深度達到很高的情況下，邊坡土體極有可能因為裂縫的原因而失穩，最終導致邊坡破壞，危及人們的財產安全。