复杂工况下成层土坡的稳定性研究

王恒亮

(南京市江宁区建设工程质量监督站，江苏 南京 211100)

1 概述

边坡在自然界中大量存在，并且自然界中的土体绝大部分都是成层的。因地震和地下水位的骤然变动引发的边坡稳定问题屡见不鲜，所以对成层土坡在复杂工况下的研究尤为重要。

目前，对于成层土质边坡考虑地震和地下水位的影响的研究较少。栾茂田等[1]考虑用变分解法进行成层土坡稳定性分析，对地震工况下成层土坡的分析方法进行了探讨。黄琳[2]通过对六种土体组合工况下的成层土边坡动力破坏模式进行分析，发现层状土边坡，当黏性土位于上层和中层时，边坡的破坏以“后缘拉裂—中间滑移—前缘圆弧形剪切”的破坏面为主；当黏性土位于下层时,坡顶位置处会出现局部垮塌。付成华[3]对地下水位骤降时，由于骤降产生的渗流使得土体内孔隙水压力增加，土体有效应力降低的现象进行了有限元分析。马吉倩[4]基于饱和—非饱和渗流理论，通过一维、二维成层边坡有限元渗流计算，得到在不同降雨条件下坡积土层厚度对含水率、孔隙水压力沿高程分布的影响规律，以及坡积土层厚度、边坡坡比对二维边坡不同截面的降雨入渗深度的影响。

总的来说，成层土坡研究缺乏复杂工况下系统规律的研究，这使得实际工程中难以借鉴。基于上述情况，开展复杂工况下成层土坡的稳定规律研究十分必要，尤其是针对地震和地下水位骤降情况对成层土坡稳定性的影响。

2 模型的建立及工况设置

计算模型为一两层黏性土坡，如图1所示。上下层土的厚度分别为h1和h2，土体重度分别为18 kN/m3和20 kN/m3，土坡坡角为β，本次模拟设定tanβ=15/29。坡高H=15 m，两层土的强度指标分别为c1=20 kPa，φ1=25°，c2=25 kPa，φ2=30°。为了考虑成层土厚度的不同，取h1/(h1+h2)分别为1/20,3/20,1/4和7/20四种情况。模拟地震工况时，考虑0.05g,0.1g,0.2g和0.3g四种不同的加速度；模拟地下水位骤降时，假定初始地下水位与坡底的距离3 m,5 m,7 m,9 m,11 m和13 m六种工况。

Morgenstern-Price[5]法和Spencer[6]法都属于严格条分法，故计算结果更加符合实际，但Morgenstern-Price法不能计算有地下水作用情况的土坡稳定，而Spencer法为Morgenstern-Price法的特例，且可以计算地下水位骤降情况，同时计算的安全系数与Morgenstern-Price法有可比性。因此，本文对于地震工况采用Morgenstern-Price法，而对地下水位骤降工况采用Spencer法。

3 计算结果与分析

3.1 地震对土坡稳定性的影响

图2是土坡安全系数随地震加速度的变化曲线。从图2中可以看出，无地震时土坡安全性最高，随着地震加速度的增大，土坡安全系数明显下降。通过数据拟合，发现地震加速度与土坡安全系数的关系均满足二次函数关系。上下两层土的厚度不同也会影响边坡的滑动面位置。计算结果显示，随上层土体(差土)所占比例增加，土坡安全系数降低，并且随着地震加速度的增大，滑坡入口逐渐远离坡肩，滑动体体积增大。

3.2 地下水位骤降对土坡稳定性的影响

图3是土坡安全系数随地下水位骤降距离的变化曲线。从图3中可以看出，随着地下水位骤降时的初始位置与土坡底面的距离的增大，土坡安全系数随之减小，但减小的幅度逐渐减小。此外，从图3中还可以看出，上层土(差土)越厚，土坡的安全系数越小。计算结果还显示，当土坡高度大于上层土厚度时，滑动面出口均位于坡脚，这一定程度上是因为受到了下层土的制约，随着上层土厚度的增大，滑动面入口略微向坡肩移动，滑动体体积减小；当土坡高度小于上层土厚度时，此时滑动面出口从坡脚向坡底移动，入口基本保持不变，滑动体体积增大。

4 结语

通过对成层黏性土边坡进行数值模拟，分析了地震和地下水位骤降对成层土坡安全系数和滑动面的影响，得到了如下结论：

1)黏性土坡的安全系数随着地震加速度的增大而减小，两者的关系可用二次函数很好的拟合。土坡滑动面出口均位于坡脚，随着地震加速度的增大，滑动体体积增大。

2)地下水位骤降时的初始位置对边坡稳定性影响较大，初始位置越高，边坡安全系数越小。当上土层厚度小于坡高时，滑动面过坡脚位置；当上土层厚度大于坡高时，滑动面出口从坡脚向坡底移动，入口基本保持不变，滑动体体积增大。