（道路与铁道工程专业论文）松散堆积体沿河路基稳定性研究.pdf

摘要 随着我国公路事业的发展，山区交通状况得到了很大的改善，但山区、丘陵 地带由于地形所限，公路选线多沿江、河布线，出现了大量的沿河路基。由于沿 河路基所处的特殊环境，使得沿河路基的变形和失稳破坏频繁发生。沿河路基稳 定性分析与普通路基有显著差别，本文依托交通部基础研究项目“山区公路沿河 路基动态失稳机理与防治技术 ( 编号：2 0 0 5 3 1 9 7 4 0 0 9 0 ) ，在总结前人研究成果的 基础上，重点从以下几方面对松散堆积体沿河路基的稳定性进行了研究： 1 、从地质因素和非地质因素两个方面全面分析了影响沿河路基稳定性的主要 因素。从沿河路基所处的特殊环境出发，较深入地分析了河水和地下水作用下松 散堆积体沿河路基的失稳机理，并提出了沿河路基的四种失稳破坏模式，即整体 滑移、坍塌和崩塌，以及支挡结构物破坏。 2 、推导了考虑渗流力的瑞典条分法计算公式和简化b i s h o p 条分法计算公式， 作为松散堆积体沿河路基稳定性评价方法。从局部稳定和整体稳定两个方面分析 了沿河路基防护结构物及路基整体的稳定。对沿河挡墙路基的整体稳定性验算， 用理论分析和f l a c 数值分析两种方法相结合，二者计算结果一致。 3 、用f l a c 程序分析了河水动态变化对路基稳定性的影响效应，认为河水下 降过程中，岸坡稳定安全系数随河水位的下降先减小后增大，最危险水位出现在 h w h = 1 5 - - - 3 1 0 ，可以为工程中合理设计沿河路基防护结构提供参考。由于河水 作用，岩土体抗剪强度c 、9 值的降低对路基稳定性也是不利的。结合模型试验， 研究了河水位动态对路基内应力的影响，研究得出，水位上升阶段，总应力和孔 隙水应力的总体变化趋势是增大的，但是总应力增大的幅度要小，因而有效应力 的总体变化趋势是减小的；水位下降阶段，总应力也略有减小，但由于孔隙水应 力的大幅度减小，使得填土内有效应力总体上是增大变化的。 4 、采用f l a c 数值模拟方法计算路肩挡墙主动土压力，与传统的土压力计算 方法相比，有很大的优越性，得出了一些新的、传统方法没有办法获得的认识。 进而研究了超载对主动土压力的影响，得出：主动土压力随着荷载值的增大而增 大，主动土压力的分布和荷载作用点的位置有关，当距离楔体破坏点距离越近时， 对土压力的影响越大；土压力分布是和荷载作用范围是有关的。 5 、对车辆荷载下沿河路基挡墙所受的土压力大小和分布进行了较为深入的研 究，用f l a c 数值模拟计算设计标准车辆荷载下的主动土压力，并与前人研究成 果进行对比分析，得出由于车辆荷载的作用，使得路肩挡墙所受的主动土压力比 车辆荷载作用前增幅大于1 0 。 关键词：松散堆积体沿河路基；稳定性分析；f l a c 数值模拟；河水动态；超载 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r y sh i g h w a y ，t r a f f i ci nm o u n t a i n o u sa r e a sh a s b e e ni m p r o v e dg r e a t l y m a n yo fh i g h w a y sw e r ed e s i g n e da l o n gr i v e r sb e c a u s eo ft h e r e s t r i c t i o no fl a n d f o r mi nm o u n t a i n o u sa r e a s b e c a u s eo ft h es p e c i f i ce n v i r o n m e n to f r i v e r s i d er o a d b e d ，d i s t o r t i o na n di n s t a b i l i t yf a i l u r eo fr i v e r s i d er o a d b e do f t e nh a p p e n e d t h es t a b i l i t ya n a l y s i so fr i v e r s i d er o a d b e di sr e m a r k a b l yd i f f e r e n tf r o mt h a to fg e n e r a l r o a d b e d t h e p a p e r i s s u p p o r t e db y b a s i sr e s e a r c hp r o j e c to fm i n i s t r yo f c o m m u n i c a t i o n s ，w h i c hi sd y n a m i ci n s t a b i l i t ym e c h a n i s ma n dp r o t e c t i o nt e c h n i q u eo f r i v e r s i d er o a d b e di nm o u n t a i n o u sa r e a s ( n o 2 0 0 5 319 7 4 0 0 9 0 1 b a s e do nf o r m e rw o r k , s t a b i l i t yf o rr i v e r s i d er o a d b e do fi n c o m p a c td e p o s i tw a ss t u d i e df r o mt h ef o l l o w i n g a s p e c t s ： 1 a n a l y z e dt h em a i ni n f l u e n c ef a c t o r sf o rs t a b i l i t yo fr i v e r s i d er o a d b e df r o mt w o a s p e c t s o fg e o l o g i cf a c t o r sa n dn o n - g e o l o g i cf a c t o r s f o rt h e s p e c i f i cg e o l o g i c e n v i r o n m e n t , t w om a i nf a c t o r st h a tw e r es c o u ro fr i v e rw a t e ra n dg r o u n d w a t e re f f e c t w e r ed e e p l ya n a l y z e d f o u ri n s t a b i l i t yf o r m so fr i v e r s i d er o a d b e dw e r es t u d i e d ，w h i c h w e r eo v e r a l ls l i d i n g ，f a l l s l u m p s ，c o l l a p s e ，a n df a i l u r eo fr e t a i n i n gs t r u c t u r e 2 s w e d e ns l i c em e t h o da n db i s h o ps l i c em e t h o dc o n s i d e r i n gs e e p a g ef l o ww e r e d e d u c e d ，a ss t a b i l i t ye v a l u a t i o nm e t h o d so fs o i lr i v e r s i d er o a d b e d f o rt h er i v e r s i d e r o a d b e d 、耐n lr e t a i n i n gs t r u c t u r e 1 0 c a la n do v e r a l ls t a b i l i t yc a l c u l a t i o nw a sa n a l y z e d f o rt h eo v e r a l ls t a b i l i t yc a l c u l a t i o n ，t h r e ec o n d i t i o n sw e r ea n a l y z e da c c o r d i n gt ot h e r e l a t i o no fg r o u n db a s ea n g l ea n df a i l u r ef o r m s i tw a ss t u d i e db yt h e o r yr e s e a r c ha n d f l a cs i m u l a t i o n 1 1 l ec a l c u l a t i o nr e s u l t sf o r t h et w om e t h o d sw e r ec o n s i s t e n t 3 i n f l u e n c eo fr i v e rw a t e rf l u c t u a t i o no nr o a d b e ds t a b i l i t yw a ss i m u l a t e db yf l a c t h es t a b i l i t yf a c t o ro fb a n ks l o p ew a sd e c r e a s i n g 、析lt h ef a l l i n go fw a t e rl e v e l b u t w h e nt h ew a t e rf a l l st oac e r t a i nh e i g h t ，s t a b i l i t yf a c t o rw a si n c r e a s i n gw i t ht h ef a l l i n go f w a t e rl e v e l t h e r ew a sam i n i m u mf o rt h es t a b i l i t y , t h a ti sg e n e r a l l yi nh w h = 1 5 3 1 0 t h i sr a n g ew a sa d v i s e dt oc h e c kt h es t a b i l i t yi np r a c t i c e r e d u c t i o no fs h e a rs t r e n g t h ( c 、 q ) o fr o c k - s o i lm a s sm a yb eu n f a v o r a b l ef o rr o a d b e ds t a b i l i t y c o m b i n i n gi n d o o rm o d e l t e s t ，i n f l u e n c eo fw a t e rl e v e lf l u c t u a t i o no ns t r e s so fr o a d b e dw a ss t u d i e d i t sp r o v e d t h a tw h e nw a t e rl e v e lr i s i n g ，t h ew h o l ec h a n g i n gt r e n d so fw a t e rs t r e s sa n dt o t a ls t r e s s w e r eb o t hi n c r e a s i n g ，b u tt h ei n c r e a s i n gv a l u eo ft o t a ls t r e s sw a ss m a l l e rt h a nt h a to f a b s t r a c t w a t e rs t r e s s s ot h ee f f e c t i v es t r e s sw a sd e c r e a s i n g w h e nw a t e rl e v e lf a l l i n g ，t o t a ls t r e s s w a sd e c r e a s i n g ，b u tw a t e rs t r e s sw a sd e c r e a s i n gg r e a t l y s ot h ee f f e c t i v es t r e s sw a s i n c r e a s i n g 4 c a l c u l a t i o no fa c t i v ee a r t hp r e s s u r ea c t i n go nv e r t i c a lr e t a i n i n gw a l lb yab a c k f i l l s u b j e c t e dt os t e a d yw a t e rs e e p a g ei si n v e s t i g a t e du s i n gf l a c n l em e t h o d ，w h i c h o b t a i n e ds o m en e wr e c o g n i t i o nt r a d i t i o n a lm e t h o dc a l l to b t a i n ，h a sg r e a ta d v a n t a g e s c o m p a r i n gw i t ht r a d i t i o n a le a r t hp r e s s u r ec a l c u l a t i o nm e t h o d s c o m p u t a t i o n so fa c t i v e e a r t hp r e s s u r e 、析t l lt h r e es u r c h a r g ec a s e so fd i f f e r e n tv a l u e sa n d o rd i s t r i b u t i o n sa r e p e r f o r m e d t h ec o m p u t i n gr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ea c t i v ee a r t hp r e s s u r ei n c r e a s e d 、析t l l i n c r e a s i n gt h ev a l u eo ft h es u r c h a r g e 1 1 1 ed i s t r i b u t i o no ft h ea c t i v ee a r t hp r e s s u r ei s c h a n g i n gw i mc h a n g i n gt h ea p p l y i n gp o 硫o ft h ec o n c e n t r a t e ds u r c h a r g el o a d w 1 l i l e t h ec o n c e n t r a t e ds u r c h a r g el o a d i n ga p p l y i n ga t n e a rt h er u p t u r ef a c e ，t h ev a l u eo ft h e a c t i v ee a r t hp r e s s u r em a yb et h eg r e a t e s t a n dt h ed i s t r i b u t i o no ft h e a c t i v ee a l t h p r e s s u r ei sc h a n g i n gw i t l lc h a n g i n gt h ea p p l y i n gr a n g eo ft h el o c a lu n i f o r ms u r c h a r g e 5 f i n a l l y , v a l u ea n dd i s t r i b u t i o no fa c t i v ee a r t hp r e s s u r eu n d e rd e s i g ns t a n d a r d v e h i c l el o a d i n gw a sf u r t h e rs t u d i e du s i n gf l a c a n a l y z et h er e s u l t sc o m p a r i n g 、衍t l l f o r m e rs t u d y i ti n d i c a t e dt h a tt h e r ew a so v e r10 i n c r e a s i n gw h e nv e h i c l el o a d i n g a c t e do nt h er o a d b e d k e yw o r d s ：s o i lr i v e r s i d er o a d b e d ；s t a b i l i t ya n a l y s i s ；f l a cn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； f l u c t u a t i o no fw a t e r l e v e l ；s u r c h a r g e 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：歃丽筛 日期：g 年乡月二，日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：掀i 丽娟指导教师签名：多贺荤 日期：劬g 年弓月2 占日日期：啮年a 月世日 蔓二童缝途； 第一章绪论 1 1 问题的提出 随着我国公路交通事业的发展，山区公路交通状况得到了改善，但山区、丘 陵由于地形所限，公路路线多沿江、沿河布线，出现了大量的沿河路基，多处沿 河路基出现破坏失稳灾害。路基是公路建设的基础，路基质量的好坏必然反映到 路面上来，因此路基稳定性必然会影响公路的使用质量、修复难度，及公路后期 维护工程。 沿河路基与其它路基的显著不同点在于河( 库) 水的存在，由于河流多为季节 性河流，受其地质、地形、地貌条件限制，具有水流情况复杂、流速高、汛期冲 刷强的特点，尤其河曲路段汛期冲刷远远高于顺直路段。也就是说河水的存在， 改变了近河侧路基边缘的水动力条件、路基的地下水文条件、路基的渗透条件， 造成了路基遭受河水的冲刷、地下水的渗透与浸泡、路基岩土体中超孔隙水压力 升高等，导致沿河路基的动态变形和失稳破坏频繁发生，影响了公路的正常使用。 据交通部的相关信息，在山区，沿河公路路基由于发生变形失稳破坏，导致 部分路段交通短期和长期中断的公路路基不在少数。由于河水的冲刷淘蚀，沿河 路基不仅容易破坏失稳而且难于维修。山区沿河路基失稳的主要表现是塌陷、崩 塌和滑坡，公路沿河岸坡失稳现象在全国是为普遍，尤以西南地区的四川、重庆、 贵州、云南等地区境内最为发育，此类大小灾害每年都有发生。因此，如果沿河 路基失稳，不仅影响了山区交通事业的发展，而且还会给当地的经济建设事业带 来负面影响。 由此可知，水是危害路基强度和变形的最重要因素，沿河路基在水流冲击、 淘刷、侵蚀及水对路基填土的软化、水位升降等作用，将影响路基的安全，易造 成路基水毁、坡脚掏空、使路基内细粒填料流失而导致路基失稳、边坡坍塌，影 响行车安全甚至中断交通，造成生命财产损失。因此对沿河公路路基的稳定性研 究己经成为山区公路地质灾害研究的重要课题。 本文依托交通部基础研究项目“山区公路沿河路基动态失稳机理与防治技术” u j 开展研究工作。鉴于目前山区公路沿河路基现状不佳，山区公路沿河路基动态失 稳机理与防治技术研究既可以为确定合理的沿河路基防护工程和支挡结构形式与 防护治理方案提供依据，也可以为沿河路基的防护工程和支挡结构的设计方案选 择提供充分的论证依据。同时，鉴于目前我国山区高等级公路的修筑尚属初步阶 段，而本项目要解决的问题是目前山区高等级公路修筑面临的主要问题，因此， 开展本项目的研究，解决沿河路基在多种动态因素作用下的稳定性分析方法，可 以为支挡结构和防护工程的选择和设计提供技术支撑，从而保证公路交通的顺利 运行，具有重大的理论意义和工程指导意义。 1 2 国内外研究现状 在山岭地区，山高谷深，地形复杂，因此修建山区公路非常受限制。目前山 区公路的建设已成为西部公路建设的重点。在山区公路选线中，为了使设计既满 足技术要求，又经济可靠，沿河布设路线( 即沿河线) 是山区选线中优先考虑的 方案。沿河路基的失稳破坏在山区公路建设中十分常见，时有发生，造成的危害 较大，有的几乎是灾难性的，对生态环境的影响十分显著，在近些年来越来越引 起公路界的普遍重视，已经进行了较多的研究。 1 2 1 沿河路基的水毁研究 沿河公路的建设将或多或少地影响河流的地形特征和水文特点，因而河水必 然对路基产生各种各样的影响，如水流冲刷，特别是在洪水期间，沿河公路不仅 受到洪水水流冲刷，更可能遭受洪水引发的诸如滑坡、塌方、泥石流等地质灾害 的作用而发生破坏，即所谓的水毁。目前对沿河路基的稳定性研究，主要集中在 水毁方面的研究。 将水流对路基的冲刷作用作为公路水毁的一方面，公路部门已经进行了较为 深入的研究。高冬光、张义青、田伟平等 2 1 在交通部“八五 行业联合攻关课题中 对沿河路基水毁和防护的水力学、河流动力学机理进行了深入的研究，提出了系 统的防护设计计算方法以及各种冲刷防护工程综合运用的型式。陕西省数百处试 验工程均达到了较好的经济效益和社会效益。 田伟平、李惠萍、高冬光【3 j 在对沿河路基水毁的水力机理和泥沙运动规律进行 理论分析的基础上，对凹岸最大冲刷深度的影响因素，进行了合理划分和适当简 化，采用人工弯道概化模型试验方法进行了不同条件下的冲刷试验。结合野外调 查资料，对试验数据进行回归分析，建立了最大冲刷深度与主要影响因素( 水深、 泥沙粒径、河宽、河弯半径) 的关系式。 田伟平、李惠萍 4 1 针对沿河路基坡脚冲刷的防护问题，运用水力分析和试验观 测的方法，对护坦的防护机理、特点以及防护效果进行了分析研究，指出影响护 坦防护效果的主要参数是护坦宽度和顶面埋置深度，提出了确定这两个参数的原 则和方法，并根据试验资料提出采用护坦防护的设计计算方法。 田伟平、李惠萍、武炎1 5 j 通过理论分析和模型试验，对顺直河段和弯曲河段中 丁坝群的水流形态、冲刷规律进行分析研究，并以防护长度和冲刷深度作为控制 指标，提出了沿顺直河段和河弯凹岸布设丁坝群的计算方法。这些研究成果主要研 究了河流对凹岸的冲刷作用和针对河流的冲刷提出的治理措施。 沿河路基的破坏实则是组成路基的岩土体的破坏，而岩土体的破坏与地表水、 地下水的不良作用是分不开的。地表水体( 河水、洪水及大气降水) 对沿河路基 的冲刷淘蚀作用而导致路基坍塌；特别是在洪水条件下，江河水位高、流量大、 流速高，在水流的作用下，路基水下部分的岩屑、碎石等细小颗粒物质被水流带 走，造成路基边坡底部被逐渐淘空，最终使路基坍塌、路基出现缺口或是大部分 被毁。 文献【6 j 从分析影响路基稳定的因素出发，探讨了沿河路基的动态失稳机理，认 为山区公路沿河路基的失稳是一个多因素共同作用的动态过程，其中导致路基失 稳的一个主要原因就是河( 库) 水水位的变化引起路基岩土体内的孔隙压力及渗 透压力的变化，进而使路基岩土体发生变形破坏。文献【7 j 为了研究沿河路基这种动 态失稳的机理，设计了室内模型试验设备。文献【8 】和 9 1 假定沿河路基处于饱和状态， 利用朗肯土压力理论，对路基内设置不同形式排水系统时作用于沿河路基挡墙上 的主动土压力进行了研究。 由上可知，沿河路基的稳定性研究主要集中在水流冲刷方面的研究。沿河路 基受渗流、水的软化、浪击、水流冲刷和风蚀，出现路基软化、塌陷，边坡滑动、 崩塌，挡土墙、涵洞、桥梁基础淘刷、稳定性降低、承载力不足而产生病害或垮 塌，显然，沿河路基的失稳破坏不只是水流冲刷一个因素在起作用，而是多因素 综合作用的结果，沿河路基的失稳和破坏是一个动态失稳过程。因此，全面系统 的研究沿河路基的失稳机理，尤其是在孔隙水压力、渗透力及河流冲刷力作用下 路基稳定性分析方法及防治措施等方面的研究，对山区公路建设及其防灾和减灾 具有重要的科学指导作用。本文将在沿河路基失稳机理的研究基础上，进一步对 沿河路基稳定性分析方法进行系统全面的研究。 1 2 2 各种水力因素的计算研究 沿河路基与一般路基的不同之处就在于受到河水的作用，因此水是影响沿河 路基稳定性的最重要因素。沿河路基边坡坡脚要受到河水的冲刷淘蚀作用，而河 水水位的变化则要引起路基边坡岩土体的孔隙压力、渗透压力及超孔隙水压力的 变化，从而对沿河路基的稳定性造成影响。由此可知研究沿河路基的稳定性，必 须弄清楚水对路基岩土体的作用力的计算方法。 岩土体受到水的作用，在岩土中产生孔隙压力、渗透压力和超孔隙水压力的 作用。根据有效应力原理，饱和土体内任一平面内受到的总应力可分为有效应力 和孔隙水压力两部分，土的变形与强度的变化只取决于有效应力的变化。岩土体 在地下水作用下的孔隙水压力、渗透压力和超孔隙水压力的计算很多学者已经进 行了深入和细致的研究。 确定地下水压力，大体可以从四个方面着手：一是理论分析与计算；二是现 场实测；三是模型试验；四是计算机模拟。在各种经典土力学教科书中详细说明 了自重应力情况下静水位条件和稳定渗流条件的孔隙水压力的计算方法。 1 ) 静水压力计算 根据静水压力原理，一般说来，饱和岩土体中任一给定断面单位面积上作用 的空隙水压力只为 r = ) ，。h 九 ( 1 1 ) 式中 ，。一水的重度；厅一该断面平均水头高度；a 有效作用面积系数( 其值 视该处的充水程度或给水度而定) 。力的方向与作用面垂直。 2 ) 渗透力计算 在一定的水头差作用下，水会在上骨架之间的孔隙中发生流动，水流对土骨 架产生渗透力，这种渗透力与土骨架对水的渗流所产生的阻力构成一对作用力与反 作用力，对土体能产生一定的破坏作用。渗透力是一种体力，且是矢量。渗透力量 纲与丫相同，大小和水力坡降成正比，其方向与渗流方向一致。由于渗透力是作 用在土骨架上的一种体积力，所以它将产生有效应力，从而改变路基边坡滑动面 上的滑动力和抗滑力，这会对岩土体的变形和稳定产生影响。因此，渗流有时会 引发土坡的失稳。对于渗流场的简单问题，可以用经验法、流网法进行计算。但 对于边界条件比较复杂的渗流问题，就采用模拟试验和数值计算来进行。常用的 数值计算方法为有限元法，该方法可以处理复杂边界和非均匀渗流问题。 著名的太沙基有限元程序f e c p 2 d 1 和b i o t 固结有限元程序都能对渗流进行 有限元模拟i l 们。2 0 0 4 年，刘建军基于b u c k l e y l e v e r e t t 两相渗流方程，提出了新 的岩土饱和一非饱和渗流数学模型，利用有限差分方法给出了隐式压力显示饱和 度数值求解方法，编制了饱和非饱和渗流计算程序，模拟了降雨入渗条件下边坡 岩体渗流场孔隙压力变化和含水饱和度变化【1 l 】。另外柴军瑞【1 2 1 采用边界元法，吉 庆丰、张贤民【1 3 】【1 4 】等采用不规则游动网格的蒙特卡罗法求解渗流问题。 图1 1 渗透力对土体的作用 复二童缝迨手 f i g 1 1s e e p a g ef o r c ea c t i n go i lt h ee a r t h 渗透力对土体的作用如图1 1 所示，在渗流场中沿流线方向取一个微分土体， 为一长为刃、截面积幽的单元土柱。那么土体孔隙中的水流受到的总的阻力d 为： d = 一j 别刃 ( 1 2 ) 其中，为单位体积中孔隙水流所受到的阻力，可表示为 j = y w 。f( 1 3 ) 式中y 。一水的重度；f 一水力坡度，此时扛i d h 。力的方向与渗流方向一致。 口l 3 ) 超孔隙水压力的计算 在荷载作用下，路基边坡土体中会产生超孔隙水压力。在排水条件下，超孔 隙水压力逐渐消散，有效应力逐渐增大，土体产生固结，孔隙比减小，土体体积 减小，但抗剪强度增加。超孔隙水压力的存在和孔隙水压力类似，都降低了岩土 体的有效应力，减低了岩土体的强度。众多学者对外力引起土体中超孔隙水压力 也进行了大量的研究。 确定附加应力状态下的孔隙水压力一种较为简便的方法为利用孔压系数的概 念对孔压进行计算【1 5 1 。 s k e m p t o n 1 6 1 等人认为，土中的孔隙压力不仅是由于法向应力所产生，而且剪 力的作用也产生新的孔隙压力增量，并在三轴试验研究基础上，提出了复杂应力 状态下的孔隙压力表达式： a u = b e a a 3 + 彳( 仃l a o 3 ) ( 1 4 ) 式中彳、b 分别为不同应力状态下的孔隙压力系数。彳常用试验测定，b 的表 达式如下： 一 1 。占2 l + n c ( 1 5 ) v c n c 、， 式( 1 5 ) 中：c nc 分别为孔隙流体与土的体积压缩系数。对于饱和土，b = 1 ； 在非饱和土的情况下，由于土的孔隙中含有空气，b a a 2 a o 3 ，h e n k e l 1 7 1 针对此情况提出了一个确定饱和土孔隙水压力的修正 公式： a u = 吉( 仃。+ a c t ：+ 仃，) + 詈( 仃。一a a ：) 2 + ( a t 7 2 一a o - ，) 2 + ( 仃，一a o - 。) 2 ( 1 6 ) 式中的a 为h e n k e l 系数，需要进行试验测定。而对于非饱和土，毕肖普( 1 9 6 0 ) 提出了修正的有效应力公式： 仃= 仃+ u a z ( u a u 。)( 1 7 ) 式中z 是一个与饱和度有关的系数，对于饱和土其值为1 ，而对于干土则为0 。 d g f r e d l u n d l 8 1 也详细说明了孔隙压力参数的推导，但同时也重点说明了这些公式 不是用来取代孔隙压力参数的直接量测。墨西哥h u a r e z b a d i l ，d 1 9 1 在对非饱和固结 土的研究中提出了一个可用于三轴实验的重塑土、正常固结或预固结土的孔隙压 力公式，即： 等= 等一睁考- 。j h l ( z 1 可i 丫j - - 0 3 m 8 ， 盯c仃c 仃c 盯。 式中：o r 。为平均应力；仃。为各向同性作用初固结应力；仃。是与仃。体积变形 等效的固结力，正常固结时二者相等；p ：- - 0 ，) ，为固结时剪切破坏的应力状态， 破坏时( p 。一仃3 ) ( q 一0 3 ) r ) 卢专1 ，实用时可用三轴固结实验确定系数。文献口0 1 口1 1 在s k e m p t o n 公式基础上根据有效应力理论，以弹性理论和混合物理论为基础导出 非饱和粘土孔隙压力的一般公式，并由此得出各向同性压缩和侧向约束压缩两种 情况下的孔隙压力计算公式，其表达式见式( 1 9 ) 式( 1 1 2 ) 。 各向同性等压的孔隙压力公式： a u = b a o ( 1 9 ) 。 1 肛i 亟qo霹-s,)-cs ( 1 1 0 ) 嘶( 1 一刀+ ，4 ) 式( 1 1 3 ) 的中b 为孔隙水压力系数。而侧向约束压缩之孔隙压力公式为： a u = b a o - ： ( 1 1 1 ) ( 1 1 2 ) 试验结果表明式( 1 9 1 1 2 ) 与s k e m p t o n 公式构成一致，其中系数b 的试验结 果显示毛细压力对孔隙压力有一定的影响。孔隙水压力系数a 对不同的土体，在 不同的状态取值不同。 孔隙压力、渗透压力及超孔隙水压力都和有效应力密不可分，三者的变化将 直接影响有效应力的变化。对于孔隙压力、渗透压力及超孔隙水压力的分析计算， 其最终目的是为了确定有效应力。在进行分析计算时，对渗透压力和超孔隙水压 力这两个概念要加以特别注意。有效应力原理的运用得当与否，也是边坡稳定性 研究的决定性因素之一。因此，沿河路基边坡研究中，地表水和地下水造成的边 坡体中的水位变化以及水位变化所带来的力学效应是研究的重点对象。 1 2 3 路基边坡稳定性分析方法 边坡稳定性分析与评价始终是边坡工程中的一个重要研究内容，是国内外理 论界和工程界广为关注的重大课题之一。其研究工作经历了由表及里、由经验到 理论、由定性到定量、由单一评价到综合评价、由传统理论方法到新理论、新技 术的发展过程。各种边坡稳定性分析与评价方法应运而生。 长期以来，边坡稳定性问题一直是岩土边坡一个重要研究内容，涉及了诸多 工程领域。边坡稳定性分析方法很多，不同的方法又各具特点及各自的适用条件。 不同的边坡，有着不同的地质环境和工程地质条件。如何根据不同的地质环境和 工程地质条件，以及分析目的和精度要求，选用合适的分析方法，仍是众多岩土 工程师的追求目标，也是一项非常重要的工作。边坡工程稳定性研究始于2 0 世纪 2 0 年代以前，最初是对于土坡稳定性的研究。1 7 7 3 年( 法) 库仑( c u l o m b ) ，1 8 5 7 年( 英) 朗肯( r a n k i n e ) 分别提出了土压力理论。其后经过一百多年的发展，己经有 一套比较成熟的理论。 到目前为止提出的边坡稳定性分析方法有几十种，概括起来大致可分以下几 类：工程地质类比法，极限平衡理论，数值分析法，概率分析法，其它新的方法。 从目前国内外文献资料查阅的情况来看，滑坡稳定性评价方法大致可以分为两大 类，即定性分析方法和定量分析方法【2 2 】2 3 1 。此外，近年来，新的滑坡稳定性分析 方法，如可靠性分析法、模糊分级评判法、系统工程地质分析法、灰色系统理论 分析法等，这里暂时称之为非确定性分析方法。另外，还有地质力学模等物理模 型方法和现场监测分析方法等。总结归纳为图1 2 所示。 随着计算机理论的发展，传统的极限平衡法理论向着与其它方法如有限元理 论相结合解决边坡稳定分析问题的方向发展。将强度折减理论用于有限元法中， 通过强度降低或荷载增加直接算出岩土边坡的安全系数和滑动面，称之极限分析 有限元法。该方法可以对贯通和非贯通的节理岩质边坡进行稳定分析，同时可以 考虑地下水、施工过程的影响，可以考虑各种支挡结构与岩土材料的共同作用， 因而具有很大的优越性和应用前景。常用的数值分析方法包括有限元法、离散元 法、d d a 法、数值流形元法、无单元法、快速拉格朗日元法f l a c ( 有限差分法) 等。 与极限平衡法相比较，各种数值方法具有其相应的优点，数值方法可以考虑 更加复杂的工况，如水位突降，以及开挖填筑和能够适应各种应力和位移边界条 件等，因而其分析结果具有更高的精度和对复杂边坡更好的适应性。使用数值分 析方法在坡体稳定性分析中取得了一些新的成果，即考虑了岩土材料的非线性大 变形特征，在分析程序中引入了岩石流变本构方程；在非线性弹性和弹塑性分析 模型中考虑了坡脚水位变化和渗透动水压力的作用。 图1 2 边坡稳定性评价方法 f i g 1 2s t a b i l i t ye v a l u a t i o nm e t h o d so fs l o p e 从图1 2 可知，人们从各种角度提出的边坡稳定性分析方法众多，各种方法都 有其适用范围。例如工程地质类比法的优点是简单易用，只要知道边坡岩土体的 力学参数，就可以求出该边坡的极限稳定坡高与坡脚的关系，这在前期设计工程 开挖边坡的坡率中十分有用。其缺点是该方法只是一种经验方法，它给出了极限 坡高与坡脚的关系式，不能给出剩余下滑力，故不能用于指导边坡防治工程的设 计不同工况条件下边坡的稳定性评价，此种方法没有极限平衡法、数值分析法等 方法评价的效果好。边坡稳定性评价的比较新的评价方法，例如多元回归模型与 神经网络模型，主要借助于数学工具、计算机模拟等手段来评价边坡的稳定性， 作为理论方法的探索，有着重要的意义。在边坡工程领域的研究虽然已经取得一 定的成果，但仍存在许多问题，如神经网络的知识获取依赖于输入的因子，而因 子的选取尚无成熟的理论。 而极限平衡法是最常用的边坡稳定性分析方法，其发展已经相当成熟，由于 理论满足静力平衡关系，简单易用，并经过大量实践而不断完善，是工程上应用 最多的一种方法。 f l a c ( f a s tl a g r a n g i a na n a l y s i so f c o n t i n u a ) 是一个利用显式有限差分方法求解 的岩土、采矿工程进行分析和设计的二维连续介质程序，主要用来模拟土、岩、 或其他材料的非线性力学行为，可以解决众多有限元程序难以模拟的复杂的工程 问题，例如大变形大应变、非线性及非稳定系统( 甚至大面积屈服失稳或完全塌方) 等问题。f l a c 的基本功能和特征：允许介质出现大应变和大变形；地下水流动与 力学计算完全耦合( 包括负孔隙水压，非饱和流及相界面计算) ；多种材料模型库( 例 如：弹性模型、莫尔库仑塑性模型、任意各向异性模型、双屈服模型、粘性及应 变软化模型) ；i n t e r f a c e 单元可以模拟连续介质中的界面，并允许界面发生滑动和 张开；显式计算方法，能够为非稳定物理过程提供稳定解，直观反映岩土体工程 中的破坏。 在边坡稳定性评价中，方法众多，各种方法有其适用范围，因此应选取比较 成熟、实用的方法，才能达到较好的评价效果。因此本文拟采用较为成熟的极限 平衡法和数值分析中的f l a c 法对沿河路基的稳定性进行研究。 利用f l a c 法对路基进行稳定性研究方面，福州大学在硕士论文“f l a c 的原 理、程序及其在高填路基变形与稳定性分析中的应用”【2 4 】中对f l a c 的基本原理 和强度折减法进行了阐述，研究指出，利用拉格朗日差分法对边坡稳定性的数值 模拟分析是有效的。 长安大学、武汉大学等在考虑水对路基稳定性的影响方面进行了一些研究工 作。长安大学硕士论文“浸水路基稳定性研究 【2 5 】中以浸水路基在水库骤降条件 下的稳定性分析作为研究内容，研究了土体中水对路基的渗透作用，考虑了静动 水压力作用，将孔隙水压力场引入到边坡稳定性分析方法中，采用了有限元的分 析方法，并取得了一定的研究成果。但是文章没有对路基在多种水力下的耦合分 析进行系统的研究。武汉大学李泽的硕士论文“考虑孔隙压力的有限元塑性分析 法研究”【z 6 j 中对孔隙水压力的考虑进行了简化，只考虑静水压力对边坡稳定性的 影响。昆明理工大学硕士论文“边坡稳定性分析与评价【2 3 】中对边坡失稳过程中 水的作用机制进行了分析，但是在讨论地下水作用机制时地下水压力的作用未能 深入的研究。m i l l e r 和h a m i l t o n z t 把孔隙水压力考虑为内力对边坡的稳定性评价， 孔隙水压力简化为静水压力。而m i c h a l o w s k i 2 8 】把孔隙水压力考虑为外力以评价边 坡的稳定性。 沿河路基所处的环境具有如下三个鲜明的特点：【l 】路基受到水流冲刷与淘蚀 作用； 2 】江河水位变化使路基浸蚀部位变化，坡体内孔隙水压力、渗透压力也发 生变化；【3 1 在水岩耦合作用下，路基岩土材料的流变作用会加剧透水层孔隙水压 力变化，甚至产生超孔隙水压，使不透水层产生上浮力，导致路基失稳。沿河路 基的失稳是多种因素特别是上述3 种因素长期作用而发生的一种演变过程。每种 因素都可能在一定条件下成为路基失稳的决定性因素。沿河路基的稳定是相对的， 稳定中存在不稳定性，失稳是各动态因素作用的结果。因此公路沿河路基失稳是 一种动态过程，称之动态失稳。因此对沿河路基的稳定性分析也应该分析多种动 态因素作用下的稳定性。 由以上分析可知，目前对沿河路基的稳定性分析方法有些仅从河水冲刷角度 展开研究，有些仅仅分析地下水作用下的边坡稳定性，而沿河路基所具有的独特 的环境因素对岸坡稳定性的影响是动态的和长期耦合的，只有弄清其失稳机理， 综合考虑这些因素的影响，才能得出正确的分析方法。 综上所述，岩土体在地下水作用下的孔隙压力，超孔隙压力和渗透压力计算 很多学者已经进行了深入和细致的研究，对水流冲刷方面的研究也做了大量的工 作，但是在动水位作用下，特别是不同类型沿河路基边坡的计算还缺乏系统的研 究，尤其是沿河路基在孔隙水压力、渗透力及河流冲刷力等多种因素作用下的路 基失稳机理和稳定性分析方法基本上是一片空白。本课题将专注于研究沿河路基 在多种动态因素作用下的失稳特点以及稳定性计算研究。 1 3 本文的研究思路及技术路线 研究沿河路基的稳定性，应该针对不同的路基类型开展，一种重要的划分方 法是按其坡体的组成成分划分，可分为土质边坡和岩质边坡。本文分析对象命名 为松散堆积体沿河路基。沿河路基为沿江、河分布的公路路基，松散堆积体沿河 路基包括土质路基，土石混填路基及具有松散堆积层的沿河路基。 本文在充分调查现场基本资料和前人研究成果的基础上，对松散堆积体沿河 路基的稳定性进行研究和探讨，并对主要影响因素进行深入研究。主要研究思路 具体如下： ( 1 ) 对山区沿河路基进行详细的现场调研，充分收集和分析前人研究资料。 ( 2 ) 边坡稳定性评价和防护的基础，是确定影响其稳定性的控制因素，因此 首先对影响沿河路基的主要因素进行研究。进而归纳出总结沿河路基失稳破坏模 式。 ( 3 ) 提出沿河路基稳定性分析方法。首先考虑的因素为河水冲刷，先分析其 冲刷稳定性并给出相应的防冲刷措施。 ( 4 ) 对已经设置了防冲刷措施的沿河路基，考虑渗流作用力，用传统极限平 衡法和f l a c 数值模拟