（森林工程专业论文）路基含水率对其技术性能影响研究.pdf

摘要 随着我国高速公路的不断建设，高填深挖路基不断出现，故路基边坡稳定性问 题变的日渐重要。路基边坡的稳定性由内因和外因决定，内因是边坡本身所固有的： 外因主要包括降雨、地震等的影响。在这些外因中，降雨是导致路基边坡失稳的首 要因素。 ：本文针对含水率对非饱和土的影响进行了研究，主要分为两个部分：室内试验 研究了含水率对非饱和土抗剪强度的影响；用计算机模拟了不同降雨强度、不同降 雨持时对非饱和土路基边坡稳定性的影响。具体做了以下工作： ，l 简述了非饱和土的一些基本理论。 2 通过室内试验研究了含水率对非饱和土抗剪强度和变形的影响。 8 根据已有文献对雨水入渗引发滑坡事件进行了分析及降雨类型的设计或选 取。 4 根据基本渗流微分方程，建立了二维饱和一非饱和渗流计算模型 5 结合内蒙古呼和浩特地区降雨条件，通过g e o - s l o p e 软件计算不同降雨强度、 不同降雨持时对路基土质边坡稳定性的影响，并进行了边坡治理和治理后稳定性验 算。 关键词：非饱和土；含水率；抗剪强度；降雨入渗；瞬态流；路基稳定性 洼：内蒙古自治区高等学校科学研究项目n j y 0 8 0 4 1 r e s e a r c ho ni n f l u e n c eo fr o a d b e d sw a t e rr a t i ot oi t st e c h n i c a l p e r f o r m a n c e a b s t r a c t w i t ht h ea b u d e n tc o n s t r u c t i o no fe x p r e s s w a y , m o r ea n dm o r eh i 曲f i l l e da n dd e e pc u t s u b g r a d ea p p e a r i n gc o n s t a n t l y s ot h es t a b i l i t yo ft h es u b g r a d es l o p ei sm o r ea n dm o r e i m p o r t a n t t h es t a b i l i t yo ft h es u b g r a d es l o p ei sd e t e r m i n e db yi t si m e m a la n de x t e r n a l f a c t o r s t h ei n t e rf a c t o r sa r ei n h e r e n ta n dt h ee x t e r n a lf a c t o r sm a i n l yi n c l u d er a i n f a l l ， e a r t h q u a k ea n ds oo n i nt h em a n ye x t e r n a lf a c t o r s ，r a i n f a l li st h em o s ti m p o r t a n tf a c t o rt o b r i n ga b o u tt h es l o p ef a i l u r e a i m i n ga tt h ei n f l u e n c eo fw a t e rr a t i ot ou n s a t u r a t e ds o i lt or e s e a r c h ，i tm a i n l y i n c l u d e st w op a r t s t h eo n e p a r ti st h ei n t e r i o re x p e r i m e n t sw h i c hr e a e a r c ht h ei n f l u e n c eo f w a t e rr a t i ot ot h es h e a f i n gs t r e n g t ho fu n s a t u r a t e ds o i l n l eo t h e rp a r ti st ou s ec o m p u t e rt o i m i t a t e ，b ym e a n so fi m i t a t i n gt or e s e a r c ht h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tr a i n f a l ls t r e n 垂ha n d r a i n f a l ld u r a t i o nt os l o p es t a b i l i t yo fu n s a t u r a t e ds o i l t h em a i nr a t i oi sa sf o l l o w s ： 1i l l u s t r a t e dt h e o r yo f t h eu n s a t u r a t e ds o i l 2r e s e a r c h e dt h ei n f l u e n c eo fw a t e rr a t i ot ot h es h e a r i n gs t r e n g t ha n d d e f o r m a t i o no f u n s a t u r a t e ds o i lb yt h ei n t e r i o re x p e r i m e n t s 3d e s i g n e do re h o o s e dr a i n f a l lt y p eb yi n v e s t i g a t i n ga n dr e s e a r c h i n gd o c u m e n t s w h i c hh a v ee x i s t e da n da c c o r d i n gt od o c u m e n t sa n a l y z i n gr a i n f a l li n f i l t r a t i o nt oc a u s es l i d e s l o p ee v e n t s 4b a s e do nt h ef u n d a m e n t a ls e e p a g ee q u a t i o n ，i n t r o u d u c e dt h ed i f f e r e n t i a le q u a t i o no f 2 ds a t u r a t e d u n s a t u r a t e ds e e p a g e ，i nw h i c ht h ep r e s s u r eh e a di st h ef u n d a m e n t a lu n k o w n q u a n t i t y ac a l c u l a t e d m o d e lf o ra n a l y s i ss e e p a g e 、以t l lr a i n f a l li n f i l t r a t i o nb o u n d a r y c o n d i t i o nh a ss e t ， 5b a s e do nt h ea c t u a lr a i n f a l lc o n d i t i o ni nh o h h o to fi n n e - m o n g o l i a , c o n s i d e r i n gt h e d i f f e r e n tr a i n f a l ls t r e n g t ha n dd u r a t i o n ，t h es t a b i l i t yo fs o i ls l o p e sa r ec a l c u l a t e db yu s i n g t h es l o p ec a l c u l a t i o ns o f t w a r e n es t a b i l i t yo fs l o p ei se v a l u a t e db yr e i n f o r c e ds l o p ei nt h e s i t u a t i o no fr a i n f a l l k e yw o r d ： u n s a t u r a t e ds o i l ；w a t e rr a t i o ；s h e a rs t r e n g t h ；r a i n f a l li n f i l t r a t i o n ；u n s t e a d y s e e p a g e ；s u b g r a d es t a b i l i t y d ir e c t e db y ：p r o f l i a n gh o n g a p p li c a n tf o rm a s t e rd e g r e e ：w a n gl i ( f o r e s te n g i n e e r i n g ) ( c o l l e g eo f e n e r g ya n dt r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n gi n n e rm o n g o l i a a g r i c u l t u r a lu n i v e r s i t y h u h h o t0 1 0 0 1 8 ，c h i n a ) 1 j图1 2 图2 嚣，图3 4 ：图4 & 图5 6 图6 ： z图7 8 图8 奠图9 i o 图1 0 1 1 图l l 1 2 图1 2 1 3 图1 3 1 4 图1 4 1 5 图1 5 1 6 图1 6 1 7 图1 7 1 8 图1 8 1 9 图1 9 2 0 图2 0 2 1 图2 l 2 2 图2 2 2 3 图2 3 2 4 图2 4 2 5 图2 5 2 6 图2 6 2 7 图2 7 2 8 图2 8 2 9 图2 9 3 0 图3 0 3 1 图3 l 3 2 图3 2 插图和附表清单 填方路基边坡水毁。o 。_ 4 加固后边坡水毁：4 水毁后加固4 液塑限曲线一。：。：l2 击实曲线。：1 3 剪应力与剪切变形关系曲线。：16 剪应力与剪切变形关系曲线：。：1 8 抗剪强度与垂直压力关系曲线1 8 剪应力与剪切变形关系曲线。2 1 剪应力与剪切变形关系曲线2 2 抗剪强度与垂直压力关系曲线2 3 p d _ 1 6 7 9 c m 3 时含水率与粘聚力拟合图。2 4 p d = 1 7 6 9 c m 3 时含水率与粘聚力拟合图：2 4 p d = 1 6 7 9 c m 3 时含水率与粘聚力关系2 5 p d = 1 7 6 9 c m 3 时含水率与粘聚力关系：0 2 5 p a = 1 6 7 9 c m 3 时内摩擦角与含水率拟合图。j 2 6 p d = 1 7 6 9 c m 3 时内摩擦角与含水率拟合图2 6 p d - - - - 1 6 7 9 c m 3 时内摩擦角与含水率关系：2 7 p 严1 7 6 9 c m 3 时内摩擦角与含水率关系。2 7 边坡计算模型二维有限元网格剖分3 0 土水特征曲线：31 初始状态孔隙水压力云图( 单位：l a ) 3 2 降雨2 4 小时的孔隙水压力云图( 单位lg p a ) ：3 2 降雨4 8 小时的孔隙水压力云图( 单位；r d a ) 。：3 3 降雨9 6 小时的孔隙水压力彩色云图( 单位ir d a ) 3 3 降雨2 4 小时的孔隙水压力彩色云图( 单位：r d a ) 3 4 降雨4 8 小时的孔隙水压力彩色云图( 单位? k p a ) 3 4 降雨9 6 小时的孔隙水压力云图( 单位lr d a ) 3 5 降雨2 4 小时的孔隙水压力云图( 单位lg p a ) 。3 5 降雨4 8 小时的孔隙水压力云图( 单位：k p a ) 。3 6 降雨9 6 小时的孔隙水压力云图( 单位l 3 6 初始状态安全系数计算简图( k = 0 6 7 8 ) 。，3 7 3 3 图3 3 3 4 图3 4 3 5 图3 5 3 6 图3 6 3 7 图3 7 3 8 图3 8 3 9 图3 9 4 0 图4 0 4 1 图4 l 4 2 图4 2 4 3 图4 3 4 4 图4 4 4 5 图4 5 4 6 图4 6 4 7 图4 7 4 8 图4 8 1 表l 2 表2 3 表3 4 表4 5 表5 6 表6 7 表7 8 表8 9 表9 1 0 表1 0 降雨2 4 小时的安全系数计算简图( k = o 6 7 5 ) ：。3 8 降雨4 8 小时的安全系数计算简图( k = o 6 6 9 ) 3 8 降雨9 6 小时的安全系数计算简图( k = o 6 3 9 ) ：3 9 降雨2 4 小时的安全系数计算简图( k _ 0 6 7 5 ) 3 9 降雨4 8 小时的安全系数计算简图( k = o 6 5 4 ) - 4 0 降雨9 6 小时的安全系数计算简图( k = 0 6 2 9 ) j ：4 0 降雨2 4 小时的安全系数计算简图( k = 0 6 7 2 ) o 4 1 降雨4 8 小时的安全系数计算简图( 1 0 0 6 4 0 ) 。4 1 降雨9 6 小时的安全系数计算简图张= 0 s 4 2 ) 4 2 降雨强度、持时与边坡稳定性关系a 。4 3 降雨强度、持时与边坡稳定性关系b k 4 4 边坡加固后稳定性验算。4 5 降雨强度、持时与边坡稳定性关系a 。4 6 降雨强度、持时与边坡稳定性关系b 4 6 排水沟。：。：4 7 边坡加固钉 部分滑坡前降雨特征。2 无粘性土坡的稳定分析9 粘性土坡的稳定分析_ 9 土样物理性质。1 3 量力环系数校正。“1 4 各含水率试样粘聚力及内摩擦角18 各含水率试样内摩擦角及粘聚力2 3 研究中所用到的土坡各项参数t ：3 1 降雨强度、持时对滑坡安全系数的影响_ 。4 3 边坡治理后的安全系数k 。4 5 内蒙古农业大学研究生学位论文独创声明 本人申明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包括其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 括为获得我校或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料，与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：圣委 日 期：2 翌堡：墨 导师指导研究生学位论文的承诺 本人承诺：我的研究生 幽 所呈交的学位论文是在 我指导下独立开展研究工作及取得的研究结果，属于我现任岗位职务 工作的结果，并严格按照国家及学校有关学术道德规范的规定要求而 获得的研究结果。如果违反，我必须接受按国家及学校有关规定的处 罚处理并承担相应是师连带责任。 指导教师签名： 烽：1 4 整 日 期：丝! 旦： 笸：，j f 7 内蒙古农业大学研究生学位论文版权使用授权书 本人完全了解内蒙古农业大学有关保护知识产权的规定，即：研 究生在攻读学位期间论文工作的知识产权单位属内蒙古农业大学。本 人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位为内蒙 古农业大学，且导师为通讯作者，通讯作者单位亦署名为内蒙古农业 大学学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子文档，允许论文被查阅和借阅学校可以公布学位论文的全部或部 分内容( 保密内容除外) ，采用影印、缩印或其他手段保存论文 论文作者签名：墨函指导教师签名：兰车：i ! 日 期：四签：j f v 内蒙古农业大学硕士学位论文 1 1绪论 1 1 提出问题 含水率对路基的影响主要表现在边坡稳定性上，而降雨又是影响路基含水率的 重要因素，在降雨过程中和雨停后，边坡中的渗流问题时影响路基边坡稳定性的关 键性问题，解决渗流问题的关键就是真实有效的模拟降雨并分析二维饱和一非饱和 渗流场的分布规律。 高等级公路的渐渐普及修筑是保证我国经济迅速发展的重要因素之一，因此在 地形复杂的山区，高填深挖已不能避免，为了保证整体工程的质量，就要求有专门 针对高填深挖路基边坡的处理技术。在以前由于没有这方面的专业技术，只能采用 低等级的边坡处理技术或借用铁路边坡修筑经验，为工程质量埋下的隐患不计其数。 2 0 世纪9 0 年代，每年只水毁的直接经济损失就数十亿元人民币，而且呈逐年上升 状态。根据有关资料m ，1 9 9 4 年全国公路水毁损失3 7 亿元人民币，1 9 9 6 年达到6 9 亿元人民币，1 9 9 8 年达到9 1 亿元人民币，目前每年公路水毁直接经济损失超过1 0 0 亿元人民币，其中大多数为边坡的水毁。 边坡中的渗透水压力和渗流场分布是影响边坡稳定和变形的重要因素之一1 ， 而降雨，特别是暴雨更是导致边坡失稳的关键在一些强降雨地区，雨量充沛，高边 坡连续接受水分入渗补给，过量的雨水补给严重影响土体中的地下水瞬态运动和水 压力分布，这就使边坡稳定性严重变差。在钟立勋列举的2 7 项中国重大地质灾害中 有1 5 项是由暴雨引发的水毁，同样在中国典型滑坡中列举的9 0 多个滑坡实例 中，有9 5 以上是降雨产生的滑坡。表1 显示了近几年我国部分边坡发生破坏前的 降雨特征。 2路基含水率对其技术性能影响研究 表1部分滑坡前降雨特征【3 1 t a b l e lt h ep a r to fr a i n f a l lc h a r a c t e r i s t i c sb e f o r es l i d es l o p e 降雨、地震、人类工程活动等是诱发产生滑坡的主要因素。我国南方，滑坡明 显多于北方，原因就是南方降雨比北方多，雨水入渗的影响最为频繁、明显( y a n g ， 1 9 8 8 ) 瞪1 。人们早已认识到了滑坡、泥石流这些自然灾害与降雨之间的密切关系，但 是人们对着中关系的理解只停留在表面上，并没有真正明白其中的道理。在过去， 更多的是用定性分析来证明它们之间的密切关系，如果想要进一步研究和了解降雨 导致滑坡、泥石流产生的机理，并进行边坡稳定性计算和做到对这些自然灾害的预 测和预防，那就要研究降雨引发边坡失稳的规律并建立定量分析模型。近几年，环 境不断恶化，自然灾害发生越来越频繁，国内外都在增加这方面的研究，但是降雨 入渗是一个复杂的问题，降雨和滑坡之间并不是简单的一一对应关系，它要受到许 多因素的影响，因此，国内在这方面的研究还不够深刻、完整和细致，在今后的研 究中还要进一步深入研究尽快掌握它们之闻的规律。 降雨产生的滑坡主要以浅层滑坡为主，约占全部类型的2 1 3 左右嘲。一般情况下 降雨影响的土层深度只有几米，所以滑坡的发育深度也就局限于浅层。浅层滑坡的 主要机理就是接近地面的土体为非饱和的，降雨对它的力学特性影响很大。在传统 的土力学理论中，边坡稳定分析方法主要适用于饱和土，而降雨入渗是非稳态渗流， 所以理论上传统的理论不能定量考虑雨水入渗作用。在进行土坡渗流计算和渗流情 况的土坡稳定计算时考虑较为简单，不能反映实际情况，计算结果存在较大误差n j l 。 由于一般边坡内土体都为非饱和土，人们渐渐发现降雨对非饱和土的影响远远大于 对饱和土的影响，因此，人们开始研究一种适用于非饱和土的稳定分析方法。近年 来，非饱和土力学的发展，为如何在稳定分析中考虑降雨入渗的影响提供了新的理 论基础睁1 。 因此，建立雨水入渗的数学模型，定量分析雨水入渗引发滑坡的过程，对于滑 坡的预测和预报具有重要的理论价值。雨水入渗对土质边坡稳定性的影响主要表现 内蒙古农业大学硕士学位论文 3 在以下几个方面： 水库水位骤降的情况是种非常不利的水力条件，而土质边坡及土坝或填土公 路在降雨饱和后的渗流场和它几乎一样。 水的入渗导致边坡土体含水率增加、土体自重增大，使基质吸力下降，抗剪强 度也随之下降，从而导致土体的强度下降，即经过“地表水一水向边坡内渗透一边 坡土体自重增大一强度降低一稳定性变差一破坏概率增大一边坡滑动破坏 这样一 个过程m 1 。 降雨入渗的过程主要是非饱和土体变为饱和土体的过程h 1 。以浸润线为界，含 水率的增加主要发生在浸润线以内，主要土体从非饱和转变为饱和。边坡失稳的直 接原因还有土体强度降低、孔隙水压力增长和土体自重的增加。通过试验表明，粘 聚力下降是土体强度降低的诱因，由水分增加引起土体饱和可以使土的粘聚力降低 到干燥时的1 1 0 。1 。一般情况下，相同土质非饱和土的抗剪强度随含水率的增加而 减小，远远大于饱和土的抗剪强度。而且，降雨造成的非饱和区土体抗剪强度的下 降也是造成边坡失稳的一个重要原因n 6 ”1 。 对于同种土质，不同的降雨强度和持时对边坡产生的影响是不一样的，对于不 同土质降雨对边坡产生的影响也不一样。一般情况下，随着降雨强度的增加稳定安 全系数明显降低，因为当降雨强度增大，大于了土体的入渗容量，雨水无法入渗从 而溢出，反之雨强小的雨型对应的稳定安全系数也就较低。 土体的渗透能力直接关系到雨水的入渗速度，它直接影响到边坡的稳定性，因 此在研究雨水入渗对边坡稳定性影响时要把渗透能力和降雨强度结合起来考虑。当 降雨为暴雨，雨强和持时相同时，安全系数与渗透能力成反比。但是对于雨强较低， 持时较长的雨型，此时渗透能力对安全系数的影响与暴雨不同，这时，安全系数与 渗透系数成正比。由上可见通过改变边坡土体含水率来研究边坡失稳有实际意义。 1 1 1 水毁实例 滑坡时水毁的一种，当降雨强度较大、持时较长时，天然土坡或人工边坡就会 产生滑坡，不太严重的水毁会在边坡上留下雨水冲刷的沟壑，若这些沟壑不及时进 行加固，那就会对路基造成威胁，严重的就会导致滑坡。但是在有些情况下由于加 固不当或雨强太大，加固后的边坡也会在降雨后造成水毁。下面是呼和浩特地区国 道边坡、天然边坡、高速公路边坡的一些水毁实例。 路基含水率对其技术性能影响研究 目3 水毁旨加嗣 f i g w a t c rd c s b r a y8 n l n m r 内蒙古农业大学硕士学位论文 5 1 2 国内外研究现状 1 2 1 边坡稳定研究现状 目前，在工程中最常用于边坡稳定分析的方法是传统的极限平衡分析方法，而 条分法是目前在工程中最常用的计算方法。 1 9 1 6 年瑞典人k e p e t t e r s o n 提出条分法，之后w f e l l e n i u s ( 1 9 2 7 1 、 d w t a y l o r ( 1 9 4 8 ) 做了研究和改进。b i s h o p 重新定义了安全系数，对条分法的发展至 关重要。 1 9 7 3 年j a n b u 提出了普遍条分法，之后王复来对其作了改进。 1 9 7 7 年潘家铮提出了极小值原理和极大值原理n 耵。之后孙君实在其基础上提出 了模糊极值理论。 近年来，有限元法快速发展，许多学者在其基础上将概率论的原理引入到稳定 分析中。 此外，有研究人员为边坡稳定分析找到了一条新的思路，就是基于能量准则的 稳定性分析。 ，传统极限平衡分析方法以饱和土有效应力理论为基础，在实际工程中更多的是 非饱和土的情况，为了将极限平衡分析方法能够应用于非饱和土的稳定分析中，一 些学者和专家对其进行了改进。 1 2 2 降雨条件下边坡稳定分析研究现状 降雨是滑坡的主要诱发因素，国内外很多学者在降雨下边坡稳定分析方面进行 了研究，并取得了一些重要的研究成果。他们的研究成果主要如下： ( 1 ) 国外研究现状 “l a m b p b ( 1 9 6 2 ) 通过研究香港地区的降雨和滑坡关系，提出了一种简单的一 维垂直入渗模型，研究了地质条件和降雨特征对边坡稳定性的影响 n 钔。 “f r e d l u n d d g ，r a h a i d j o h 运用g a l e r k i n 有限元法模拟暂态渗流的过程，对 边坡的稳定性进行了参数研究。结果表明：较高降雨强度引起安全系数显著降低， 基质吸力在边坡稳定性中起着举足轻重的作用。f r e d l u n d ( 1 9 8 7 ) 对暴雨入渗下的陡坡 进行了瞬态渗流场和稳定性分析，分析结果表明：负孔隙压力对土的抗剪强度的影 响起着重要作用，因此在暴雨期间由于负孔隙压力的减小而导致斜坡的安全系数降 低，并有可能导致边坡的失稳破坏”n 引羽。 “s i m m o r i t ，t s n b o y a m a y ( 1 9 9 1 ) 研究了各种降雨情况和初始表面条件与边界 条件对香港人工边坡暂态渗流和边坡稳定的影响 溉剞1 。 “a b f o u r t e ，d r o w e 和g a e ob l i g h t 针对南非某地的一座粉煤灰灰堆土坡， 研究了降雨入渗深度与基质吸力、土坡含水率、降雨强度以及降雨历时之间的关系， 对降雨的入渗速度也做了初步的探讨”陴o 6路基含水率对其技术性能影响研究 “j m g a s m o ，h r a h a r c t j 和e c l e o n g 利用数值分析方法，针对非饱和土土坡， 研究了降雨强度、基质吸力、渗透系数、孔隙水压力等因素之间的关系，并在此基 础上对安全系数的变化进行了研究”啪3 。： “a f o n s oe ，g e ns ，l i o r e t a 针对香港的情况利用有限元方法深入、系统的研 究了各种降雨情况、土体渗透性对暂态渗流场和边坡稳定性的影响 1 。 ； “s h i m a d a ( 1 9 9 5 ) 等人通过g a l e r k i n 有限元法模拟二维非饱和渗流，并对斜坡稳 定性进行数值分析 伍钉。 “s u n 等人( 1 9 9 5 ) 认为空气压力对非饱和土的渗流有明显影响，发展了应力和两 相流的耦合理论，并用于分析降雨引起土坡的浅层破坏”伍民2 。 “n g 和s h i t ( 1 9 9 8 ) 针对香港地区的斜坡，用有限元法研究了各种降雨情况和初 始条件对暂态渗流和斜坡稳定性的影响 乜们。 ( 2 ) 国内研究现状 “陈守义( 1 9 9 7 ) 提出了考虑入渗和蒸发影响的土坡稳定性分析方法 洲。 “李焯芬、汪敏等研究了非饱和土在降雨入渗条件下，浸润带的极限发展率， 提出了浸润带的厚度计算公式”汹1 。 “吴宏伟等针对香港地区一种典型非饱和土斜坡，用有限元法模拟雨水入渗引 起的暂态渗流场，将计算得到的暂态孔隙水压力分布用于斜坡的极限平衡分析川枷。 “李亮将大量的试验数据进行回归分析，提出了土体饱和度与粘聚力的关系式 【3 l 】 o “李兆平、张弥等( 2 0 0 1 ) 以体积含水率作为因变量，建立了求解降雨入渗过程 中土体内瞬态含水率分布的方程；建立了非饱和土边坡稳定性分析的方法，并编制 了相应的计算机程序 嘲。 “朱文彬( 2 0 0 2 ) 采用有限元对降雨条件下土体滑坡进行了数值分析，建立了饱 和一非饱和土统一的非线性弹性模型，编制了饱和一非饱和土的二维有限元程序 伽。 综上所述，目前虽然国内外在降雨条件下对于边坡的稳定性分析及评价都己取 得了一定的成果。但是许多工作还需要进一步的深入，其中研究的难点仍然是非饱 和土坡中基质吸力或含水率因降雨发生变化的情况。 1 3 研究目标 本文以高填深挖路基边坡为研究对象，对降雨条件下，饱和一非饱和渗流场二 维问题和边坡稳定问题进行系统研究。结合呼和浩特市降雨条件，分析了降雨强度、 降雨持时等参数对边坡渗流场分布、发展及其对边坡稳定性的影响规律。首先，利 用室内试验研究了含水率的变化对土体抗剪强度的影响；其次，利用g e o s l o p e 软件分析了边坡在不同降雨强度、不同降雨持时下的稳定性，并进行了治理措施。 通过以上研究成果，为边坡稳定性评估、滑坡灾害预报和进行边坡治理提供了一定 内蒙古农业大学硕士学位论文7 理论依据。 1 4 本文研究内容及方法 本文在对前人相关研究成果进行总结的基础上，结合所设计的边坡，首先利用 室内试验研究了含水率对抗剪强度的影响，其次利用极限平衡法和软件分析对路基 。边坡在降雨入渗条件下的稳定性问题进行探讨。本文研究方法分以下几步： ( 1 ) 文献阅读。通过大量阅读国内外有关地下水渗流特性、土体降雨入渗理论、 非饱和土力学特性、边坡稳定性分析、岩土工程数值模拟等方面文献，掌握了本文 主要研究内容现有研究水平，为开展本文研究工作打好基础。 ( 2 ) 理论分析。本文主要应用非饱和土的力学特性、饱和一非饱和渗流特性及 其数值计算方法、边坡稳定分析的极限平衡法等对本文的研究内容进行研究。 ( 3 ) 室内试验。本文采用室内常规试验及直剪试验对粉质粘土的不同含水率进 行了试验，分析了含水率对抗剪强度参数粘聚力和内摩擦角的影响。 ( 4 ) 数值模拟。本文应用g e o s l o p e 岩土分析软件，结合拟定的高边坡在降 雨条件下的路基稳定性开展研究工作。 ( 5 ) 分析总结。本文在理论分析和数值计算的基础上进行总结分析，从而得出 主要结论，同时也找出本文研究上的不足和今后努力的方向。 本文的具体研究内容包括以下几个方面： 。( 1 ) 系统论述了非饱和土的力学特性。研究了粉质粘土不同含水率对抗剪强度 参数粘聚力和内摩擦角的影响 ( 2 ) 通过调查研究已有文献对雨水入渗引发的滑坡事件进行分析，掌握降雨强 度和持时的特征与参数范围，之后进行了降雨类型的设计或选取。 ( 3 ) 把渗流计算结果用于边坡的稳定性分析，通过拟定边坡分析降雨强度、降 雨持时等参数，研究了公路边坡渗流场分布和边坡稳定分析的影响。 8路基含水率对其技术性能影响研究 2 非饱和土渗流分析及边坡稳定性研究 非饱和土中负孔隙水压力的存在是它与饱和土之间最大的区别，这也就使降雨 后非饱和土的稳定性分析比饱和土的复杂很多。主要原因有两点：第一，雨水在非 饱和土中的入渗是一个饱和一非饱和的渗流过程；第二，由于非饱和土中负孔隙水 压力的存在，基本理论很分析方法都不在适用于非饱和土；因此了解非饱和土体力 学特性并将传统方法进行改进，使其应用于非饱和土，这对于研究雨水入渗下的边 坡稳定性有着重要意义。 2 1非饱和土基本特性 2 1 1 非饱和土强度理论 由工程实践可知m o h r - c o u l o m b 准则只适用于饱和土。1 9 6 0 年，b i s h o p 提出了 非饱和土抗剪强度的有效应力公式泓1 ： f = c + ( 仃一u 口) + z ( u 。一u w ) t a n 缈6 ( 1 ) 式中：f 一破坏面上的剪应力，c 一有效粘聚力，盯一破坏面上的总法向应力， 仃一破坏面上的有效法向应力，“。一破坏面上的孔隙水压力， 。 p 有效摩擦角。 9 6 一抗剪强度随基质吸力( 甜。- - u ，) 而增加的速度。+ 2 2 渗流对边坡稳定性影响 2 2 1概述 1 9 2 3 年由于t e r z a g h i 提出的有效应力原理反映了地下水对土骨架间应力的折 减，从而找到了渗流对土坡稳定的影响的另一个方面，即渗流产生的动水压力使滑 动力增加。 一 考虑渗流力有两种做法：一种是考虑土体( 条) 周界边界的水压力：另一种是采 用有效应力观点。这两种做法是等效的嘲。 2 2 2 渗流影响边坡稳定性的机理 ( 1 ) 渗流对边坡稳定性的影响分析 边坡失稳的根本原因在于土体内部某个面上的剪应力达到了它的抗剪强度或抗 裂强度，破坏了原有的稳定平衡，因而失稳。表2 是某无粘性士边坡稳定分析安全 系数，表3 是某粘性土边坡的稳定分析安全系数。由表中数据可以看出，渗流作用 对边坡稳定性的影响十分严重口s ， 内蒙古农业大学硕士学位论文 9 表2 无粘性土坡的稳定分析 n i b i c 2s t a b i l i t ya n a l i s y so fn o n s t i c k ys l o p e ( 2 ) 渗流的作用 渗流对边坡的作用有静水荷载和动水荷载两方面。 2 3 土中水的流动定律 土中水流动的d a r c y 定律 q = - k 。v h 。 式中：负号表示水沿水头降低的方向流动， k 一为饱和导水率或渗透系数，饱和土取常数； v h 。一为水力梯度矢量。 2 4 渗流控制方程 饱和一非饱和的渗流控制方程： 瞬态流： 丢卜拿)+号卜等)_风册：,百ahwox o y戗，卵j讲 2 5 渗流边界条件 饱和一非饱和渗流，控制方程和边界条件嗍： 1 0 路基含水率对其技术性能影响研究 丢( 七。等) + 导卜等) _ p ? ：w 百o h w 、。 h w g ，y ，t ) = h l ( x ，y ，) g ，少) 墨 七。等c o s 阱鲁c o s 鸭咖| ) ，g ，夕) 吗， h w g ，y ，r ) = y g ，y ，) ，g ，y ) 岛 h w g ，y ，。) = 凰g ，y ，t 。) 式中：s 。一水头分布规律已知的边界，h 。为边界水头。 s ：一流量情况已知的边界，g 。为单位时间边界法向流量，c 。s ( _ ，x ) ，c o s g ，y ) 等为边界面外法线方向的方向余弦。 s 一渗出面边界，z 为渗出面结点坐标。 日。一初始时刻的水头值。 2 6 极限平衡法 目前，工程中最常用的稳定性分析方法就是极限平衡法，具体的计算方法有 j a n b u 法、b i s h o p 法、s p e n c e r 法、l o w e k a r a f i a t h 法、s a r m a 法、m o r g e n s t e m - p r i c e 法、美国陆军工程师团法、余推力法等。 2 7 孑l 隙水压力影响下的三种常用稳定分析方法 ( 1 ) 瑞典法 瑞典法的稳定安全系数为： 打 眸，+ c o s 8 i - t w h 训z ，) t a l l 谚】一o j、”， ，= 上l 一 形s i n e , i i l 一 ( 2 ) 替代容重法 替代容重法稳定安全系数为： 壹b l + 饥：，+ 厂) c 。s 幺t a n 一】 f = 上| l i 一 形s i n e , ( 3 ) b i s h o p 法 内蒙古农业大学硕士学位论文 b i s h o p 法稳定安全系数为： 窆h c 。s 只+ 慨一“饥) 蚀谚】 f ；鱼坠竺二二= ! ! = ：竺 形s i n e , 为了将传统极限平衡法用于非饱和土中，所以对其进行了改进，在改进后的稳 ，： c t + n 两- u d 面 t a 矿ncb一tan q r a n t , 。8 ， 12 路基含水率对其技术性能影响研究 3 含水率对土体强度影响研究 土体的强度是土体力学性质好坏的直接表现，人们对路基土工程性质的关心很 大程度上体现在对土体强度上，而土体的强度主要表现为土体的抗剪强度，影响土 的抗剪强度指标的因素有很多，但是含水率的影响是最大的，因此通过室内直剪试 验就含水率的变化对土的抗剪强度参数的影响进行了试验研究。 3 1抗剪强度试验研究 一般路基土都要经碾压压实，所以本试验选取了两种压实度下的土样进行了直 剪试验，土样主要是粉质粘土，通过两种压实度下的土样分析在每种压实度下含水 率对于抗剪强度参数的影响。 3 1 1 土样的基本物理性质 ( 1 ) 液塑限联合试验 1 置 g 嫠，o 刊 一 一 - ，一一一 j ， ， p ，r 1 9 7 帆2 5 2 雌2 9 8 帏 含水率( ) 图4 液塑限曲线 f i 9 4 c u r v eo fl i q u i da n dp l a s t i cl i m i t s 内蒙古农业大学硕士学位论文 1 3 ( 2 ) 击实试验 l 瑚 1 , 8 4 i 船 暑1 8 ? 1 7 8 鬻t h i 1 4 1 7 2 i 7 l 1 8 51 9l 叠j 叠n 上2 l 2 1 5 毖 含水率( ) 图5 击实曲线 f i 9 5 c u r v eo fh i t - s o l i d 表4 样物理性质 t a b l e 4 p h y s i c a lp r o p e r t i e so fs o i ls a m p l c 3 1 2 直接剪切试验 直接剪切试验就是对试样直接施加剪切力将其剪坏的试验，简称直剪试验，它 是测定土的抗剪强度的一种方法，通常采用4 个试样，分别在不同的垂直压力下， 施加水平剪切力，测得试样破坏时的剪应力，然后根据库仑定律确定土的抗剪强度 参数一内摩擦角和粘聚力。 ( 1 ) 试验准备 ， 试验设备：三速应变控制式直剪仪。 试样尺寸：直径m = 6 1 8 r a m ，高度h = 2 0 m m 。 仪器校正：对直剪仪进行检查，对杠杆加压设备，主要是量力环系数进行校正， 结果见表5 ，此外还对砝码的质量、环刀高度、环刀内径进行校正。 1 4 路基含水率对其技术性能影响研究 表5 量力环系数校正 t a b l e 5c o r r e c t i o no fm e a s u r i n gf o r c er i n gc o e f f i c i e n t s 试验方法：采用快剪法，试样增湿采用预湿法。 垂直压力：分别为1 0 0 、2 0 0 、3 0 0 、4 0 0 k p a 。 剪切应变速率：快剪速度选用o 8 m m m i n 进行试验。 以上试验准备都是根据根据公路土工规程规定进行的。 ( 2 ) 试样的制备与保湿方法 在试样制备过程中，同一组试样的密度差值要小于0 0 3 9 e r a 3 ，含水率差值要小 于1 。 ， 土样采用干法制件，将足量土样用烘箱在6 0 c 条件下风干8 1 0 h ，测定风干含 水率，按照试验规程换算出从风干含水率增湿到某一含水率所需加的水量，用喷壶 将计算出的用水量均匀喷洒在土上，并搅拌均匀，然后将配好的土样用塑料薄膜包 严静置2 4 h ，然后按照土工试验规程中的击实试验方法将土样压实，制成环刀试件。 ，关于非饱和试样的保湿，土工试验规程s l 2 3 7 1 9 9 9 和鬈公路土工试验规程 j t j 0 5 1 9 3 中指出：“如系非饱和试样，须用湿棉纱围住加压盖板四周，避免水分蒸 发”。所以在试验过程中采用湿毛巾围住加压盖板四周，避免水分蒸发。 3 1 3 试验结果整理 本次试验分为两组干密度土样，分别为1 6 7 9 e r a 3 ( 压实度9 0 ) 、1 7 6 9 c m 3 ( 压 实度9