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粘性土边坡的稳定性分析

日期：2006-11-30来源：作者：gongluyanghu

粘性土边坡的稳定性分析

粘性土边坡的稳定性分析程国栋

摘要：陕西南部汉中、安康地区广泛分布有一层粉质粘土，该层土近似粘土，含膨胀土矿物，具有独特的石榴粒状结构，遇水c、Ø值急骤降低，极易产生滑坡。
　　通过对某边坡的稳定分析及挡土墙稳定验算，采用多种土压力计算理论，分析边坡滑动时的c、Ø值变化范围、提出在陕南地区进行挡墙设计时，参数c、Ø值取值的建议。
关键词：滑坡；挡土墙；土压力；凝聚力
中图分类号：P642 文献标识码：B 文章编号：1005-8524（1999）03-0014-05Analysis for Slope Stability of Cohesive Soil

Analysis for Slope Stability of Cohesive Soil

CHENG Guo-dong
（Shanxi Province Electric Power Design Institute，Xian 710054）

Abstract：There distribut abroad a layer mealy clay in South of Shannan Provinoe Hanzhoge、Ankang area，it"s close to clay，contains swelling soil mineral，having inimitable megranate structure，c、Ø
      value urgent debase when meeting water，amilible produce slide．How to choose the logical geotechnical parameters to design block soil wall，father slide？In this article，transit analysis of a slop"s stability and checking computations to block soil wall stability，adopt many kind of soil-tension calculate theory，analyse c、Ø
      value diversification and extension when slope sliding，give out the advice of c、Ø
      value when design block soil wall in North of Shanxi．
Key words：slide；block soil wall；soil－tension；coherence－tension　　陕西南部汉中、安康地区广泛分布一层具弱膨胀势的粉质粘土。使该地区经常发生边坡滑动，对各种电力设施造成很大危胁。例如：1995年大雨之际西北地区主干网线安南线（安康水电厂至西安南郊变）、略勉线（略阳电厂至勉县变）都曾发生塔基滑动。因此，研究该层土的力学性质，提出合理的参数供设计挡土墙及其它治理措施方案的选用，具有十分重要的意义。

　　陕西南部汉中、安康地区广泛分布一层具弱膨胀势的粉质粘土。使该地区经常发生边坡滑动，对各种电力设施造成很大危胁。例如：1995年大雨之际西北地区主干网线安南线（安康水电厂至西安南郊变）、略勉线（略阳电厂至勉县变）都曾发生塔基滑动。因此，研究该层土的力学性质，提出合理的参数供设计挡土墙及其它治理措施方案的选用，具有十分重要的意义。

1 陕南粉质粘土的主要特征

　　据我院在陕南地区勘探的成果及野外探井揭露，区内粉质粘土层具有以下主要特征：褐黄～褐色，稍湿～湿，硬塑～坚硬，偶含铁锰质结核或钙质结核，具中等压缩性，弱膨胀势，塑性指数接近17，土质呈斑块状，掰开后形如石榴粒，（笔者称之为石榴粒状结构），可见明显的灰白色膨胀土矿物，成分主要为次生粘土矿物，蒙脱石（微晶高岭土）、伊利石（水云母）等。裂隙较发育，一般无充填或被淋滤的石灰质浸染成白色网状条纹，裂隙面光滑，手捻有滑感。这种土干时硬如岩石，遇水极易软化崩解，因其具有独特的结构特征，使这种土质边坡极易滑动，特别是在多雨季节更是明显，旱季则易形成干裂缝（皲裂）。其物理力学性质指标见表1。

表1 陕南粉质粘土主要物理力学性质指标

指标类别一般值天然含水量w％18～23天然密度ρ ／g／cm³1．9～2.1干密度ρ_d ／g／cm³1.6～1.65天然孔隙比e0.6～0.7塑性指数I_p15～18液性指数I₁0.1～0.0自由膨胀率Fs／％55～6050kPa下膨胀率e_p／％1.5～2.1膨胀力P_p20～40线缩率e_sl／％3～6压缩系数a_1－2／MPa^－10.1～0.2压缩模量E_s／MPa8～15内凝聚力c／kPa50～80

内磨擦角?／°15～30动探击数N₁0.020～60

2 某边坡稳定性分析与挡墙稳定验算
　　由于陕南粉质粘土层易形成滑坡，研究该区土质边坡的稳定性以及如何设计挡土墙，具有较为重要的意义。下面以安康岚皋变东侧的一边坡为例进行计算分析。
2.1 工程概况
　　该变电所位于安康地区岚皋县城北，为一平缓山坡，东高西低，地层主要为粉质粘土，其物理力学性质指标见表2。表2 安康地区粉质粘土层物理力学性质指标

表2 安康地区粉质粘土层物理力学性质指标

指标名称建议值含水量w％22.8天然密度ρ ／g／cm³1.98干密度ρ_d／g／cm³1.61饱和度Sr／％90.4孔隙比e0.702塑性指数I_p16.8液性指数I_L＜0压缩模量E_s／MPa10.64压缩系数a_v／MPa^－10.172凝聚力c／kPa55.45

内磨擦角?／°25.27动探击数N_10.034

　　该变电所为原35kV变电所升压改造工程，场地施工整平时在东侧开挖形成一高4 m的陡立边坡，适逢雨季，边坡失稳形成滑坡，在边坡坡面上形成裂缝，且有明显的下滑位移，变电所管理人员根据当地建筑经验修建挡土墙，制止了边坡的继续下滑，边坡外形尺寸见图1。

图1 边坡外形尺寸图

2.2 边坡稳定性验算与分析
　　用泰勒（Taylor）分析方法，查《工程地质手册》图6-2-4可得该边坡达到破坏时稳定因数Ns为6.2，再计算实际边坡稳定因数

故该边坡稳定系数

很明显，该边坡是稳定的。此外，粘性土边坡侧壁允许自立高度用《工程地质手册》
（第三版）推荐的公式来计算：

　　即该边坡能达到10.8 m的直立高度，显然可以稳定。对粘性土来讲，其室内试验所做的抗剪强度指标存在一定误差，一般取试验结果的70％，即便如此，该边坡的稳定系数还是3。由此可知，按《工程地质手册》，自然条件下该边坡应该是稳定的。
2.3 土压力计算
　　计算土压力以便验算挡土墙的稳定性。采用《建筑地基基础设计规范》（GBJ7-89）推荐公式，该公式采用楔体试算法相似的平面滑裂面假定，得到主动土压力为：

式中 ——填土重度，／kN／m³；
　　H——挡土墙高度；／m；
　　Ka——主动土压力系数，按下式确定
　　
式中 q——地表均布荷载（以单位水平投影面上的荷载强度计）；
　　φ—填土的内摩擦角；
　　α＇、β、δ—见图2，其中δ为Ea与水平向夹角，即墙背与填土间的磨擦角，取φ／3。

图2 计算公式参数示意图

　　将边坡指标代入上式计算Ka＝1.22，Ea＝－278.6kN／m，土压力Ea为负值，说明边坡自身是稳定的，没有对挡土墙产生土压力。
　　下面再用力矢多边形法分析边坡的受力情况，用图解法求主动土压力，见图3

图3 楔形体受力示意图

　　假设BD为滑动面，作用于楔形体ABD上的力有：
　　（1）土楔形自重W；
　　（2）滑动面BD上的反力与BD面法线夹角为?角；
　　（3）BD面上的总粘聚力c＝c^.BD，c为填土的粘聚力；
　　（4）墙背与接触面上的总粘聚力C_a＝C_a^.AB，C_a为墙背与填土间的粘聚力，在本边坡中取c／3。
　　（5）墙背对填土的反力E，与墙背法线方向成δ角
　　上述各力，W，c，c_a大小和方向已知，R、E方向已知，大小未知。
　　先按滑动面BD试算，用正弦定理解力矢多边形，见图4

图4 力矢多边形示意图

　　解得：E＝－1885，此时θ＝26.8°
　　经试算当θ＝62°时，E_a最大，即E_a＝－342.3kN／m．以上计算可知土压力为负值，破裂角为62°，显然这与实际破裂角26.8°有出入。
　　最后用库仑（Coulomb）土压力理论，适当增加粉质粘土的内摩擦角φ而不计凝聚力c值来计算。该边坡粉质粘土的内摩擦角为25.3°，增大至40°计算

用库仑理论得到的土压力与用规范公式和图解法求得的主动土压力相差较大，但它与实际情况最相符。
2.4 挡土墙稳定验算
　　将挡土墙分成一个矩形和一个三角形，如图1所示，用库伦理论所得土压力对挡土墙进行稳定验算，计算如下：
　　G₁＝22×0．8×4．8＝84．5 kN／m
　　a₁＝2－0．8＋0．8／2＝1．6 m
　　G₂＝0.5×（2－0.8）×4．8×22
　　＝63．4 kN／m
　　a₂＝（2／3）×（2－0.8）＝0.8 m
　　土压力Ea与挡土墙背成δ角，使土压力推墙的力矩减小，为安全可不考虑δ角的作用，即土压力E对O点的力臂取1.6 m。挡土墙抗倾覆稳定安全系数为

　　将土压力Ea分成两个量，竖向Easinδ，水平Eacosδ，墙与基底的磨擦系数μ取0.45，挡土墙抗滑稳定安全系数为

　　以上计算可知用库伦理论所得土压力计算，挡土墙抗滑、抗倾覆基本上是安全的。
2.5 计算结果分析
　　分析计算结果可以看出不考虑凝聚力c值时求得的主动土压力，与实际情况较为相符，但库仑土压力理论只适用于砂性土，未考虑凝聚力c值，同时增大内摩擦角的关键是增大多少为合适，其中显然存在一定的误差。而用规范公式以及图解法求得的土压力为负，没有土压力，这与坡面开裂的事实相矛盾。究其原因，主要是采用抗剪强度指标时所用室内试验值偏高，而边坡中的土体在受雨水浸润时凝聚力急聚下降，所以，对陕南粘性土边坡来讲，在进行边坡稳定性分析及挡墙计算时墙必须适当降低抗剪强度c、Ø值，针对该边坡笔者用自编三种土压力计算方法的计算机程序（程序清单略），进行土压力计算与挡土墙稳定验算，结果见表3。表3 不同c、Ø值时土压力计算结果
表3 不同c、Ø值时土压力计算结果
　　解得：E＝－1885，此时θ＝26.8°
　　经试算当θ＝62°时，E_a最大，即E_a＝－342.3kN／m．以上计算可知土压力为负值，破裂角为62°，显然这与实际破裂角26.8°有出入。
　　最后用库仑（Coulomb）土压力理论，适当增加粉质粘土的内摩擦角φ而不计凝聚力c值来计算。该边坡粉质粘土的内摩擦角为25.3°，增大至40°计算

用库仑理论得到的土压力与用规范公式和图解法求得的主动土压力相差较大，但它与实际情况最相符。
2.4 挡土墙稳定验算
　　将挡土墙分成一个矩形和一个三角形，如图1所示，用库伦理论所得土压力对挡土墙进行稳定验算，计算如下：
　　G₁＝22×0．8×4．8＝84．5 kN／m
　　a₁＝2－0．8＋0．8／2＝1．6 m
　　G₂＝0.5×（2－0.8）×4．8×22
　　＝63．4 kN／m
　　a₂＝（2／3）×（2－0.8）＝0.8 m
　　土压力Ea与挡土墙背成δ角，使土压力推墙的力矩减小，为安全可不考虑δ角的作用，即土压力E对O点的力臂取1.6 m。挡土墙抗倾覆稳定安全系数为

　　将土压力Ea分成两个量，竖向Easinδ，水平Eacosδ，墙与基底的磨擦系数μ取0.45，挡土墙抗滑稳定安全系数为

　　以上计算可知用库伦理论所得土压力计算，挡土墙抗滑、抗倾覆基本上是安全的。
2.5 计算结果分析
　　分析计算结果可以看出不考虑凝聚力c值时求得的主动土压力，与实际情况较为相符，但库仑土压力理论只适用于砂性土，未考虑凝聚力c值，同时增大内摩擦角的关键是增大多少为合适，其中显然存在一定的误差。而用规范公式以及图解法求得的土压力为负，没有土压力，这与坡面开裂的事实相矛盾。究其原因，主要是采用抗剪强度指标时所用室内试验值偏高，而边坡中的土体在受雨水浸润时凝聚力急聚下降，所以，对陕南粘性土边坡来讲，在进行边坡稳定性分析及挡墙计算时墙必须适当降低抗剪强度c、Ø值，针对该边坡笔者用自编三种土压力计算方法的计算机程序（程序清单略），进行土压力计算与挡土墙稳定验算，结果见表3。表3 不同c、Ø值时土压力计算结果
表3 不同c、Ø值时土压力计算结果抗剪强度计算方法图解法规范公式库伦理论c值φ值破裂角θ土压力Ea土压力Ea土压力
Ea抗滑系数55.5

25.3

－342

342－278.6

278.638.85

17.71

－252

252－183.2

183.20

25.3

100.9

70.471.241.024

57.4

58.2

44.17

44.8

17.71

135.4

155.5

7.5

17.71

56.6

94.7

17.71

24.9

68.7

17.71

13.2

58.8

17.71

1.9

49.2

　　在挡土墙稳定验算中，抗滑稳定安全系数Ks＝1.0时可反求土压力为72.07 kN／m，这说明该边坡的土对挡土墙产生的土压力最大为72.07 kN／m，最小为0，超出此范围则表明计算方法有误或c、Ø值取值不当。用图解法试算时，当c值约3kPa，值为17.71时，破裂角约29，接近实际的26.8，说明该边坡发生滑动时c值约3.0 kPa。此后，随水的排出，土体固结，强度增高，c值提高至12 kPa左右，土对挡墙的压力也随之减少了。当c取12 kPa、Ø取17.71时，Ea接近0，为1.9kPa／m。从表3可知，当c取11 kPa，即相当室内试验值的20％，Ø取17.71，相当室内试验值的70％时与实际情况较为相符，此时验算挡土墙也是稳定的。这说明验算挡墙稳定时，对陕南粘性土来讲，c、Ø值能分别取到试验值20％、70％左右。
　　从上述的计算可以看出，由于该区粘性土的c、Ø值较高，使得低边坡很容易自我稳定，但这是在外界条件不受破坏的前提下达到的，一旦遇到雨水，就极有可能破坏边坡的平衡条件，边坡失稳形成滑动，这从土压力计算中可以得出同样的结论。从野外探井描述中可以清楚的看到陕南粘性土的石榴粒状结构，很容易裂开形成滑动面。故其c值在边坡稳定验算及挡土墙设计时应适当折减。在本工程中，由于边坡坡面已经形成裂缝且有较明显的边坡下滑位移，故可知该边坡对挡土墙肯定有土压力且挡墙稳定，据此可推算c值的大致范围。
综上所述，陕南粘性土具有独特的石榴状结构，室内试验c、Ø值偏高。在边坡及挡土墙验算中必须适当折减，才能保证边坡受雨水浸润后在挡土墙作用下不失稳，否则按室内c、Ø值设计挡土墙，极有可能造成挡土墙失稳的严重后果。建议c、Ø值分别取室内试验值的20％和70％。

3 结语

　　陕南粘性土因具有独特的石榴状结构，又含有粘土矿物，极易形成滑坡。必须重视滑坡现象并合理设计挡土墙预防滑坡的产生。建议在挡土墙设计时适当折减c、Ø值来进行验算，或结合当地建筑经验，采取有效手段治理滑坡。

作者简介：程国栋男，27岁，1995年毕业于华北水利水电学院，学士，助理工程师．

作者单位：陕西省电力设计院，西安 710054

参考文献：
［1］华南理工大学等．地基与基础（新一版）［M］．北京：中国建筑工业出版社，1991．
［2］《工程地质手册》编写委员会．工程地质手册（第三版）［Z］．北京：中国建筑工业出版社，1992．
［3］GBJ-89，建筑地基基础设计规范［S］．

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