滑坡防治中的孔隙水壓力及相關問題研究方玉樹

1、滑坡防治中的孔隙水壓力及相關問題研究,方玉樹 （后勤工程學院，重慶 400041）,1 引 言,滑坡防治涉及的與孔隙水壓力相關的問題 （1）土條底面和兩側總孔隙水壓力 （2）土條有效重 （3）土條總滲透力 （4）地下水對抗滑擋墻的浮力 （5）抗滑擋墻墻背土壓力,認識不一致或不完全清楚 （1）孔隙水壓力：同水力學中的靜水壓強 （2） 地下水對結構物的浮力：對細粒土，懸而未決 （3）水位以下土的有效自重應力:水位以下土的重度是否一律取浮重度？ （4）水位以下土壓力：對粘性土，水土分算還是水土合算？ （5）土中滲透力：動水頭范圍內是否一律考慮滲透力？,2 孔隙水壓力研究,孔隙水壓力的表達 水壓率的分

2、析 純粗粒土：水壓率接近于1 純細粒土和含細粒的土：截面總面積幾乎等于結合水所占面積與自由水所占面積之和,也即孔隙所占面積水壓率幾乎等于自由水所占面積與孔隙所占面積之比,這個面積比在忽略土的各向異性時接近于相應的體積比. 或,圖1 孔隙水壓力涉及的截面示意 純粗粒土 純細粒土,水壓率的物理意義 同土的滲透系數(shù)一樣，土的水壓率本質上是由土的粒度和狀態(tài)決定的，因而就非均質各向異性的土而言是隨空間位置和方向變化的，并在固結過程中隨時間的增長而逐漸減小，為使涉及孔隙水壓力的問題能夠或易于求解，也常在一定的空間和時間范圍內被視為一個常量。 土的水壓率是對土的水壓性的度量，土的水壓性是指土能夠受到一定水壓

3、的性能。 土的水壓性是土的一個重要的水理性質，土的水壓率是土的一個重要的水理性質指標。,滑坡中的孔隙水壓力 土質滑坡中土條底面和兩側孔隙水壓力 分布圖形與所在面水壓率是否變化及變化情況有關，當水壓率變化時，孔隙水壓力未必隨壓力水頭的增加而增加。總孔隙水壓力的大小與水壓率的大小有關，水壓率越小，總孔隙水壓力越小。,3 與孔隙水壓力有關的力學問題研究,浮力 地下水在靜止狀態(tài)下對豎直柱狀結構物和以地表為頂面的豎直柱狀土體的浮力等于作用在結構物和土體底面上的總孔隙水壓力 當結構物和土體位于地表水位面以下而地下水與地表水連通、水位相同時，水在靜止狀態(tài)下對結構物和土體的浮力等于作用在結構物和土體底面上的總

4、孔隙水壓力與作用在結構物和土體頂面上的總水體水壓力之差 當結構物和土體位于地表水位面以下而地下水與地表水不連通時，地表水是作用在結構物和土體上方的荷載，水在靜止狀態(tài)下對結構物和土體的浮力也即地下水在靜止狀態(tài)下對結構物和土體的浮力，應按前一式計算。,有效應力 當孔隙水壓力因水壓率接近于0而接近于0時，有效應力接近于總應力。這時，有效應力強度指標也接近于總應力強度指標。 有效自重應力和浮重度 土的豎向有效自重應力是豎向總自重應力與孔隙水壓力之差，因此，當把土體視為半無限空間體時，多層土體中某點的豎向有效自重應力應按下式計算： 或,浮重度不是土的物理性質指標，僅僅是有效自重應力計算中所用的一個與重度

5、同量綱的參數(shù)。 事實上，根據(jù)物理學原理，即使設想有效自重應力計算點總是僅僅涉及水壓率近似為1的土或均質土，土也不存在一個真正的浮重度。確定（包括含水率也確定）的土同有確定的質量密度一樣有確定的重度，土的干重度和飽和重度是該土在含水率取最小值和最大值時重度的最小值和最大值。水位面以下土體的有效重量（浮重）不是該土固有的重量。 有質量密度才有相應的重度，沒有質量密度就有相應的重度。浮質量密度是不存在的，因而浮重度也是不存在的。雖然某些教科書把土的浮質量密度定義為單位體積土中顆?？鄢w積水質量后的質量（或顆粒有效質量），但這種定義的物理含義是不清楚的。 計算土的有效自重應力并不是非有浮重度這個參量

6、不可，沒有它，土的有效自重應力照樣可以計算。,土壓力 當土體中存在孔隙水壓力時，土壓力在原則上應按水土分算方法計算，即某種變形狀態(tài)（靜止狀態(tài)、主動狀態(tài)和被動狀態(tài)）下的土壓力應為相應狀態(tài)下側向有效土壓力與側向總孔隙水壓力之和。上述兩項的大小均隨土的水壓率變化。當土的水壓率很小時，孔隙水壓力接近于0，土的豎向有效自重應力接近于豎向總自重應力，有效應力強度指標接近于總應力強度指標，有效土壓力系數(shù)接近于總土壓力系數(shù)，故按水土分算方法計算的土壓力接近于按水土合算方法計算的土壓力，可以按水土合算方法計算土壓力。當土的水壓率較大時，按水土合算方法計算土壓力是不恰當?shù)模瑧捎盟练炙惴椒ā?滲透力 由此可知，

7、土中滲透力與土的水壓率成正比，當水壓率很小時，滲透力很小，考慮和不考慮滲透力結果相差很小?，F(xiàn)有公式是上式在水壓率為1時的結果，是上式的特殊情形。,4 用上述研究結果解釋若干有關土體變形破壞現(xiàn)象,滲流破壞 當水流垂直向上運動時，滲流破壞臨界水力坡度為 在用上式分析潛蝕時，式中的重度和水壓率不應是土體的重度和水壓率，而應是由粗粒間細粒和水構成的土管的重度和水壓率。,因土的水壓率可從近于1變化到近于0，土管的重度可從近于自由水重度的2倍變化到近于其1倍，所以，包括流土和潛蝕的滲流破壞既可能在水力坡度遠遠小于1的情況下發(fā)生，又可能在水力坡度遠遠大于1的情況下也不發(fā)生。對具備潛蝕內在條件的土體來說，由于

8、土管的重度總是小于土的重度，潛蝕臨界水力坡度總是小于流土臨界水力坡度即潛蝕比流土易于發(fā)生，也就是說，具備潛蝕內在條件的土不會未經(jīng)潛蝕而直接發(fā)生流土。 細砂和粉砂既難以具備潛蝕內在條件又因有很大的水壓率而有很小的流土臨界水力坡度，因而最易發(fā)生流土。,振動液化 土的振動液化是土在受到振動時喪失抗剪強度的結果。水壓率既影響初始孔隙水壓力又影響剩余孔隙水壓力。因此，在其它條件相同時，水壓率越大，液化越易發(fā)生。 細砂和粉砂既因有較低的滲透系數(shù)而不易排水又有很大的水壓率，其孔隙水壓力最容易積累到很高的值，所以最易發(fā)生振動液化。,地面沉降 大面積抽取地下水引起的地面沉降是水位下降導致土中有效自重應力增加的結

9、果。 一方面，不同的土不僅有不同的壓縮模量也有不同的水壓率，另一方面，壓縮模量大的土既可以有較低的水壓率也可以有較高的水壓率或者說其有效自重應力的增加值既可以較大也可以較小，壓縮模量小的土既可以有較高的水壓率也可以有較低的水壓率或者說其有效自重應力的增加值既可以較小也可以較大，故地面沉降量空間變化規(guī)律未必與水位下降值變化規(guī)律一致。,基坑底突 底突發(fā)生臨界頂板厚度為 含水層的水壓率越小，基坑底突越難發(fā)生。因含水層頂板的水壓率為0或近于0，故基坑底突總是從含水層頂板的底面開始而不可能從頂板內部某處開始。因有粘性土的水壓率小于無粘性土的水壓率，故在同等條件下有粘性土承壓含水層的頂板作坑底時比無粘性土

10、承壓含水層的頂板較難發(fā)生底突。 隧道中的突水也與含水層（體）的水壓率有關，含水層（體）的水壓率越小，隧道突水越難發(fā)生。,5 結束語,孔隙水壓力與土的水壓率成正比，可在0和水體水壓力之間取值，按水體水壓力計算的孔隙水壓力是本文提出的孔隙水壓力公式在水壓率為1時的結果。 土的水壓率是對土的水壓性的度量，是土的一個重要的水理性質指標，通過測定土的給水度和孔隙度可確定土的水壓率。 土的浮重度受控于有效自重應力計算點所在土層的水壓率，浮重度不是土的物理性質指標，現(xiàn)有浮重度公式是本文提出的浮重度公式在水壓率為1時的結果。,浮力、滲透力、有效應力（包括有效自重應力）和有效應力強度指標均與土的水壓率有關，浮力

11、和滲透力隨水壓率的減小而減小直至為0，有效應力（包括有效自重應力）隨水壓率的減小而增大直至等于總應力（包括總自重應力），有效應力強度指標隨水壓率的減小而變化直至等于總應力強度指標，阿基米德定律在一般意義上不適用于地下水浮力計算，現(xiàn)有滲透力公式是本文提出的滲透力公式在水壓率為1時的結果。 土壓力的水土分算結果隨水壓率的減小而減小，當水壓率很小時，水土分算結果接近于水土合算結果。 根據(jù)本文提出的孔隙水壓力表達式可以對滲流破壞（包括潛蝕和流土）、振動液化、地面沉降和基坑底突作出較好的解釋。,滑坡穩(wěn)定性分析的一種新條分法,方玉樹 （后勤工程學院，重慶 400041）,0 引 言,兩大類條分法 非嚴格條

12、分法 優(yōu)點：計算過程較簡單。 缺點：要么不適用于非圓弧形滑動面,不能計算條間力，如瑞典法和簡化畢肖普（Bishop）法，要么計算精度難以保障，如瑞典法、簡化簡布（Janbu）法、美國陸軍工程師團法、羅厄-卡拉菲爾斯（LoweKalafiath）法、不平衡推力法和非嚴格的沙爾瑪（Sarma）法。 嚴格條分法 優(yōu)點：適用于任意形態(tài)的滑動面，能計算條間力，計算精度高。 缺點：計算過程遠比非嚴格條分法復雜，有時收斂性還得不到保障。,問題的提出能否提出一種適用于任意形態(tài)的滑動面、能計算條間力、計算過程較簡單且計算精度較高的條分法（即適用于任意形態(tài)的滑動面、能計算條間力且計算精度較高的非嚴格條分法）？,1

13、 條間力假定,2 穩(wěn)定性計算公式,一般公式 條間水平力,穩(wěn)定系數(shù),滑動面為圓弧形的滑坡穩(wěn)定性計算公式,條間水平力,穩(wěn)定系數(shù),滑動面為非圓弧形的滑坡穩(wěn)定性計算近似公式,當土條數(shù)量足夠多時:,計算無需作相應圓弧形滑面。,3 算例,算例1 土坡一如圖2所示，高10m，坡率1:2，重度取20kN/m3，粘聚力取20kPa，內摩擦角分別取10，15，20，25，滑動面為圓弧形。不同的內摩擦角構成4種計算情況，各情況土條數(shù)量分別取2，3，4，6，8，12，24，土條劃分均按滑動面長度等分原則進行。,表1 土坡一穩(wěn)定系數(shù)計算結果,表2 土坡一誤差分析結果,從上述兩表可以看到，對圓弧形滑動面，土坡穩(wěn)定系數(shù)隨土

14、條數(shù)量的減少而提高，為保障計算精度，土條數(shù)量不能太少，但不同的方法對土條數(shù)量的要求差別很大： （1）采用諸如摩根斯坦-普賴斯法這樣的嚴格條分法時，土條數(shù)量為6時便已有相當高的計算精度。 （2）采用不平衡推力法顯式解法時，在土條數(shù)量達24的情況下，計算結果仍有明顯的誤差，抗剪強度指標越大，誤差越明顯。 （3）采用不平衡推力法隱式解法時，在土條數(shù)量達12的情況下，計算誤差多數(shù)仍大于土條數(shù)量為6時的嚴格條分法，抗剪強度指標越小，計算誤差大得越多；當抗剪強度指標較小時，在土條數(shù)量達24的情況下，計算誤差仍有可能大于土條數(shù)量為6時的嚴格條分法。 （4）采用新條分法時，同摩根斯坦-普賴斯法類似，土條數(shù)量為

15、6時便已有相當高的計算精度。,土坡二如圖所示，是一個含有軟弱夾層的邊坡。高12m，坡率1:2；土重度取18.84kN/m3；軟弱夾層粘聚力取0，內摩擦角取10；其它土層粘聚力取28.45 kPa，內摩擦角取20；滑面為非圓弧形。,算例2,表3 土坡二穩(wěn)定系數(shù)計算及誤差分析結果,表3顯示，在本例中，新條分法相對誤差明顯比現(xiàn)有各種非嚴格條分法相對誤差小且小于1%。,4 結束語,本文為土質滑坡穩(wěn)定性分析提出一種新的條分法。該方法能用于任意形態(tài)的滑動面（包括局部上凸和反翹），能計算條間力，計算過程較簡單。多種情況的計算結果表明，這種非嚴格條分法的計算精度與嚴格條分法十分接近。 新條分法的計算公式考慮了

16、滑面和條間孔隙水壓力、地震力及外加傾斜荷載，能用于受力情況復雜的土坡。 建議工程界放棄不平衡推力法顯式解法和瑞典法，也放棄滑坡穩(wěn)定性計算和滑坡推力計算采用不同方法的做法，采用新條分法。,關于滑坡安全儲備衡量指標,方 玉 樹 （后勤工程學院，400041）,1 引言,一些專家對安全儲備的看法 （1）安全儲備應用安全儲備系數(shù)來衡 （1） 或 （2） （2）安全儲備系數(shù)存在著隨穩(wěn)定系數(shù)的減小而減小的規(guī)律 （3）（因上述理由，為使同一安全等級的滑坡治理工程安全儲備相當）對穩(wěn)定系數(shù)較小的滑坡進行治理時應采用較大的安全系數(shù),上述觀點的應用情況 第三條意見已被某標準用做確定穩(wěn)定系數(shù)極低滑坡安全系數(shù)取值的依據(jù)

17、 前兩條意見寫入該標準條文說明 本文要討論的問題 由上式定義的安全儲備系數(shù)是否能衡量滑坡在治理后的安全儲備 安全儲備系數(shù)是否存在著隨穩(wěn)定系數(shù)的減小而減小的規(guī)律 滑坡安全系數(shù)取值是否應與滑坡穩(wěn)定系數(shù)掛鉤 滑坡安全儲備應用什么指標來衡量,安全儲備系數(shù)不存在著隨穩(wěn)定 系數(shù)的減小而減小的規(guī)律,圖1,曲線,安全儲備系數(shù)不能衡量滑坡在治理后的安全儲備,安全儲備系數(shù)隨穩(wěn)定系數(shù)的變化規(guī)律極其不合理 安全儲備系數(shù)無法隨穩(wěn)定系數(shù)的連續(xù)變化而連續(xù)變化 當穩(wěn)定系數(shù)趨近于0時，安全儲備系數(shù)趨近于安全系數(shù) 當穩(wěn)定系數(shù)小于1時，安全儲備系數(shù)大于安全系數(shù) 當穩(wěn)定系數(shù)為1時，無論怎樣治理，安全儲備系數(shù)既是正無窮大又是無意義的負

18、無窮大 當穩(wěn)定系數(shù)大于1時，無論怎樣治理，安全儲備系數(shù)都是無意義的負值 當穩(wěn)定系數(shù)趨近于安全系數(shù)時，安全儲備系數(shù)趨近于0.,安全儲備系數(shù)隨安全系數(shù)的變化規(guī)律極其不合理,當穩(wěn)定系數(shù)大于1時，安全系數(shù)越大，安全儲備系數(shù)越小。,4 安全系數(shù)取值不應與穩(wěn)定系數(shù)掛鉤,掛鉤的理由不成立 安全系數(shù)是為判斷穩(wěn)定系數(shù)是否達到要求設立的標準，與穩(wěn)定系數(shù)無關 掛鉤會導致諸多奇怪現(xiàn)象產(chǎn)生,現(xiàn)象一：有二個僅僅抗剪強度指標不同的滑坡， 。決定采用灌漿加固的辦法處理。若 那么，當二個滑坡的抗剪強度指標提高到同一水平使二個滑坡的穩(wěn)定系數(shù)剛好等于 時，一個滑坡的治理達到要求，另一個滑坡的治理未達到要求。 現(xiàn)象二：有二個僅僅水壓

19、力不同的滑坡， 。決定采用截水隔水措施治理。若 ，那么，當二個滑坡的水壓力降低到同一水平使二個滑坡的穩(wěn)定系數(shù)剛好等于 時，一個滑坡的治理達到要求，另一個滑坡的治理未達到要求。 現(xiàn)象三：有二個僅僅坡角不同的滑坡， 。決定采用削坡的辦法處理.若 ，那么，當二個滑坡的坡角降低到同一水平使二個滑坡的穩(wěn)定系數(shù)剛好等于 時，一個滑坡的治理達到要求，另一個滑坡的治理未達到要求。,現(xiàn)象四：有二個僅僅坡角不同的滑坡 。決定采用前緣堆土以減小坡角的辦法處理（要求堆土的土性與原土相同）。若 ，那么，當二個滑坡的坡角降低到同一水平使二個滑坡的穩(wěn)定系數(shù)剛好等于 時，一個滑坡的治理達到要求，另一個滑坡的治理未達到要求。

20、現(xiàn)象五：有二個僅僅后部地面荷載大小不同的滑坡， 。決定采用減小地面荷載的辦法處理。若， 那么，當二個滑坡的地面荷載降低到同一水平使二個滑坡的穩(wěn)定系數(shù)剛好等于 時，一個滑坡的治理達到要求，另一個滑坡的治理未達到要求。 現(xiàn)象六：有二個僅僅前部地面加載大小不同的滑坡， 。決定采用增加前部地面荷載的辦法處理。若 ，那么，當二個滑坡的地面荷載增加到同一水平使二個滑坡的穩(wěn)定系數(shù)剛好等于 時，一個滑坡的治理達到要求，另一個滑坡的治理未達到要求。,現(xiàn)象七：有二個僅僅預應力錨索數(shù)量不同的滑坡， 。決定采用增加預應力錨索數(shù)量的辦法處理。若 ，那么，當二個滑坡的預應力錨索數(shù)量增加到同一水平而錨索的其它情況也相同使二

21、個滑坡的穩(wěn)定系數(shù)剛好等于 時，一個滑坡的治理達到要求，另一個滑坡的治理未達到要求。 現(xiàn)象八：有二個僅僅抗滑樁數(shù)量不同的滑坡， 。決定采用增加抗滑樁數(shù)量的辦法處理。若 ，那么，當二個滑坡的抗滑樁數(shù)量增加到同一水平而抗滑樁的其它情況也相同使二個滑坡的穩(wěn)定系數(shù)剛好等于 時，一個滑坡的治理達到要求，另一個滑坡的治理未達到要求。 現(xiàn)象九：有二個僅僅重力式擋墻斷面尺寸不同的滑坡， 。決定采用增大擋墻斷面尺寸的辦法處理。若 ，那么，當二個滑坡的擋墻斷面尺寸增加到同一水平使二個滑坡的穩(wěn)定系數(shù)剛好等于 時，一個滑坡的治理達到要求，另一個滑坡的治理未達到要求。,現(xiàn)象十：有二個滑坡，滑坡一的防治工程等級低于滑坡二。

22、當滑坡一的穩(wěn)定系數(shù)低于滑坡二時，滑坡一的穩(wěn)定安全系數(shù)可以高于滑坡二，也就是說，防治工程等級較低的滑坡穩(wěn)定安全系數(shù)可以高于防治工程等級較高的滑坡。 現(xiàn)象十一：一個滑坡的不同剖面穩(wěn)定系數(shù)不同時，各剖面應取不同的穩(wěn)定安全系數(shù)，也就是說，一個滑坡應同時取若干個穩(wěn)定安全系數(shù)，剖面越多，穩(wěn)定安全系數(shù)個數(shù)應越多。 現(xiàn)象十二：滑坡治理施工過程是滑坡穩(wěn)定系數(shù)不斷變化的過程，在這個過程的任何一個時間點上，該滑坡都是一個具有不同穩(wěn)定系數(shù)的“新”滑坡，穩(wěn)定安全系數(shù)應隨時間不斷調整。,安全儲備應用穩(wěn)定系數(shù)這一指標來衡量,滑坡的安全儲備同地基和基礎的安全儲備一樣只能通過抗力項和作用項的比較來了解 對地基和單樁承壓而言，基

23、礎底面豎向壓力和樁頂荷載是作用項，地基和單樁承載力是抗力項，安全儲備只能通過地基承載力和基礎底面豎向壓力的比較、單樁承載力和樁頂荷載的比較來了解。 對地基和承臺抗沖切而言，沖切力是作用項，抗沖切力是抗力項，安全儲備只能通過抗沖切力和沖切力的比較來了解。 對單樁抗拔而言，單樁拔力是作用項，單樁抗拔承載力是抗力項，安全儲備只能通過單樁抗拔承載力和單樁拔力的比較來了解。 對單樁抗推而言，單樁水平力是作用項，單樁水平承載力是抗力項，安全儲備只能通過單樁水平承載力和單樁水平力的比較來了解。 對滑坡而言，下滑力是作用項，抗滑力是抗力項，安全儲備只能通過抗滑力和下滑力的比較來了解。,滑坡在某狀態(tài)下的穩(wěn)定系數(shù)

24、是滑坡在該狀態(tài)下的 抗滑力和下滑力之比,滑坡所處的狀態(tài)對應著一定的外部因素（如降雨情況、水位情況、地震情況）、一定的地形、一定的物質組成乃至一定的支擋結構?；虏捎弥踅Y構治理后，支擋結構以某一安全系數(shù)提供抗力，此時滑坡的穩(wěn)定系數(shù)是考慮支擋結構以某一安全系數(shù)提供抗力時滑坡的抗滑力和下滑力之比。,滑坡穩(wěn)定系數(shù)這一概念為衡量滑坡的安全儲備而存在,如果穩(wěn)定系數(shù)不用來衡量滑坡的安全儲備，那么穩(wěn)定系數(shù)這一概念的存在便失去了意義。事實上，我國工程界普遍用穩(wěn)定系數(shù)來衡量滑坡的安全儲備，也是根據(jù)穩(wěn)定系數(shù)的大小來決定是否采取防范或治理措施： 當穩(wěn)定系數(shù)大于或等于安全系數(shù)時，滑坡有足夠的安全儲備或者說安全儲備已達到要求，無需采取防范或治理措施； 當穩(wěn)定系數(shù)小于安全系數(shù)時，滑坡安全儲備不足或者說安全儲備未達到要求，需要采取防范或治理措施； 當治理（包括采用支擋結構治理）后滑坡的穩(wěn)定系數(shù)仍小于安全系數(shù)時，滑坡安全儲備仍不足或者說安全儲備仍未達到要求，仍需要采取防范或治理措施。,6 結論,由（1）式定義的滑坡安全儲備系數(shù)不能衡量滑坡在治理后的安全儲備。 由（1）式定義的滑坡安全儲備系數(shù)不存在隨滑坡穩(wěn)定系數(shù)的減小而減小的規(guī)律。 滑坡