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水 利 学 报 年 月 第 卷 第 期 文章编号 抗剪强度随干湿循环变化对边坡安定性的影响 尹宏磊 徐千军 李仲奎 清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室 北京 摘要 干湿循环将会导致岩土介质的抗剪强度产生循环变化 本文探讨了干湿循环中材料参数的循环变化对边坡 安定性的影响 将材料性质的循环变化等效成载荷 并与孔隙水压的循环变化一同在安定分析中统一进行分析 最后对一算例进行计算 结果表明 即使只考虑抗剪强度参数 的循环变化 边坡的安定安全系数也会比极限安 全系数有相当程度的减小 表明抗剪强度随干湿循环的变化 会对边坡的安定性产生不可忽视的影响 关键词 边坡稳定 安定分析 抗剪强度 循环变化 中图分类号 文献标识码 研究背景 极限平衡和极限分析是边坡安全评价的主要手段 在涉及地下水的边坡稳定分析中 通常是对若 干典型的水位条件分别单独进行稳定校核 但是对于干湿循环这种特殊的条件 极限方法有一定的局 限性 它不能很好地解释为什么一些黏土边坡 特别是具有膨胀性的黏土边坡 会在极缓的坡度下发生 失稳破坏 而按照室内试验的结果和工程经验 即使完全按饱和土强度进行极限平衡计算 这样的缓坡 也是足够安全的 另外 当实际的降雨或洪水强度达不到直接导致边坡失稳的标准时 采用极限方法 计算只能得到水位回落后安全系数又回到原来水平的结论 无法用说明为什么一些原来被认为是安全 的边坡会在经历了多次干湿循环后出现破坏 根据塑性力学的原理 极限方法并不适用于降雨 蒸发 或者水位涨落这样的加载 卸载循环的过 程 会在一定程度上高估边坡的长期安全性 在这种情况下 应该对其进行安定分析 安定分析是塑 性力学中的一个重要分支 其作用是确定结构在循环载荷作用下的极限承载能力 结构在给定范围内 的循环载荷作用下可能出现两种情况 一种是在载荷循环若干次后 塑性变形趋于稳定 结构的后续行 为为弹性 此时称结构处于安定状态 另一种是在循环载荷作用下塑性变形不断发展 并最终导致结构 破坏 通过安定分析 可以确定在任意加载路径下结构的临界安定载荷 而人们熟知的极限分析则是安 定分析在比例加载条件下的特例 安定分析所研究的不是地震工况下的高频载荷循环 而是准静态的 涉及显著塑性变形的过程 这样的载荷循环次数通常在几十的量级 正好是人工边坡在工程有效期内应 该关心的 世纪 年代 等人将安定理论引入岩土工程领域 到目前为止已经取得 了丰富的成果 其中典型的例子包括对海浪环境中的海洋平台基础 以及承受循环轮压载荷的路 基 的安定性评价 陆杨等 则以孔隙水压力作为变载因素对边坡进行了安定分析研究 首次对边坡 的安定性问题进行探讨 但文献 中 只考虑了干湿循环对载荷变化的贡献 未考虑它对边坡材料性 质的影响 而事实上 土的强度与其含水率关系很大 干湿循环必然导致其抗剪强度的循环变化 从而 影响边坡的安定性 本文将集中讨论这一问题 收稿日期 作者简介 尹宏磊 男 河南南阳人 博士生 主要从事边坡稳定理论与分析方法的研究 安定上限分析方法 与极限分析类似 安定分析也是分别根据上限 定理和下限 定理 构造机动许可的速 度场和静力许可的应力场 来计算安定荷载的上限和下限的 由于可以根据失稳模式来构造机动许可 的速度场 边坡稳定的极限分析基本上都是求上限解 因此 与之相对应地进行安定上限分析是非常有 意义的 但是因为经典的 定理是一种弱形式 积分形式 在计算外力功和塑性耗散能时需要 在一个加载周期内对时间积分 通常只有在某些特定的条件下 如当屈服面具有某种特定的分段线性 形式 且瞬时运动机构与塑性位移增量是几何相似时 时间积分才有可能求出 所以在安定分析中上限 分析比下限分析困难得多 不过 如果采用它的强形式 那么就可以把机动安定分析写成与机动极限 分析相对应的形式 从而利用极限分析中对应的破坏模式求解安定问题