抗剪强度随干湿循环变化对边坡安定性的影响 Effect of shear strength variation on shakedown safety of slopes due to cyclic wetting-drying.pdfVIP

水 利 学 报 2008年5月 SHUILIXUEBA0 第39卷第5期 文章编号：0559．9350(2008)05—0568—05 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，北京100084) 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，并与孑L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10％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：TU432 文献标识码：A 1 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¨1。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一蒸发，或者水位涨落这样的加载一卸载循环的过 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 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¨j】、以及承受循环轮压载荷的路 基M’71的安定性评价。陆杨等哺1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[8]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：2007．03．t5 作者简介：尹宏磊(1980一)，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。 E·mail：yiIlIIl03@mails．tsinghua．edu．ell ·-——568·-—— 万方数据 2安定上限分析方法 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。内于可以根据失稳模式来构造机动许可 的速度场，边坡稳定静极限分辑基本上都是求上限解。困忿，与之相对应缝进行安定上限分柝是菲常有 意义的。但是因为经热的Koiter定理是一种弱形式(积分形式)b】，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、且瞬时运费撬梅与塑性位移增量是霓俺楱狻时，嚣孪闻积分才有可憝求出。瑟以在安定分辑孛上限 分析比下限分析困难得多。不过，如果采用它的强形式阳】，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，从丽利用极限分析中对应的破坏模式求解安定问题。Collins等n1人就是利用强形 式鹃Koiter定