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1、高 等 土 力 学 读 书 笔 记非饱和土力学理论在降雨型滑坡研究中的应用年 级 xxxxxxxxxx姓 名 xxxxxxxxxx学 号 xxxxxxxxxxx专 业 xxxxxxxxxxxx二零一六年一月1目录1 前言 .21.1 降雨型滑坡研究的意义 .21.2 依据饱和土力学理论的边坡稳定性分析方法研究 .31.3 依据非饱和土力学理论的边坡稳定性分析方法研究 .42 非饱和土的强度以及变形理论 .62.1 概述 .62.2 非饱和土基本特性 .72.3 应力状态变量 .82.3.1 吸力 .82.3.2 有效应力 .92.4 强度理论 .122.4.1 Mohr-Coulomb 准则
2、.122.4.2 非饱和土的破坏准则 .132.4.3 非饱和土抗剪强度公式的讨论 .152.5 变形特性 .163 降雨影响滑坡稳定性的评价方法研究 .18参考文献 .2421 前言1.1 降雨型滑坡研究的意义降雨是边坡失稳的主要诱发因素。 “中国地质灾害数据库”记录了 1949 年至 1995 年期间发生在我国的滑坡灾害，其中 68.5%的滑坡是由降雨引起的。其它诱发因素（比如库水位升降、地震、洪水、人工切坡、采矿等）导致滑坡的总数仅占同一期间发生在我国滑坡灾害的 32.5%。 中国典型滑坡 一书中列举了 90 多个滑坡实例，其中有 95%以上的滑坡都与降雨有着密切的关系。 中国重大地质灾
3、害实例分析一文中所列举的 27 项中国重大地质灾害中有 15 项是由于暴雨引发。1975 年 8 月 8 日10 日，湖北秭归县降雨 300mm，诱发了大量滑坡，其中产生严重危害的就达 876 处。1998 年重庆市区范围区内连续遭受了 9 次大暴雨和特大暴雨的袭击，引发大小地质灾害达 27896 处之多，其中滑坡 80%以上，据不完全统计，其直接经济损失达 9.7 亿元，间接损失不可估量。日本 1981 年、1982 年统计的 198 处滑坡，其中降雨诱发的滑坡为 195 处，占总数的 98%。调查显示：天然边坡以及铁路、公路、露天矿等的开挖边坡的失稳多发生在雨季，并且，滑坡灾害发生频次在一
4、年内随月份、季节变化，呈现出明显的以 7 月份为对称轴的正偏态分布变化规律(见图 1-1)。滑坡发生频次最多的月份与暴雨出现频次最多的月份相一致，滑坡发生与暴雨频次具有良好的一致性。图 1-1 重大滑坡成灾频次变化曲线对滑坡与降雨关系进行分析，结果表明：降雨历时、降雨量、降雨强度及降雨形式等因素对滑坡的发生具有重要的影响。研究不同国家、地区由降雨诱发的滑坡(见表 1-l)，不难发现： 边坡失稳与总降雨量的大小、日降雨强度以及降雨持续时间的长短等有着直接关系。统计结果表明，一次降雨总量在 150mm300mm 之间较容易诱发滑坡的发生。 降雨对滑坡的影响与具体地区有关，不同地区诱发滑坡的临界降雨
5、量有一定的差别。例如，四川盆地滑坡主要发生在日降雨强度超过 200mm/d 的分布区，香港滑坡发生的日降雨强度大都在 100mm/d 以上。 由表 1-1 可以看出：对同一类型不同规模的滑坡，临界降雨量亦不相同。例如，在四川盆地，累积降雨量在 50-100mm、日降雨量在 30mm 以上时，就有小型浅层滑坡开始发生；当累积降雨量在 150mm 以上，日降雨量大于 100mm 时，随着降雨量的增加，中等规模的堆积层滑坡和破碎岩土滑坡开始出现；当一次暴雨过程的累积降雨量在 250300mm 以上，日降雨量大于 150mm 时，发生大型和巨型滑坡。3表 1-1 国内外暴雨触发滑坡的临界降雨强度对于由
6、降雨因素导致的边坡失稳机理，目前，较为普遍的认识是：降雨入渗使得边坡体内的地下水潜水面升高，滑面处岩体软化，从而降低边坡的稳定性，导致滑坡的发生。基于这一认识的评价、分析方法是，运用饱和渗流理论，模拟降雨引起的潜水面升高；运用刚体极限平衡方法，计算潜水面升高后的边坡稳定性，并以此作为设计依据。这是一种基于饱和土力学理论的边坡稳定性分析方法。但是这种评价方法往往很难被实践经验丰富的工程师所采信。原因主要是：降雨对边坡稳定性的影响与具体地区有关，不同地区诱发滑坡的临界降雨量有一定的差别。例如，四川盆地滑坡主要发生在日降雨强度超过200mm/d 的分布区，香港滑坡发生的日降雨强度大都在 100mm/
7、d 以上。同时，不同类型的滑坡，致滑的临界降雨量值亦不同；即使对于同一地区的边坡，不同专家推荐的确定临界降雨量的标准也有所不同。例如，有人建议用前期的总降雨量值来确定临界降雨量；有人建议以日降雨量值来确定临界降雨量；也有人建议用时最大降雨量值来确定临界降雨量，等等。事实上，边坡失稳与总降雨量的大小、日降雨强度以及降雨持续时间的长短等均有着直接关系。故已有的工程设计均采用对孔隙水压力进行假定的方法。例如美国一些工程采用水面到达地表的静水压力分布。这一假定基于以下认识：历时长的降雨使边坡裂隙完全饱水，地下水位达到地表。对于高边坡工程，采用这一水压力分布使加固设计过于保守。我国一些边坡工程常将静水压
8、力乘以折减系数来做边坡设计，如漫湾折减系数 0.4；五强溪水电站则采用类似 Hoek，但取值较小；三峡工程采用折减系数 0.3，目前采用强排水体系而不考虑暂态水压力。彼此差别极大，且均缺少理论分析及实测数据的支持。降雨诱发滑坡机理及其评价方法研究历来是岩土工程实践中备受关注的一个课题。对于一个大型工程边坡的设计，若能科学合理地确定边坡中的孔隙水压力，首先，将节省大量的工程投资；其次，工程的安全稳定运营将带来巨大的社会效益以及经济效益。同时，这一方面的研究，将使我们对于由降雨因素导致边坡失稳的作用机制有一个更加深入的认识，为建立更加科学的边坡稳定性理论体系及评价方法体系提供依据。因此，对于降雨诱
9、发滑坡机理及其评价方法的研究，具有重大的理论意义和实践意义。1.2 依据饱和土力学理论的边坡稳定性分析方法研究1776 年，法国工程师 C.A.Cuoolmb 提出了计算挡土墙土压力的理论方法，就是极限平衡方法的雏型。廿世纪二十年代，Fenneius 率先提出极限平衡条分法，边坡稳定性分析的4极限平衡理论己经形成了。后来经过 Bishop、Janbu、Morgenstern 等人的发展，极限平衡条分法形成了较完整的理论体系。极限平衡法作为边坡稳定分析的经典方法，己经历了数十年的研究与应用，主要方法有：Fellenius 法、Bishop 法、 Janbu 法、Moensetnr&priee 法
10、、Speneer 法、Samra 法以及目前国内工业、民用建筑和铁道部门使用很广泛的不平衡推力传递法等。极限平衡方法建立在大家所熟悉的饱和土体 Mohr-Cuoolmb 强度准则基础上，是通过分析在临近破坏状态(极限状态 )下，土体所受力与内部强度所提供的抗力之间的平衡，计算岩土体在自身或结构物作用下的稳定性程度。极限平衡法只注重土体破坏瞬间的变形机制，可以满足力平衡、力矩平衡和应力边界条件，而不关心土体变形过程。基于饱和土力学理论的极限平衡方法认为降雨入渗造成边坡内地下水位上升，水压力增大，导致边坡稳定性降低，甚至出现失稳。其作用机理是静水压力增大，最初，对于降雨过程中边坡体内的水压力的分析
11、，主要是应用分段法、基本抛物线法等解析方法，求出一定降雨入渗量(降雨量乘以降雨入渗系数 )下的边坡浸润线，再计算浸润线到滑面的距离来确定水压力。廿世纪六十年代，开始运用数值方法依据饱和渗流模型来模拟降雨作用下边坡体内的渗流场，降雨入渗量直接补给到潜水面上。廿世纪七十年代以后，这种渗流场数值模拟方法逐渐在边坡工程中广泛应用。1.3 依据非饱和土力学理论的边坡稳定性分析方法研究事实上，降雨渗入边坡岩土体，到达潜水面经历了一个非饱和饱和渗流过程降雨前，边坡中处于非饱和状态的岩土体物理、力学性质，在降雨入渗过程中的变化，对于边坡稳定性降低甚至失稳至关重要。近年来，随着非饱和土力学理论的发展，为如何恰当估计降雨对边坡稳定性的影响提供了新的理论基础及相应的分析方法。廿世纪五十年代，美国公路研究实验所的人员最先注意到处于非饱和状态的土中的基质吸力对公路及机场设计的重要意义。1961 年，制造出第一台用于非饱和土三轴试验的仪器。随后，Bishop （1960） ，Satija（1978） ，Fredlund （1982 ）等进行了大量的有关非饱和土的力学试验。1978 年，Fredlund 等得出适用于非饱和土体的引伸的 Mo
