基于完全软化强度的膨胀土边坡浅层滑动稳定性分析方法与流程
本发明涉及一种稳定性分析方法，特别是涉及基于完全软化强度的膨胀土边坡浅层滑动稳定性分析方法，属于岩土工程土坡稳定尤其是膨胀土边坡稳定性分析应用研究领域。
背景技术：
由于膨胀土对环境因素变化的敏感性，膨胀土膨胀性及抗剪强度复杂多变，膨胀土边坡破坏机理及滑坡特点不同于一般土质边坡。采用常规的条分法等边坡稳定性分析方法分析膨胀土边坡稳定性时，计算结果无论在安全程度还是滑坡形式上与实际情况往往有较大的出入，故确定适用于膨胀土边坡的稳定性分析方法十分重要。
常用边坡稳定性分析方法中较为常用的分为两种，一种为极限平衡法；另一种为有限元法。为了确定适应于膨胀土边坡的稳定性分析方法，众多学者基于常规方法，对极限平衡法及有限元法进行改进，且作了较多努力。
对众多学者改进的膨胀土边坡计算方法进行总结，主要从以下两方面进行了改进：一是采用残余强度或干湿循环强度；二是引入膨胀力，如采用极限平衡法时施加条件力，采用有限元法时施加体力或面力。改进后的方法虽在一定程度上满足膨胀土边坡稳定性分析，但仍存在不足之处。
超固结土均存在残余强度，仅膨胀土边坡稳定性分析时采用残余强度无理论依据，且分析膨胀土边坡稳定性时主要考虑的是边坡的首次破坏，而残余强度是反复剪切后强度；干湿循环导致裂隙开展，裂隙导致强度降低，故有学者通过干湿循环试验研究膨胀土强度，将强度与干湿循环次数相联系，稳定性分析时采用一定干湿循环次数下的强度。采用干湿循环条件下强度虽能反映膨胀土的强度特性，但实际环境中干湿循环次数无法界定，只能在室内人为的控制；膨胀土边坡稳定性分析时直接以面力或体力的形式引入膨胀力，将膨胀力作为外力施加到边坡上，膨胀力属于内力，这种考虑膨胀力的方式与实际情况不符；膨胀土边坡滑坡与一般土质边坡相比具有浅层性，且滑坡发生是由坡脚局部破坏后逐级向上牵引产生，而现行膨胀土边坡稳定性分析方法不能正确描述实际膨胀土边坡的破坏过程；针对膨胀土边坡安全性评价，目前已有研究仅将首次滑动时的安全系数作为膨胀土边坡安全性评价标准，而实际上膨胀土边坡滑坡自下向上具有多滑面，膨胀土牵引式滑坡过程有待研究。
技术实现要素：
本发明的主要目的在于，克服现有技术中的不足，提供一种基于完全软化强度的膨胀土边坡浅层滑动稳定性分析方法，能够正确描述实际膨胀土边坡的破坏过程，能够反映膨胀土边坡失稳机理，可体现膨胀土边坡滑坡的平缓性、浅层性、牵引性、长期性、季节性、方向性等特点。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
基于完全软化强度的膨胀土边坡浅层滑动稳定性分析方法，包括以下步骤：
1)对膨胀土边坡进行现场实地勘测调查，获取土样和水文地质资料；
2)对土样进行膨胀土强度试验，获取物理力学参数；其中，膨胀土强度试验包括原状抗剪强度试验和完全软化强度试验；
3)根据水文地质资料确定裂隙深度及浸润线高度；
4)根据物理力学参数和裂隙深度及浸润线高度，对膨胀土边坡进行建模，获得渗流分析模型；
5)对渗流分析模型进行首次滑坡的稳定性分析，得到稳定性结果；
6)对渗流分析模型进行牵引式渐进性破坏过程模拟，得到滑坡特征分析结果；
7)基于能够反映膨胀土边坡失稳机理的稳定性结果和滑坡特征分析结果，指导膨胀土边坡设计施工。
本发明进一步设置为：所述步骤1)中的现场实地勘测调查包括对现场的水文地质资料进行整理和对现场进行土体取样。
本发明进一步设置为：所述步骤2)中的原状抗剪强度试验，具体是，取原状的未经风化的膨胀土土样进行饱和固结不排水条件下的抗剪强度试验，依据试验结果获取土样的饱和固结不排水条件下的抗剪强度参数，分别为原状黏聚力c0和原状内摩擦角
本发明进一步设置为：所述步骤2)中的完全软化强度试验，具体是，取原状的未经风化的膨胀土土样进行完全软化强度试验，依据试验结果获取土样的完全软化条件下的抗剪强度参数，分别为完全软化状黏聚力cf和完全软化状内摩擦角
本发明进一步设置为：所述步骤3)中的确定裂隙深度，即根据水文地质资料确定裂隙区的发展深度作为裂隙深度hc，具体是，对于临时性边坡采用裂隙在设计使用期限内所预计能达到的最大深度作为裂隙深度hc，对于永久性边坡则采用裂隙所能达到的最大深度作为裂隙深度hc；或者，对于勘测土层的形成时间已达到发展年限的已存在边坡，因表层裂隙发展成熟，从而满足勘测数据具有代表性要求，则根据实测数据取裂隙深度；对于新开挖或新填筑的边坡，因勘测土层内的裂隙尚处于发展阶段而导致勘测数据不具有代表性，则根据附近土层的勘测统计资料取裂隙深度为4m。
本发明进一步设置为：所述步骤3)中的确定浸润线高度，具体是，
对于勘测土层的形成时间已达到发展年限的已存在边坡，通过现场埋放监测仪器来监测确定浸润线实际达到的高度位置作为浸润线高度；
对于新开挖或新填筑的边坡，则通过附近土层的勘测统计资料取近似预估的高度位置作为浸润线高度；
其中，浸润线高度为坡脚位置或沿坡面分布的实际达到的坡面位置或坡顶位置。
本发明进一步设置为：所述步骤4)中的对膨胀土边坡进行建模，具体是，
4-1)建立边坡几何模型；
4-2)根据裂隙深度对边坡几何模型中的边坡进行分区处理；
将边坡沿深度方向分为3层，第一层为裂隙充分发育层，深度取2hc/3；第二层为裂隙未充分发育层，深度取hc/3；第三层为非裂隙区；第一层和第二层组成裂隙区；
4-3)对不同分区进行土体强度赋值；
对于裂隙区，取完全软化状黏聚力cf和完全软化状内摩擦角
对于非裂隙区，取原状黏聚力c0和原状内摩擦角
其中，原状黏聚力c0和原状内摩擦角
4-4)根据浸润线高度进行浸润线位置的设置，浸润线以下的土体滑动力矩采用饱和容重计算，浸润线以下的土体抗滑力矩采用浮容重计算；
4-5)基于对边坡几何模型进行土体强度赋值和浸润线位置的设置，重构获得渗流分析模型。
本发明进一步设置为：所述稳定性分析，具体是，考虑深层滑动与浅层滑动及局部滑动与整体滑动，对渗流分析模型中的坡脚选择滑弧类型，验算膨胀土边坡失稳的危险滑弧；进而基于不同浸润线高度和不同滑弧类型，验算膨胀土边坡失稳的浸润线位置；其中，深层滑动是指滑动面深入到裂隙深度以下，浅层滑动是指滑动面限制在裂隙深度以内。
本发明进一步设置为：所述步骤6)中的进行牵引式渐进性破坏过程模拟，具体是，在首次滑坡发生后，去除滑坡体；其中的首次滑坡因雨水集聚在坡脚形成稳定渗流将出现在坡脚；坡脚滑坡后，进行第二次稳定性分析，以此类推，直至滑坡发展到坡顶。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
本发明提供的方法，从边坡土层分区、土体强度参数取值、浸润线的确定等方面出发，通过采用能反映裂隙影响的完全软化强度及合理渗流的渗流模型开展极限平衡法计算，对膨胀土边坡稳定性进行分析，能够模拟膨胀土边坡渐进式破坏过程，计算结果能够反映膨胀土边坡失稳机理，可体现膨胀土边坡滑坡的平缓性、浅层性、牵引性、长期性、季节性、方向性等特点。
上述内容仅是本发明技术方案的概述，为了更清楚的了解本发明的技术手段，下面结合附图对本发明作进一步的描述。
附图说明
图1为本发明方法的流程图；
图2为本发明方法中确定裂隙深度的示意图；
图3为本发明方法中确定浸润线变化的示意图；
图4为本发明方法中确定浸润线高度的示意图；
图5为本发明方法中边坡分区的示意图；
图6为本发明方法中边坡渐进式破坏的示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。
本发明提供一种基于完全软化强度的膨胀土边坡浅层滑动稳定性分析方法，如图1所示，包括以下步骤：
1)对膨胀土边坡进行现场实地勘测调查，获取土样和水文地质资料。
现场实地勘测调查包括对现场的水文地质资料进行整理和对现场进行土体取样。
2)对土样进行膨胀土强度试验，获取物理力学参数；其中，膨胀土强度试验包括原状抗剪强度试验和完全软化强度试验；
原状抗剪强度试验，具体是，取原状的未经风化的膨胀土土样进行饱和固结不排水条件下的抗剪强度试验，依据试验结果获取土样的饱和固结不排水条件下的抗剪强度参数，分别为原状黏聚力c0和原状内摩擦角
完全软化强度试验，具体是，取原状的未经风化的膨胀土土样进行完全软化强度试验，依据试验结果获取土样的完全软化条件下的抗剪强度参数，分别为完全软化状黏聚力cf和完全软化状内摩擦角
3)根据水文地质资料确定裂隙深度及浸润线高度。
确定裂隙深度，即根据水文地质资料确定裂隙区的发展深度作为裂隙深度hc，具体是，对于临时性边坡采用裂隙在设计使用期限内所预计能达到的最大深度作为裂隙深度hc，对于永久性边坡则采用裂隙所能达到的最大深度作为裂隙深度hc；其中，临时性边坡为开挖后使用较短时间后不再使用的边坡，永久性边坡为将长期使用的边坡；
或者，
对于勘测土层的形成时间已达到发展年限的已存在边坡，因表层裂隙发展成熟，从而满足勘测数据具有代表性要求，则根据实测数据取裂隙深度，如图2所示；对于新开挖或新填筑的边坡，因勘测土层内的裂隙尚处于发展阶段而导致勘测数据不具有代表性，则根据附近土层的勘测统计资料取裂隙深度为4m。
渗流影响下，坡体内降雨入渗形成的渗流是膨胀土边坡发生滑坡的重要影响因素。坡脚处雨水集聚一方面降低了土体的强度，另一方面在稳定渗流形成时产生较明显的渗透力，因此坡脚容易滑动形成局部滑坡，浸润线变化示意图如图3所示；浸润线的位置与降雨强度及时长有关，强度大、时间长的情况下，浸润线的高度可能达到坡顶，浸润线沿整个坡面；在降雨强度及时长一般的情况下，雨水坡脚聚集形成渗流，浸润线高度位于坡脚附近，因此浸润线的位置具有一定的变动性和随机性。
确定浸润线高度，如图4所示的浸润线高度hw，具体是，
对于勘测土层的形成时间已达到发展年限的已存在边坡，通过现场埋放监测仪器来监测确定浸润线实际达到的高度位置作为浸润线高度；
对于新开挖或新填筑的边坡，则通过附近土层的勘测统计资料取近似预估的高度位置作为浸润线高度；
其中，浸润线高度为坡脚位置或沿坡面分布的实际达到的坡面位置或坡顶位置。
4)根据物理力学参数和裂隙深度及浸润线高度，对膨胀土边坡进行建模，获得渗流分析模型。
对膨胀土边坡进行建模，具体是，
4-1)建立边坡几何模型；
4-2)根据裂隙深度对边坡几何模型中的边坡进行分区处理；
将边坡沿深度方向分为3层，如图5所示，第一层为裂隙充分发育层，深度取2hc/3；第二层为裂隙未充分发育层，深度取hc/3；第三层为非裂隙区；第一层和第二层组成裂隙区；
4-3)对不同分区进行土体强度赋值；
对于裂隙区，取完全软化状黏聚力cf和完全软化状内摩擦角
对于非裂隙区，取原状黏聚力c0和原状内摩擦角
其中，原状黏聚力c0和原状内摩擦角
4-4)根据浸润线高度进行浸润线位置的设置，浸润线以下的土体滑动力矩采用饱和容重计算，浸润线以下的土体抗滑力矩采用浮容重计算；
4-5)基于对边坡几何模型进行土体强度赋值和浸润线位置的设置，重构获得渗流分析模型。
步骤4)是建模后采用极限平衡法计算，计算边坡稳定性。
5)对渗流分析模型进行首次滑坡的稳定性分析，得到稳定性结果。
所述稳定性分析，具体是，考虑深层滑动与浅层滑动及局部滑动与整体滑动，对渗流分析模型中的坡脚选择滑弧类型，验算膨胀土边坡失稳的危险滑弧；进而基于不同浸润线高度和不同滑弧类型，验算膨胀土边坡失稳的浸润线位置；其中，深层滑动是指滑动面深入到裂隙深度以下，浅层滑动是指滑动面限制在裂隙深度以内。
由于深层滑动的滑动体体积大，滑动力矩大，如果裂隙区与非裂隙区的强度指标差异不十分显著，也可能存在危险的深层滑动。如果下面有强度低的其他土层，或者有明显的深层软弱带，也可能发生深层滑动。因此，尽管膨胀土边坡失稳一般是浅层的，但深层滑动面仍然要验算。深层滑动计算为本发明方法及传统方法共有的，而本发明方法除能计算深层滑动外，更突出的特点在于能计算浅层滑动。
6)对渗流分析模型进行牵引式渐进性破坏过程模拟，得到滑坡特征分析结果。
进行牵引式渐进性破坏过程模拟，具体是，在首次滑坡发生后，去除滑坡体；其中的首次滑坡因雨水集聚在坡脚形成稳定渗流将出现在坡脚；坡脚滑坡后，进行第二次稳定性分析，以此类推，直至滑坡发展到坡顶。如图6所示，图6-(a)为第一次滑坡的示意图，图6-(b)为第二次滑坡的示意图，图6-(c)为第三次滑坡的示意图，图6-(d)为第四次滑坡的示意图，图6-(e)为第五次滑坡的示意图，图6-(f)为第六次滑坡的示意图，图6-(g)为第七次滑坡的示意图，图6-(h)为滑坡全貌的示意图。膨胀土边坡的滑坡是典型的牵引式破坏过程，步骤5)首次滑坡的稳定性分析是边坡坡脚首次破坏的分析，首次破坏为后续步骤6)的牵引性破坏提供基础；渐进性破坏过程模拟是整个稳定性分析的一部分，即先有首次破坏，而后牵引破坏，首次破坏加牵引破坏是膨胀土边坡破坏的整个过程；步骤6)得到的是膨胀土边坡的整体安全系数及最终滑坡形态，结果用于步骤7)中的指导设计施工。
7)基于能够反映膨胀土边坡失稳机理的稳定性结果和滑坡特征分析结果，指导膨胀土边坡设计施工。
本发明的创新点在于，从边坡土层分区、土体强度参数取值、浸润线的确定等方面出发，通过采用能反映裂隙影响的完全软化强度及合理渗流的渗流模型开展极限平衡法计算，对膨胀土边坡稳定性进行分析，最终得到的是稳定性的分析结果，包括安全系数及滑坡特征，能够正确描述实际膨胀土边坡的破坏过程，能够反映膨胀土边坡失稳机理，从而有助于指导膨胀土边坡设计施工，解决传统分析方法在膨胀土边坡文稳定性分析时分析结果不能正确反映实际膨胀土边坡安全性及滑坡特征的问题。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
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