不同水位情况下岩土材料应力状态的计算方法探讨

        针对于岩土工程设计对于应力状态的选择主要有有效应力法和总应力法。有效应力法即是将土骨架和孔隙水分别考虑，其对应的岩土材料参数是有效内摩擦角、有效粘聚力、有效重度等；而总应力法则是将土骨架与孔隙水统一考虑，其对应的岩土材料参数为内摩擦角、粘聚力、天然重度等。岩土工程设计中应力状态选择的不同，对设计结果有较大的影响，因此根据勘察资料和经验合理选择应力状态是岩土设计的前提。

         本文主要以边坡稳定分析为例，说明水位变化情况下，在GEO5中应力状态的合理选择。

岩土工程设计中本质是“矛”与“盾”的平衡问题，对于边坡稳定性分析，其下滑力即为“矛”，而抗滑力即为“盾”。下滑力主要是由滑裂面上部岩土体的重力、超载及水压力组成，而抗滑力则是由岩土体的抗剪强度提供。对于抗剪强度的计算GEO5中有两种方式，即对应上述的有效应力抗剪强度指标和总应力抗剪强度指标，如图1。

图 1

       在GEO5中总应力和有效应力的计算分别为：

       总应力状态：

       有效应力状态：

       式中：σ为总应力；γ为土体重度，水上取天然重度，水下取浮重度；γ_w为水的重度；u为孔隙水压力；d为地下水位深度；z计算点距离地表的深度。

根据库仑-摩尔准则， GEO5两种应力状态下的土体抗剪强度分别为：

      总应力状态：

      有效应力状态：

       一般情况下，对于排水土层，如砂土、砾石土以及部分粉土，由于其渗透系数较大，孔隙水压力消散较快，在分析计算时优先选择有效应力状态能够得到较为接近真实的结果。而对于不排水土层，如黏土和部分粉土，其渗透系数小，孔隙水压力消散缓慢且含水率对其强度有显著影响，分析该类土质边坡的应力状态的选择就变的尤为重要。以下对该类边坡的应力状态选择进行分析。

为了分析方便，边坡如图2所示，为均质土层边坡，坡体为黏土，由于地下水位下降出现水上部分和水下部分，地下水位如图所示。

图 2

       情况1：有效应力状态分析

       选择滑体一个分块进行分析，不考虑相邻滑块对其的作用力，如图3，则

       下滑力：W_i sinα_i

       抗滑力：

图 3

         对于此类边坡，水下部分土体发生破坏时，来不及排水，不能忽略孔隙水压力对抗剪强度指标的影响，其抗剪强度应更接近固结不排水剪切试验值。根据粘性土的固结不排水三轴试验得到的莫尔应力，如图4，可知有效内摩擦角φ’要大于固结不排水剪切试验得到的内摩擦角φ_cu的。有效应力状态分析统一水上和水下部分土体的抗剪强度，利用有效内摩擦角φ’代替φ_cu显然高估了土体的抗剪强度，从而高估了抗滑力，因此该分析偏于危险。

图 4

         情况2：水上部分采用有效应力状态，而水下部分采用总应力分析

         选择滑体的水上和水下各一个分块进行分析，不考虑相邻滑块对其的作用力，如图5

水上部分滑块：

         下滑力：

         抗滑力：

水下部分滑块：

         下滑力：

         抗滑力：

图 5

         地下水位下降一段时间后，由于粘土的渗透系数较小，孔隙水压力消散缓慢， 水上部分粘土中的孔隙水压力并没有完全消散，土体中还含有部分水分。一方面，此种状态下的土体发生破坏时，水分并不能及时排出，其强度应该更接近固结不排水剪切强度，而以有效应力强度指标计算显然高估了土体的强度，增大了抗滑力，计算结果偏于危险。另一方面，由于地下水位的下降，水上部分土体俨然已是非饱和土体，根据Bishop在非饱和土抗剪强度公式  和Fredlund的非饱和土抗剪强度公式，此种状态下土体的内摩擦角φ应该介于固结不排水φ_cu和有效内摩擦角φ’之间（饱和状态时，u_a=0, χ=1），而用有效内摩擦角φ’代替φ显然高估了土体的抗剪强度，使计算结果偏危险。

         情况3：总应力状态

         选择滑体一个分块进行分析，不考虑相邻滑块对其的作用力，如图6

         下滑力：

         抗滑力：

图 6

         统一水上部分和水下部分土体的应力状态参数，抗剪强度指标均为φ_cu ，如情况1和情况2的分析，对于水下部分土体，由于土体处于饱和，发生破坏时基本上为不排水状态，其抗剪强度参数接近固结不排水强度参数；对于水上部分土体，由于处在非饱和状态，且破坏时水分并能完全排出，其强度参数应介于固结不排水强度指标φ_cu和有效应力强度指标φ’之间，取值为固结不排水强度指标φ_cu ，低估了水上部分土体强度，使计算结果偏于安全。

         针对不排水土层岩土材料应力状态的选择应根据具体的土体性质、工程经验等，并结合以上分析进行选择。