降雨条件下输电塔基失稳机理研究

2018-08-16岳灵平韦舒天

山西建筑 2018年20期

关键词：条块非饱和坡体

岳灵平蔡炜楼平程鹏韦舒天

(1.国网浙江省电力有限公司湖州供电公司，浙江湖州 313000；2.南瑞集团有限公司，江苏南京 211000； 3.国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，湖北武汉 430074)

0 引言

降雨入渗是诱发地基失稳的主要因素之一，据统计大量的典型工程地基失稳案例，其中绝大多数地基失稳发生在雨季。

降雨入渗为非饱和渗流过程，一方面，雨水入渗使土体的三相平衡被改变，降低土体的强度参数，导致地基的抗剪强度降低。当土体抗剪强度小于外荷载作用的剪切强度时，坡体内部会出现贯通滑动面；另一方面，滑动面含水率增加，地基稳定性降低。

Lumb[1]依据饱和度和抗剪强度的关系，研究降雨渗流对边坡稳定性的影响。Fredlund[2]发现在强降雨条件下，土壤安全系数明显降低，土体基质吸力对边坡稳定性有重要的影响。Alonso[3]对地基渗流进行二维渗流模拟并利用极限平衡法进行组合分析发现，土体越松散，在强降雨条件下，边坡安全系数呈现出累进性衰减，导致坡体容易出现破坏和松动。刘子振[4]将非饱和—饱和土边坡极限平衡理论和雨水渗流理论相结合，研究土体含水率、黏聚力、基质吸力、坡体高度等参数对安全系数的影响度。李兆平等[5]通过设定边坡的稳定性计算过程，得到在降雨情况下坡体的瞬时安全系数。

为了研究降雨条件下地基内的基质吸力和渗流力对土体力学参数的作用，通过土体极限平衡条分法与强度折减理论，推导出在降雨入渗下边坡稳定性分析的计算公式，并对坡体渗流力和坡体的安全性系数进行验算。

1 黏土体极限平衡条分法计算原理

视非饱和黏土体为刚体，对滑动面垂直划分n个条块，每个条块设定为单位宽度，对其进行力学平衡分析。按土体含水率以及水位线的位置来分析滑体条块的临界力学状态。条块受力分析如图1所示。

1.1 水位线位于第i条块滑动面上的临界平衡公式

1)由条块滑动面中心法向与切向受力平衡可知：

(1)

其中，Ti,Ni分别为条块滑动面中心处切向与法向反作用力；Xi,Yi分别为条块间法向、切向应力；Jui,Jdi分别为条块上方与下方渗流力；Gi为条块自重力；di为水平方向宽度；q为条块所受均布荷载；Qi为地震作用力。

2)由底部中心Oi力矩平衡公式可知：

(2)

其中，hir,hil分别为前、后法向作用应力；Xi,Xi-1为与底部中心Oi竖直距离；hJdi,hJui分别为条块上、下层渗流力；Jdi,Jui为到底部中心Oi竖直距离。

3)由第i条块间合力到相邻条块中心Oi竖直距离关系可知：

(3)

4)由第i条块上层渗流力、下层渗流力到条块的中心Oi竖直距离关系可知：

(4)

1.2 水位线位于条块滑动面下的临界平衡公式

当水位线位于滑动面下时，孔隙水压力为0(Upi=0)，滑面上有基质吸力。

1)第i条块滑动面切向、法向作用力平衡分析可知：

(5)

2)由第i条块底面中心Oi的力矩平衡可知：

(6)

3)第i条块滑动面为非饱和状态，由此可得滑动面切向作用力为：

(7)

2 土体安全系数

分析土体条块间相互作用力参数λ和土体安全系数fs，如图2所示。

Mi(i=1,2,3,…,n)为第i条块所受作用力对滑动面中心Oi的力矩;Δfs,Δλ分别为力、力矩计算滑动面安全系数和条块间合力系数的差值；ε为公式的差值许可量。土体安全系数求解步骤为：从滑动面划分的第1条块最外侧开始计算，h11=0,X0=0，按力的极限平衡方程求解至第2,…,第n条块的各项参数，求得土体安全系数fs。

3 案例分析

湖州某地区公路沿线的黏土质边坡，在边坡进行人工开挖后，遭遇降雨影响，边坡土体含水率增加，抗剪强度降低。坡体的各项参数如表1所示。黏土边坡模型如图3所示。边坡模型为非饱和状态，含水率19.8%，模型纵向宽度取1 m。设定某段时间降雨之后，坡体的抗剪强度折减，力学性能减弱。经过地质勘查取样，获得边坡处于极限平衡状态下的c,φ值。饱和黏聚力c=22.1 kPa，内摩擦角φ=15°。