边坡工程第8章-岩土体力学参数确定(冶金出版社)

边坡工程SlopeEngineering第八章岩土体力学参数确定吴顺川北京科技大学2017.10特别感谢本教材及PPT中引用文献及图片的作者！本章针对土质边坡，介绍土体抗剪强度参数c和φ值及不同类型参数的测定方法，并结合土坡的稳定性分析合理地选择参数，以期达到最优工程效果；针对岩质边坡，结合边坡工程岩体特点，简要介绍结构面和节理岩体的强度特性，重点阐述结构面和节理岩体力学参数的确定方法，包括经验折减法、经验关系法和数值模拟法等。了解土体抗剪强度参数及其不同类型参数的测定方法，重点掌握各种形式边坡中参数的选择；了解节理岩体强度特性，重点掌握结构面和节理岩体力学参数的确定方法。本章主要内容学习要点8.1土体力学参数确定目录CONTENTS8.2岩体力学参数确定概述土体强度参数选用对土坡稳定性分析的影响土体强度参数测定与种类一般边坡土体抗剪强度参数选用原则土坡稳定性数值分析中的弹性力学参数选用相关规范的土体抗剪强度参数选用规定考虑渗流条件边坡土体抗剪强度参数选用填方和挖方边坡土体抗剪强度参数选用概述结构面抗剪强度计算方法结构面抗剪强度经验确定法岩体强度确定方法岩体变形模量估算方法8.1土体力学参数确定8.1.1概述8.1.2土体强度参数选用对土坡稳定性分析的影响8.1.4一般边坡土体抗剪强度参数选用原则8.1.8土坡稳定性数值分析中的弹性力学参数选用8.1.5考虑渗流条件边坡土体抗剪强度参数选用8.1.6填方和挖方边坡土体抗剪强度参数选用8.1.7相关规范的土体抗剪强度参数选用规定8.1.3土体强度参数测定与种类8.1.1概述土是一种摩擦材料，工程中常用黏聚力和内摩擦角描述岩土的抗剪强度，即岩土的天然强度参数。Coulomb(1773)基于砂土直接剪切试验，提出了土的抗剪强度定律，通常表示为：推广到黏性土，有式中，τ为土的抗剪强度；σn为剪切面上的法向应力；c和φ分别称为黏聚力和内摩擦角，也称为抗剪强度指标或强度参数。针对更一般的情况，Mohr(1900)提出材料的抗剪强度τf与法向应力σ之间存在着函数关系，即这就是Mohr强度包络线，通常是一条曲线，可采用常规三轴试验的方法求得。如果Mohr强度包络线是直线，则Mohr公式便与Coulomb公式等价，尽管它们的物理背景不同。根据有效应力原理，Terzaghi将饱和土的Coulomb强度公式写成tantancfftan'fc式中，σ’为作用于剪切面上的法向有效应力；c’、φ’分别为有效应力强度指标。8.1.1概述土体的等效内摩擦角是考虑黏聚力在内的假想“内摩擦角”，也称为似内摩擦角或综合内摩擦角。黏性土综合内摩擦角的确定方法一般包括3种：(1)半经验法(使用中较为方便)：(2)根据土抗剪强度相等的原理计算：(3)根据土压力相等的原理计算：d30~35-1dtantan+/())(cH222a22d1tan45-)-2tan(45-)+2/2221=?tan45-)((22EHcHcH按上式即可求出φd的值。8.1.2土体强度参数选用对土坡稳定性分析的影响土体抗剪强度指标测量值随试验方法的不同而变化很大。研究表明，当强度指标相同时，采用不同计算方法计算得到的安全系数最小仅差10%，如瑞典条分法和毕肖普法；而对同一土坡按毕肖普法进行计算时，按采用不同试验方法得到的强度指标，却可能导致土坡安全系数的差异达到60%。如表8-1所示为某一软黏土边坡采用不同试验方法得到的抗剪强度指标及安全系数，由表可知，固结快剪强度指标相应的安全系数较快剪大约58%，说明抗剪强度指标对安全系数的影响大于计算方法的影响。某软黏土边坡的抗剪强度指标及安全系数因而，应尽可能结合边坡的实际加载情况、填料的物理力学性质和排水条件等具体情况，合理地选用土体的抗剪强度指标。理论上采用有效强度指标计算安全系数更为合理，故在重要工程中应采用有效强度进行核算。目前，限于实验设备及技术条件，我国还未普遍采用有效强度分析法。此外，由于对有效应力和总应力法的评价仍存在较大分歧，因此，在具体的工程实践中，部分单位仍平行使用这两种分析方法，也有些单位根据自己的具体条件和使用经验而有所侧重和选择。8.1.3土体强度参数测定与种类土的抗剪强度指标黏聚力和内摩擦角，通常在试验室内采用直剪试验和三轴试验测定。需要注意的是，在不同的试验条件、不同的应力应变状态下，抗剪强度指标通常都是不同的。在实际工程分析与研究中，应尽量选择与实际加载条件、力学状态相近的抗剪强度指标。(1)有效应力指标与总应力指标按是否区分孔隙水压力，土的抗剪强度指标可分为总应力指标和有效应力指标两种。根据有效应力原理，土的抗剪强度是由土的有效应力所决定的，孔隙水压力不会对土体的抗剪强度产生贡献。有效应力是真正作用在土骨架上的应力，有效内摩擦角是真实反映土体内摩擦特性的指标。因此，理论上有效应力法才能真正反映土体抗剪强度的实质，使用有效应力强度指标最为合理。但是采用有效应力法分析时，需要同时掌握总应力和孔隙水压力的情况，但在实际工程中孔隙水压力很难得到，因此有效应力法并不能完全取代总应力法。(2)剪切试验强度指标直剪试验方法和强度指标8.1.3土体强度参数测定与种类(3)三轴试验条件下的强度指标三轴试验的试验条件、孔压变化和强度指标8.1.4一般边坡土体抗剪强度参数选用原则对于一般的土坡稳定性分析，选用抗剪强度参数时应遵循以下几个基本原则：(1)凡是可以确定孔隙水压力时，都应当使用有效应力指标；当采用有效应力指标和总应力指标时，都应根据现场土体可能的固结排水情况，选用不同的试验强度指标。(2)在选用仪器上，由于三轴仪的诸多优点，应优先采用，特别是在重要的工程中。直剪试验设备简单，操作方便，在应用其进行抗剪强度试验时，应根据土类及固结排水条件合理选择强度指标。(3)对总应力强度指标的选用，原则上讲，验算正常使用情况宜采用固结不排水或固结快剪强度指标；施工期间土坡稳定性验算，宜采用不排水或快剪强度指标，但其又与土坡的受力情况、土层渗透性、土层厚度及施工速度等因素有关。(4)对于正常固结状态的天然坡，原则上采用快剪或固结快剪试验均可得到符合天然条件的强度指标，但快剪试验易受取样、切样等扰动的影响，而不排水或快剪则在固结过程中可部分抵消扰动的影响，所以宜采用固结不排水或固结快剪强度指标。(5)对于填方土坡，当其渗透系数小、土层厚、施工速度快时，多倾向采用不排水或快剪强度指标，反之则多倾向采用固结不排水或固结快剪强度指标。对于挖方坡，因挖方的卸荷作用，坡内土体会逐渐膨胀，强度随之降低，该情况与填方坡相反。(6)对于土坡的动力稳定性分析，其抗剪强度指标应优先通过动力试验测定。若动力试验给出的动态强度高于相应的静态强度，取静态强度值。无试验条件时，黏性土和紧密砂砾等非液化土建议采用有效应力强度指标；堆石、砂砾石等粗粒无黏性土则采用对数函数或指数函数表达的非线性静态抗剪强度指标。8.1.4一般边坡土体抗剪强度参数选用原则各类强度指标的适用情况分述如下：(1)固结排水(慢剪)强度指标的选择如果边坡土体在现有的应力状态下平衡并固结完成，上部填方或结构的施工速度较慢，或处于正常运行期，可以满足排水条件，此时可采用固结排水强度指标，常用三轴固结排水试验测定土体的有效应力指标。(2)固结不排水(固结快剪)强度指标的选择如果边坡土体在现有的应力状态下平衡并固结完成，然后很快施加荷载或进行施工，此时可采用固结不排水强度指标。对于饱和粉细砂边坡可能产生液化和流滑的条件，也应采用固结不排水强度指标进行工程分析与计算。(3)不固结不排水(快剪)强度指标的选择在黏土边坡工程问题中，若施工或施加荷载的速度很快，引起的超静孔隙水压力不能消散，土体也不能固结，此时可采用不固结不排水强度指标。8.1.5考虑渗流条件边坡土体抗剪强度参数选用(1)渗流边坡中有效应力分析法和总应力分析法的强度参数选择当边坡中有稳定渗流时，应采用有效应力分析法，此时边坡滑动面处土体抗剪强度或抗滑力采用有效应力强度指标进行计算。对于渗透性较差的饱和黏性土，也可采用固结不排水指标计算。对于快速施工的粉土和黏性土边坡，因为边坡内孔隙水压力来不及消散，可采用总应力法分析其稳定性，即不考虑孔隙水压力，抗滑力和下滑力都采用总应力，使用不排水剪强度指标计算。(2)施工期边坡稳定性分析的强度参数选择当采用总应力法分析边坡稳定性时，对于黏性填土，认为自重压力作用下来不及发生渗流固结，压密只是由于未充水部分孔隙体积的减少，抗剪强度指标应该从坡体上直接取土试验，采用直剪试验的快剪指标或三轴试验的不排水剪指标。直剪试验因为试件薄、排水条件得不到严格控制，对于渗透系数k1×10-7cm/s的土难以保证不排水条件，故应慎重使用。而三轴试验对排水条件能严格控制，对各种渗透性的土均可采用。对于无黏性土，渗透系数很大，应认为在填筑过程中土已基本完成固结，可选用直剪试验的慢剪或三轴试验的排水剪指标。当采用有效应力方法分析边坡稳定性时，有效应力法必须先计算施工期填土内超静孔隙水压力的分布及发展变化情况，然后才能进行稳定计算。施工期孔隙水压力的估算包括两部分内容：一是估算不排水条件下孔隙水压力的发生，称起始孔隙水压力的计算；二是估算施工期间孔隙水压力的消散，即孔隙水压力随时间的发展。8.1.5考虑渗流条件边坡土体抗剪强度参数选用(3)稳定渗流期土坡稳定性分析稳定渗流期是施工期间由于填筑土体内所产生的超孔隙水压力已经全部消散，水库长期蓄水，上下游水位差在坝体内已形成稳定渗流，坝体内的渗流网得以唯一确定，而且不随时间变化。这种情况下，坝体内各点的孔隙水压力均可由流网确定，因此，原则上应该采用有效应力法分析，抗剪强度指标都应采用有效强度指标。(4)水位骤降期土坡稳定性分析1)总应力法水位骤降前，在原水位情况下渗流已经稳定，固结已完成。骤降快速发生，来不及排水，故总应力法应采用固结不排水强度指标或固结快剪指标。这里的固结是指原水位下的固结，与下降前的稳定渗流相比，一方面由于强度指标改为固结不排水剪强度指标，安全系数公式中的分子减小了；另一方面，水位下降又使下滑力增加，即安全系数公式中的分母增加。因此，安全系数会比稳定渗流情况降低很多，这也是为什么水位骤降常引起滑坡的主要原因。2)有效应力法水位骤降也可采用有效应力法分析，此时的有效应力为水位下降后的有效应力，强度指标为有效强度指标。由于是水位骤降，水压力没有达到稳定，就存在超静水压力，但对这样的情况很难区分“静”水压力和超静水压力。可设法确定水位骤降后滑面上总的水压力u’’，滑面上某点在水位骤降前的稳定水压力为u’=γwhw，若求出水压力改变量为Δu=u’’-u’，则可求得u’’。8.1.6填方和挖方边坡土体抗剪强度参数选用(1)填方土坡稳定性分析的强度参数选用图8-4(a)为一填方土坡，假设土坡由同种饱和黏性土构成，土中a点的应力状态由图8-4(b)描述。a点的剪应力随填土高度的增加而增大，并在竣工时达到最大值。初始孔隙水压力等于静水压力。由于黏土具有低渗透性，因此在施工期间的体积变化量或排水量极小，可假定在施工过程中不发生排水，孔隙水压力u也不消散，可假定黏土是在不排水条件下受荷的。一直到竣工以前孔隙水压力随填土增高而增大，如图所示。竣工以后，总应力保持不变，而超静孔隙水压力u则由于固结而逐渐消散。固结使孔隙水压力下降，同时使有效应力与抗剪强度增加。经过较长的一段时间，在时间t2时，超静孔隙水压力u=0。只要孔隙水压力已知(有效应力已知)，任何时间的抗剪强度都可由有效应力指标𝑐′、𝜑′估算得到。因此，竣工时土坡稳定性采用总应力法和不排水强度分析，土坡的长期稳定性则采用有效应力法和有效应力指标𝑐′、𝜑′进行分析。填方土质边坡的稳定性分析8.1.6填方和挖方边坡土体抗剪强度参数选用(2)挖方土坡的稳定性分析图8-5(a)为一挖方土坡，假设土坡由同一种饱和黏性土组成。挖方使a点的平均上覆压力减小，并引起孔隙水压力降低，即出现