２０１５年３月 天水师范学院学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｔｉａｎｓｈｕｉ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｍａｒ．，２０１５ 第３５卷第２期 Ｖｏｌ－３５ Ｎｏ．２ 含水量对黄土边坡稳定性的影响 郭亚兵 （天水师范学院机电与汽车工程学院，甘肃天水７４１００１） 摘要：通过分析粘聚力和内摩擦角对黄土边坡稳定性的影响，利用含水量与粘聚力和内摩擦角之间的关 系，采用ＦＬＡＣ３Ｄ数值计算方法，模拟计算出不同粘聚力和内摩擦角值时边坡的安全系数，研究含水量对黄土边 坡稳定性的影响。计算结果表明：随着含水量的增加，粘聚力值不断减小；内摩擦角也随着含水量的增加而降 低。由计算结果可知，随着含水量的增加，边坡的安全系数逐渐降低，即其稳定性也随之降低。 关键词：边坡稳定；强度折减法；含水量；安全系数；相关系数 中图分类号：Ｐ６４２．２２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１—１３５１（２０１５）０２—００７８—０３ 黄土是距今约２００万年的第四纪时期形成的特 殊沉积物，是呈黄色或褐黄色的粉粒土，多形成于 气候干燥且降雨量少而蒸发量大的干旱、半干旱地 区，中国西北地区的黄土高原及华北平原和东北的 南部大量分布着黄土。由于其特殊的形成条件，使 得黄土具有独特的物理、化学、力学特性，如孔隙 较大、结构疏松，垂直节理发育、易冲刷、易腐蚀 低或者其剪应力值达到土体抗剪强度值而产生的失 稳现象。而黄土的抗剪强度除与土的颗粒组成、矿 物成分、粘粒和可溶盐含量等有关外，主要取决于 其含水量和密实程度。【１ 所以，要研究不同含水量 对坡体稳定性的影响，必先从含水量对抗剪强度的 影响人手。 等，但其最大的工程特点是：具有天然含水量而未 遇水浸湿的黄土较坚硬，一般强度较高、压缩性较 小，而一旦遇水，则表现出结构疏松、稳定性差等 特点，多发生边坡失稳现象。因此，对于黄土边坡 ２含水量对黄土抗剪强度的影响 对于任何土体，其抗剪强度下，都与土体本身 的粘聚力ｃ和内摩擦角 有关，即摩尔定律： ＝ｃ＋ｔｒｔｇ￣ｂ （１） 而言，其稳定性就与土体含水量有着很大的关系。 研究黄土边坡稳定与含水量之间定量关系的方 法很多，有极限平衡法、有限单元法、ＦＬＡＣ 。等。 本文采用ＦＬＡＣ 强度折减法，以简化的均质边坡 为实例，分析含水量对黄土边坡稳定性的影响程 度，以更好地应用于工程实际。 而ｃ、 却与土体含水量有着直接相关的关系，随 着含水量的变化，ｃ、西也在发生变化。这是由于 含水量的变化会导致天然含水量状态下土体中固体 颗粒间的固化联结链被破坏，即随着含水量的增 加，粘聚力和内摩擦角也会随之降低，从而导致土 体的抗剪强度降低。 ２．１含水量对粘聚力ｃ的影响 对于天然结构的黄土，其粘聚力会随着含水量 的增加而减小，而且当含水量变化范围在１０％～ ２５％之间时，粘聚力对含水量的变化极为敏感，而 当含水量大于２５％之后粘聚力则变化不大。［２１ 根据党进谦ｐ 等人对黄土的试验成果（见表１） １边坡稳定性的影响因素 影响边坡稳定性的因素很多，如黄土本身的结 构特性、降雨、地震，以及人类工程活动等。在这 些影响因素中，降雨是最常见而且较为严重且具有 周期性的一种。降雨除了对边坡会产生冲刷作用、 增加坡体重量从而加大下滑力之外，还可导致边坡 本身含水量增加，从而引起边坡失稳。因此，研究 可知，当含水量从８．２％增至２５．１％后，粘聚力从 ９０ｋｐａ降至１６ｋｐａ，降幅约为８２％，绘制含水量与粘 不同含水量情况下边坡的稳定性就显得尤为重要。 不管边坡发生怎样的失稳形态，究其根本原因 都是由于某种因素的影响导致坡体本身抗剪强度降 收稿日期：２０１４—１２—１２ 聚力关系曲线，如图１所示，从图中可以看出，黄 土的粘聚力随含水量的增加而减小，拟合所得含水 量与粘聚力之间的关系可以表示为： 作者简介：郭亚兵（１９７９一），男，陕西凤翔人，天水师范学院机电与汽车工程学院讲师。 ７８ 表２计算结果 内摩擦角也随着含水量的增加而降低，且与粘聚力 有相似的变化范围。而通过ＦＬＡＣ∞强度折减法的 计算结果可知，含水量对于边坡的稳定性具有较大 的影响，一般来说，随着含水量的增加，边坡的安 全系数逐渐降低，即其稳定性也随之降低，甚至破 从计算结果数据可以看出，含水量对边坡安全 系数具有较大的影响：随着含水量的增加，边坡安 全系数逐渐减小，含水量从８．１％增至２５．１％，而安 参考文献： 全系数相应的由原来的１．７９３降至０．８７１，降幅为 ［１］赵勇，李国良，喻渝．黄土隧道工程［Ｍ］．北京：中国铁道出版 ５１．４％，即由原来的的稳定状态（１．７９３＞１．０）变为 社，２０１１． ［２】张少红，康顺祥，李永红．降雨对黄土边坡稳定性的影响［Ｊ］． 不稳定状态（０．８７１＜１．０）。可见含水量对于边坡的 水土保持通报，２００５．２５（５）：４２－４４． 稳定性影响很大。 ［３］党进谦，郝月清．含水量对黄土结构强度的影ＩＩＮ［ｊ］．西北水 资源与水工程，１９９８，９（２）：１５—１９． ４结论 ｆ４］郑彦奎．隧道洞口边坡稳定性研究［Ｄ】．重庆大学，２００８． ［５］高志辉．有限元边坡稳定参数敏感性分析［Ｄ】．北京工业大 通过试验数据分析计算，可得出含水量与粘聚 学，２００７． 力、内摩擦角之间的定量关系：随着含水量的增 ［６６］孙书伟，等，编著．ＦＬＡＣ３Ｄ在岩土工程中的应用【Ｍ】．北京： 加，粘聚力值不断减小，且当含水量变化范围在 水利水电出版社，２０１ １． １０％～２５％之间时，粘聚力对含水量的变化极为敏 感，而含水量大于２５％之后的粘聚力则变化不大； ［责任编辑王小风］ Ｏｎ ｔｈｅ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｎ Ｌｏｅｓｓ Ｓｌｏｐｅ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ Ｇｕｏ Ｙａｂｉｎｇ ｔＳｃｈｏｏｌ０ｆ ＣｊｖｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴｉａｎｓｈｕｉＮｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＴｉａｎｓｈｕｉＧａｎｓｕ７４１００１，Ｃｈｉｎａ、 Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｃｏｈｅｓｉｖｅ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ａｎｇｌｅ ｏｎ ｔｈｅ ｌｏｅｓｓ ｓｌｏｐｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ａｎｄ ＵＳ— ｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｃｏｈｅｓｉｖｅ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｒ ａｎｇｌｅ ｏｆ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｆｉｒｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｓｔｕｄｉｅｓ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｎ ｌｏｅｓｓ ｓｌｏｐｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｉｎｌｆｕｅｎｃｅ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｃｏｎ— ｔｅｎｔ ｔｏ ｓｌｏｐｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ｆａｃｔｏｒ ｏｆ ｓｌｏｐｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｖａｌｕｅｓ ｏｆ ｃｏｈｅｓｉｖｅ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ａｎ－ ｇｌｅ ｏｆ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｂｙ ＦＬＡＣ３Ｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ． Ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔ，ｔｈｅ ｃｏｈｅｓｉｖｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ；ａｎｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔ，ｔｈｅ ａｎｇｌｅ ｏｆ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ａｌｓｏ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔ，ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ｆａｃｔｏｒ ｏｆ ｓｌｏｐｅ ｄｅ— ｃｒｅａｓｅｓ，ｗｈｉｃｈ ｍｅａｎｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｌｓｏ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｌｏｐｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ；ｓｈｅａｒ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ；ｓａｆｅｔｙ ｆａｃｔｏｒ；ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ８０
