拉伸裂缝对边坡滑动面的影响 (Tension Crack)

文摘   科技   2024-09-07 13:10   内蒙古  
1. 引言

拉伸裂缝对边坡稳定性有着显著的影响,拉伸裂缝通常出现在坡顶附近,对于均质各向同性的岩土体,当材料中的应力超过其抗拉强度时,就会导致材料破裂并张开。拉伸裂缝降低了抗滑移破坏的抗剪力,从而可能导致边坡失稳。显然,深的裂缝比浅的裂缝更不利于边坡稳定性,此外,拉伸裂缝为水进入边坡提供了通道,升高了孔隙水压力,降低了材料的剪切强度。


在土力学中有一个简单的经验公式,采用土的密度、粘结力和内摩擦角估算拉伸裂缝的深度,这种方法在下面两本教材中有详细描述:

(1) Craig, R.F. (1997) Soil Mechanics, 6th Edition. (第一个公式)

(2) Abramson等人(2002) Slope stability and stabilization methods.(第二个公式)

这两个公式本质上是一样的,通过编写一个简单的Python代码比较了这两个公式的计算结果,显示二者的计算结果相同,裂缝深度均为3.8m。


不过这个公式的精确性似乎没有得到过现场验证,因此很难说计算结果是否准确。在云南镇雄的山体滑坡中,曾经使用这个公式估算过其裂缝深度,参数的取值为:
  • 密度Garma=21kN/m^3

  • 粘结力c=0.237MPa
  • 内摩擦角fei=20°
计算的裂缝深度为32.24m,不过由于无法进行现场实测,因此对这个估算结果的准确性不得而知。

2. 拉伸裂缝对滑动面的影响
在极限平衡分析中,拉伸裂缝没有自身的物理力学性质,只有几何性质,即仅有裂缝位置和裂缝深度,最终搜索的滑坡面会沿着裂缝通向坡顶。在这个项目中,裂缝深度为本文引言中的3.8m,同时设置了裂缝充填水的深度为50%,裂缝水通过静水压力来考虑水对边坡稳定性的影响。计算的最小安全系数FOS=1.642(充满水的FOS=1.586),坡顶滑动面裂缝距坡肩的距离为3.7m。

使用相同的模型参数和计算方法,Slide2的计算结果为FOS=1.612(充满水的FOS=1.559),坡顶滑动面裂缝距坡肩的距离为4.4m。可见,Slide2的计算比Slope/W的计算结果更保守一些,在很大程度上是由于Slide2采用了更强的滑动面优化技术。
采用节理元模拟裂缝,裂缝间距取1m,假定裂缝内充满水,裂缝采用Mohr-Coulomb模型,c=0,fei=10°,则计算的折减强度系数SRF,即最小安全系数FOS=1.571,坡顶滑动面裂缝距坡肩的距离约为3.8m。


3. 结束语
本文简要讨论了拉伸裂缝(tension crack)深度的计算方法以及拉伸裂缝对边坡滑动面的影响,这种简便的方法没有考虑拉伸裂缝对边坡变形的影响,如要考虑边坡的变形,则必须采用更成熟的数值模拟方法,如3DEC或FLAC3D。

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