浅析影响土质边坡稳定安全系数的主要因素

摘要：目前来说，简单的计算方法以及土工参数都影响土质边坡的稳定性以及安全性。下文主要根据正交试验的方法，并提出了在工程运行管理中一定要尽量避免低水位或水位骤降情况，为土石坝以及类似工程的工程设计与工程运行管理提供了重要参考依据。

关键词：土质边坡；稳定安全；系数；因素

通常，岩土边坡研究的重要内容指的是：边坡稳定分析，其分析方法比较多，每个方法都具有其本身的特点，并有一定的适用条件，但是目的都是为了确定临界滑裂面及其对应的安全系数。目前基于极限平衡理论的各种计算方法仍然在实际工程中被广泛地应用，由于这些计算方法基于不同的假定条件，使得对同样的边坡使用不同的计算方法进行计算分析，可得到不同的结果，有的情况安全系数甚至相差很大。此外，影响边坡稳定的因素有地形地貌、岩土的物理力学性质、水的作用、地震作用以及人为因素等。本文主要采用正交试验法来研究不同的计算方法以及材料参数对边坡稳定安全系数计算值的影响，并进行敏感性分析，为边坡工程的勘察、设计、计算提供依据。

1.极限平衡法的基本概念

1.1关于安全系数的定义

土坡沿某一滑裂面滑动的安全系数是这样定义的：将土的抗剪强度指标降低为c′/F和tanΦ′/F，则土体沿着此滑裂面处处达到极限平衡，即

τ=　c′e+σ′ntanΦ′e

（1）

c′e=　c′/F

（2）

tanΦ′e=tanΦ′/F

（3）

式中：τ、σ′n分别为达极限平衡时滑裂面上的剪应力和正应力；c′、Φ′分别为土的有效粘聚力和摩擦角；c′e、Φ′e分别为达极限平衡时土的粘聚力和摩擦角；F为安全系数。

1.2摩尔-库仑强度准则

设想土体的某一部分沿着某一滑裂面滑动。在这个滑裂面上，土体处处达到极限平衡，即正应力σ′n和剪应力τ满足摩尔-库仑强度准则。设某一土条底的法向力和切向力分别为ΔN和ΔT，则有

ΔT　=　c′eΔxsecα+（ΔN-uΔxsecα）tanΦ′e

（4）

式中：α为土条底倾角；tanα=dy/dx；Δx为土条水平宽度；u为孔隙水压力，通常定义孔隙水压力系数

ru=udW/dx

（5）

式中：W为土体自重。

1.3静力平衡条件

将滑动土体分成若干土条，每个土条和整个滑动土体都要满足力和力矩平衡条件。在静力平衡方程组中，未知数的个数超过了方程式的数目，解决这一静不定问题的办法是对多余未知数作假定，使剩下的未知数和方程数相等，从而解出安全系数的值。

目前基于极限平衡法的计算方法主要有瑞典法、毕肖普法和工程师兵团法等。瑞典法使用圆弧滑裂面，并假定作用在土条侧向垂直面上的合力平行于土条底面，满足土条底面法线方向的静力平衡和对滑弧圆心的力矩平衡。简化毕肖普法使用的同样是圆弧滑裂面，并假定土条两侧作用力均为水平，满足垂直方向静力平衡和对滑弧圆心的力矩平衡。而工程师兵团法假定滑弧面为任意形状，土条侧向力的倾角等于边坡的平均坡度，充分满足力平衡条件，但力矩平衡条件不满足。

2.多因素正交试验

2.1正交试验基本方法

正交试验就是利用正交表，科学地安排试验和分析试验结果的一种数理统计方法。它的主要优点是能在很多试验条件中选出具有代表性强的少数试验方案，同时通过对这少数试验方案的结果进行分析，从中找出最优方案，并给出有关各因素的信息。通常试验结果为试验指标，试验中可以考察或控制的条件为因素或因子，因素在试验中所处的不同状态称为水平。

正交表的选用必须遵循一条原则：要考察的因子及交互作用的自由度总和必须不大于所选正交表的总自由度。自由度的计算参照规定。（1）正交表的总的自由度f总=试验次数-1；正交表每列的自由度f列=此列水平数-1。（2）因子A的自由度fA=因子A的水平数-1；因子A和B间交互作用的自由度fA×B=因子A的自由度×因子B的自由度=　fA×fB。

2.2正交表的设计

鉴于土质边坡稳定计算所得的安全系数主要与采用的计算方法以及土的性质等因素有关，下面考虑7种因素的影响该土坝2+330断面上游坡面为例进行正交试验设计。这7种因素分别是计算方法、孔隙水压力、坡外水位、地震作用、粘聚力c、摩擦角φ和容重γ，而每个因素取3个不同的水平。为了减少由于水平次序引起的系统误差，各因素水平随机排列。参数取值范围和相应的因素水平见表1。

2.3计算分析与讨论

选用数理统计L27（37）正交表，按表1确定的试验方案，采用STAB程序对该土坝2+330断面上游坡面进行以稳定安全系数为指标的多因素单指标计算分析。

表1

各因素取值和水平

3.结语

总之，对土质边坡稳定计算所得的安全系数影响大小的顺序依次为：粘聚力c、摩擦角φ、坡外水位、容重γ、计算方法、地震作用、孔隙水压力。土的抗剪强度指标c和φ是影响边坡稳定的最重要的因素，其取值的变化对稳定安全系数的计算结果有显著的影响，此外容重也是影响边坡稳定的一个较为重要的因素，在边坡工程的勘察、设计、计算中应力求精确。正交试验法基于概率统计原理，运用正交试验分析法得到的结论基本与工程经验相符合。随着边坡稳定计算理论的发展，正交试验分析可采用更加完善的计算模型，并进一步考虑进行因素间有交互作用的分析。