1.3 非饱和土边坡稳定性分析方法研究新进展

强度折减有限元法可以考虑土的本构关系，不需要假定滑动面形状。强度折减有限元法本身可以适应二维、三维情况下的非饱和边坡土体的强度非均匀性，可以由计算得出一个潜在滑动面、相应的安全系数，因而，强度折减有限元法是边坡稳定性分析的有效工具之一。

Cai（1998）和Ugai等（2004）将有限元渗流分析与基于Bishop非饱和土抗剪强度

公式的强度折减有限元法相结合，进行非饱和土边坡的稳定性分析。宋二祥等（1997）分析了强度折减的过程和有限元实现思路，并给出了两个工程算例；连镇营等（2001）利用强度折减有限元法分析了开挖边坡的稳定性；赵尚毅等（2003）分析了锚杆支护边坡的稳定性。目前，强度折减有限元法大多是应用于不考虑基质吸力的土坡稳定性分析；郑颖人等（2004）探讨了利用强度折减有限元求解边坡支挡结构的内力。以往强度折减有限元法大多是应用于不考虑基质吸力的土坡稳定性分析，而将其应用于非饱和土边坡稳定在国内外公开发表的相关文献尚较为少见。

针对这种情况，于玉贞等（2008）通过非饱和土堤稳定渗流与非稳定渗流条件下的算例，探讨渗流状态的变化对边坡稳定性的影响，分析Bishop和Fredlund非饱和土抗剪强度公式应用于强度折减有限元法的差异，并与极限平衡法的结果进行对比，以此说明有限元法和极限平衡法的不同特点。

李荣建等（2006）认为在对挡墙加固边坡进行设计和评价时应综合考虑基质吸力和挡墙对边坡整体稳定性的影响，应用可以考虑基质吸力的弹塑性强度折减有限元程序，分析了挡墙加固非饱和土边坡的整体稳定性；李荣建等（2007年）将强度折减有限元法推广到二维和三维条件下非饱和土边坡的稳定性分析中。随后，李荣建等（2010）对比分析不同基质吸力分布条件下，Bishop条分法和强度折减有限元法计算结果的异同，开发了可考虑基质吸力的Bishop条分法和强度折减有限元法的相关程序，并且针对某边坡工程进行了计算分析。同年，通过开展未加固边坡、初步加固设计、变更加固设计、推荐加固等条件下边坡及加固稳定性的研究对比，运用强度折减有限元法对云阳龙洞抗滑桩加固边坡局部失稳机制进行了研究（李荣建等，2010）。近期，李荣建等（2013）以下土地岭边坡为例，分析了在边坡局部失稳机制研究中传递系数法与强度折减有限元法的异同，传递系数法在分析局部滑动的边坡问题中具有明显的局限性，而强度折减有限元法则可以通过计算的位移增量云图和等值线确定潜在的局部滑动面。

通过分析可知，将强度折减有限元法推广到非饱和土边坡稳定性分析中去，必须要解

决两个关键问题：①非饱和土在有效应力空间中的强度破坏面；②由于坡体中各点的基质吸力不同而导致边坡土体在强度方面的非均匀性。

条分法和强度折减有限元法确定的潜在滑动面的形状和位置均不同，前者假设滑动面是圆弧，而后者确定的潜在滑动面并不是圆弧。条分法计算中只能考虑假定滑动面上的基质吸力，且由于简化了条间内力，从而无法考虑边坡上部非饱和土体条间基质吸力对稳定性的影响，且往往会低估基质吸力的作用，而强度折减有限元法可以合理考虑上部坡体的基质吸力。

此外，膨胀土在我国分布广泛，由于膨胀土具有特殊性，因此有必要在充分认识它们特性的基础上，探索适用于非饱和膨胀土边坡稳定性的分析方法。膨胀土的特殊性质如下：

（1）非饱和性。基质吸力与膨胀土的胀缩性、固结和变形性质、抗剪强度以及土中水的运动都密切相关。与一般非饱和黏性土一样，基质吸力可以增加土颗粒间的有效应力，从而增大非饱和土的抗剪强度。不同的是，对于膨胀土而言，吸水膨胀，吸力降低的同时孔隙比增加，从而造成抗剪强度的进一步降低（詹良通等，2006）。

（2）胀缩性。胀缩性是膨胀土的最显著特性。由膨胀性带来的膨胀量在受到约束时部分会转化为膨胀力，这种力和变形及其各向异性对于膨胀土工程是非常有害的。基质吸力所贡献的吸附强度与膨胀土膨胀力成近似线性关系（卢肇钧等，1997），由于膨胀力的测定技术简单易行，因此通过吸力等效膨胀力来研究非饱和膨胀土的强度是个值得推广的方法。

（3）超固结性。膨胀土超固结性使其受压时比一般黏性土具有更大的侧向压力，而卸荷时比一般黏性土产生更大的回弹膨胀（包承纲等，2004）。这使得由于膨胀土湿胀干缩产生的诸多裂隙发展得更宽、更深，在受到外力作用时，侧向位移增大，裂隙处应力集中，隙间强度降低及土体本身的胀缩性都会影响到土体的强度。另外，超固结性使土体呈现渐进性破坏特性。

可以看出，非饱和膨胀土基质吸力、胀缩性和超固结性是非饱和膨胀土边坡分析中的难点。关于非饱和膨胀土边坡稳定性的研究方面，黄润秋等（2007）基于拟合的双曲线非饱和土强度公式，采用简化Bishop法分析了基质吸力对边坡稳定性的影响，但文中并没有考虑基质吸力非均匀性导致的边坡稳定性问题；尹宏磊等（2009）运用塑性上限极限分析法分析了膨胀变形的影响，但没有严格考虑基质吸力非均匀性的影响；刘华强等（2010）完善了条分法对于非饱和膨胀土边坡的应用，但是文中对于条分法本身无法准确反映条间力导致条间基质吸力被低估的问题，没有给出很好的解决方法；刘义高等（2007）以含水率为主要参数分析各种增湿状态下膨胀土边坡稳定性，但对膨胀土的膨胀变形和超固结性没有很好地考虑。

就膨胀土本身与水的关系而言，基质吸力与胀缩性存在着共性，但又有本质的不同。含水量的增加会急剧降低非饱和膨胀土的吸力，会使土体软化，同时非饱和膨胀土吸水后的膨胀趋势会削弱超固结作用。通过基质吸力与膨胀力的关系，从而用膨胀力来反映膨胀土的非饱和强度特性是一种较新颖的理论（卢肇钧等，1999），但是应用于实际的可行性还有待于进一步研究。此外，土体胀缩导致裂缝产生，而超固结性又促进了裂隙的发展，

裂隙的存在将影响土的压缩性、强度和渗透性。因此，胀缩性和超固结性的影响，在一定程度上是通过裂隙性作为载体表现出来的。姚海林等（2002）采用条分法研究表明，裂隙开展及降雨对膨胀土强度有显著影响；陈铁林等（2006）对比分析了非膨胀土与膨胀土边坡中不存在裂隙以及存在裂隙的情况，认为在分析膨胀土边坡时除了考虑基质吸力，裂隙的影响也是不可忽略的；李荣建等（2013）基于研制的新型膨胀力测试仪（李荣建等，2012），采用卢肇钧强度理论公式，并运用强度折减有限元法研究了非饱和膨胀土边坡的失稳机理，该研究对于非饱和膨胀土边坡具有较大的理论和实际工程意义。

总之，影响非饱和土边坡稳定性因素众多，其中基质吸力是最本质也是最重要的因素之一，尽管众多研究成果均表明了它对边坡的稳定系数和潜在滑动面位置的明显影响，但基质吸力的非均匀分布需要加以合理考虑。应当全面考虑基质吸力在空间上的非均匀分布会导致边坡土体强度的非均匀性，边坡稳定性分析的传统方法难以推广到考虑非均匀基质吸力的非饱和土边坡稳定性分析中，而强度折减有限元法就可以解决这些问题。对于一个已知的任意复杂的基质吸力分布，以及边坡含水量变化而导致的吸力重分布，如何使非饱和土边坡稳定性分析结果更加合理则是另一个需要结合非饱和—饱和渗流有限元解决的问题。另外，研究非饱和膨胀土边坡稳定性必须研究吸力、膨胀力、超固结性及裂隙性之间的关系，从而将非饱和土理论中的普遍规律与膨胀土的特殊性相结合，发展相应的边坡稳定性分析方法，这也正是膨胀土地区边坡工程稳定性分析的发展方向。