【正文】 全系數(shù)。 石灰改良土邊坡穩(wěn)定性研究邊坡的穩(wěn)定是一個(gè)比較復(fù)雜的問題，影響邊坡穩(wěn)定性的因素有很多，簡單歸納起來主要有，邊坡體自身材料的物理力學(xué)性質(zhì)，如抗剪強(qiáng)度、容重等，邊坡的形狀與尺寸，邊坡的工作條件，邊坡的加固措施等等。石灰自身硬化過程中得到的氫氧化鈣結(jié)晶體，把土粒膠結(jié)成整體，從而使石灰土的穩(wěn)定性得到提高。圖32為各種土的抗剪強(qiáng)度包線，從圖中可看出，改良土的內(nèi)摩擦角比起改良前雖略有改變，但變化不是很大，所不同的是增加了。其相應(yīng)的摩爾圓為B圓。在相同的豎向應(yīng)力作用下，側(cè)向變形。圖31(a)為未摻灰或者摻灰不多的土單元體，側(cè)向壓力為σ3在豎向荷載σ1的作用下，土體單元產(chǎn)生豎向壓縮和側(cè)向膨脹，隨著豎向荷載逐漸增大，在壓縮變形增大的同時(shí)，側(cè)向膨脹也越來越大，直至破壞，其相應(yīng)的應(yīng)力圓為A圓，如圖31(c)。該現(xiàn)象可通過用MohrCoulomb破壞理論分析其在側(cè)向變形條件下土中應(yīng)力變化來進(jìn)行解釋。石灰改良土中形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的纖維狀晶體的存在，猶如在土中加入了不少“筋帶”，阻止試件產(chǎn)生側(cè)向膨脹，也就是說，等于在試件上施加一個(gè)水平作用力。熟石灰與水作用生成熟石灰結(jié)晶網(wǎng)格，其化學(xué)反應(yīng)式為:(3)火山灰作用火山灰作用即是Ca(0H)2與土中的活性氧化硅(SiO2)和氧化鋁(Al2O3)之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成水化硅酸鈣凝膠和水化鋁酸鈣，其反應(yīng)式為:熟石灰結(jié)晶網(wǎng)格和水化硅酸鈣和鋁酸鈣結(jié)晶體在土微粒團(tuán)外圍形成一層穩(wěn)定保護(hù)膜，填充顆?？障?，使顆粒間產(chǎn)生結(jié)合料，減少了顆粒間的空隙與透水性，同時(shí)提高密實(shí)度，這是石灰土獲得強(qiáng)度和水穩(wěn)定性的基本原因，但這種作用緩慢。石灰是一種強(qiáng)電解質(zhì)，在土中加入石灰后，Ca(0H)2水化生成的鈣離子(Ca2+)與粘土礦物中的鈉、氫、鉀離子產(chǎn)生離子交換作用，原來的鈉(鉀)土變成鈣土，土顆粒表面所吸附的離子有一價(jià)變成了二價(jià)，減少了土顆粒表面吸附水膜的厚度，使土粒相互之間更為接近，分子引力增加，許多單個(gè)土粒聚成小團(tuán)粒，組成一個(gè)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。(1)介紹了邊坡可靠性的概念，指出本文對邊坡穩(wěn)定的評價(jià)方法不只是單純的看安全系數(shù)的大小，而是通過將石灰改良土邊坡和素填土邊坡的安全系數(shù)對比得出穩(wěn)定的結(jié)論；(2)介紹了極限平衡法的基本原理，從基本原則和合理性原則方面概述了其方法論；(3)分析了無粘性土和粘性土臨界坡率的理論來源和計(jì)算方法；(4)分別介紹了邊坡穩(wěn)定性分析所用到的兩種軟件程序GeoSlope和FLAC的基本原理和特點(diǎn)。用戶可以根據(jù)特殊需要，定義關(guān)心的變量、函數(shù)甚至本構(gòu)模型。(6) 開放式內(nèi)嵌語言FISH。(4) 豐富的單元形態(tài)也可以由用戶根據(jù)的需要自己開發(fā)特殊的單元形態(tài)，以適應(yīng)仿真研究對象的真是形態(tài)，所有單元的力學(xué)行為遵循制定的本構(gòu)關(guān)系和邊界條件，而且在材料的屈服和流動(dòng)時(shí)網(wǎng)格也可以變形，并隨材料而移動(dòng)。(2) 對結(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方程采用“顯式”拉格朗日差分，提高了計(jì)算效率，尤其對于巖土工程中大量的非線性本構(gòu)問題特別有效。求解過程中若某一時(shí)刻各個(gè)節(jié)點(diǎn)的速度已知，則根據(jù)高斯定理可求得單元的應(yīng)變率，然后根據(jù)材料的本構(gòu)方程就可求得單元新的應(yīng)力。FLAC程序采用最大不平衡力來刻劃FLAC的計(jì)算收斂過程。由應(yīng)力增量求出t和t+t時(shí)刻各個(gè)結(jié)點(diǎn)的不平衡力以及加速度、積分加速度，即可求出結(jié)點(diǎn)新的位移值，從而計(jì)算各結(jié)點(diǎn)新的坐標(biāo)值。如果合力不等于零，節(jié)點(diǎn)就會(huì)失穩(wěn)而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，從而可以在每一時(shí)步中求得位移和速度的增量。首先將研究區(qū)域劃分為網(wǎng)格，物理網(wǎng)格影射到數(shù)學(xué)網(wǎng)格上，數(shù)學(xué)網(wǎng)格上的某點(diǎn)(i , j)就與物理網(wǎng)格上相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)(x , y)相對應(yīng)。賦予不同的材料模型或者同種材料模型的不同參數(shù)值，來模擬復(fù)雜的地質(zhì)情況。另外，程序還包括交界面模型及分區(qū)功能，用戶可以利用滑動(dòng)面來模擬斷層和節(jié)理。Willkins最早把FLAC用于固體力學(xué)，但在巖土力學(xué)中得到應(yīng)用則始于美國ITASCA咨詢集團(tuán)公司，這是一家專門從事咨詢并開發(fā)土木及采礦工程應(yīng)用程序的機(jī)構(gòu)。 FLAC程序介紹FLAC程序是連續(xù)介質(zhì)快速拉格朗日力學(xué)分析法(Fast Lagrangian Analysis of Continua)的英文縮寫，計(jì)算過程中全部采用動(dòng)力運(yùn)動(dòng)方程，著眼于計(jì)算過程中任何一點(diǎn)在不同時(shí)刻的速度和不平衡力，使得動(dòng)態(tài)數(shù)值仿真研究得以實(shí)現(xiàn)。SLOPE/W模塊通過建立圖形模型，設(shè)置邊坡土參數(shù)，借用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力，選定邊坡區(qū)域內(nèi)圓弧滑動(dòng)面的圓心和半徑的范圍，通過試算法，確定滑坡面最小安全系數(shù)Kmin所對應(yīng)的滑動(dòng)開展面。SLOPE/W分析邊坡穩(wěn)定性的算法是建立在極限平衡理論和摩爾庫倫強(qiáng)度理論上的圓弧滑動(dòng)條分法，其中以Bishop條分法最為常用。SOPE/W 軟件對于綜合問題公式化的特征使得它可以同時(shí)用八種方法分析計(jì)算簡單的或復(fù)雜的邊坡穩(wěn)定問題；使用極限平衡理論對不同土體類型、復(fù)雜地層和滑移面形狀的邊坡中的孔隙水壓力分布狀況進(jìn)行建模分析；提供多種不同類型的土體模型，并使用確定性的和隨機(jī)的輸入?yún)?shù)方法來進(jìn)行分析；除用極限平衡理論計(jì)算土質(zhì)和巖質(zhì)邊坡(含路堤)的安全性外，SLOPE/W軟件還使用有限元應(yīng)力分析法來對大部分邊坡穩(wěn)定性問題進(jìn)行有效計(jì)算和分析。 GeoSlope程序介紹計(jì)算采用的是加拿大GEOSLOPE公司研制的巖土分析軟件GEOSLOPE中的一個(gè)計(jì)算邊坡穩(wěn)定性的模塊SLOPE/W。如果已知γ、H、C、φ等參數(shù)，確定安全系數(shù)K，便可得出該粘土邊坡的坡度傾角α，即可得出坡率。那么，對高度為H的粘性土強(qiáng)度指標(biāo)及容重等參數(shù)不變情況下的土坡，其臨界坡度即為該滑動(dòng)破裂面的傾角，因此，在分析中采用了直線破裂滑動(dòng)面，并求得該粘性土均質(zhì)邊坡的臨界坡度。由于HZ0,則在無支護(hù)的情況下，該土體必然沿內(nèi)部某一滑動(dòng)面失穩(wěn)，見圖23。圖22 無粘性土邊坡穩(wěn)定分析示意圖對于均質(zhì)的粘性土而言，當(dāng)高度H小于直壁高度Z0時(shí)，不需任何支護(hù)，即可穩(wěn)定。事實(shí)上滑面以上的無粘性土體是假想存在的。邊坡破壞時(shí)的坡度為邊坡的臨界坡度，可以從安全系數(shù)K來分析。對于均質(zhì)的一般粘性土邊坡，其滑動(dòng)面往往從邊坡的坡腳開始。土質(zhì)邊坡失穩(wěn)的主要破壞狀態(tài)是滑移、傾倒和轉(zhuǎn)動(dòng)破壞，其中最常見的是滑移破壞。（見圖21） (26) (27)式中：為作用在土條垂直面上的有效法向力的作用點(diǎn)的縱坐標(biāo)。 Price,1967年；Janbu,1973年)(1) 沿著劃分的土條兩側(cè)垂直面上的剪應(yīng)力不能超過在這個(gè)面上所發(fā)揮的抗剪能力，見圖21，即： (24)或 (25)上述為沿著上條垂直面的安全系數(shù)；為使用經(jīng)過式(21)縮減后的垂直面的安全系數(shù)；為作用在土條垂直面的法向有效應(yīng)力；為作用在土條垂直面的剪力；為土條垂直面的有效平均摩擦系數(shù)；為土條垂直面的有效平均粘聚力；為被K值除后的值；為被K值除后的值；y為滑裂面的縱坐標(biāo)；z為土坡表面的縱坐標(biāo)值。他必須使獲得大的解符合土和巖石的力學(xué)性質(zhì)。在靜力平衡方程組中，未知數(shù)的數(shù)目超過了方程式的數(shù)目，解決這一靜不定問題的辦法是對多余未知數(shù)作假定，使剩下的未知數(shù)和方程數(shù)目相等，從而解出安全系數(shù)的值。在這個(gè)滑裂面上，土體處處達(dá)到極限平衡，即正應(yīng)力σn和剪應(yīng)力τ滿足摩爾庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則。采用這一定義，在數(shù)值計(jì)算方面，會(huì)增加一些迭代、收斂方面的問題。也從側(cè)面保證了石灰改良土邊坡穩(wěn)定的可靠性。進(jìn)而言之，破壞概率對確定具體邊坡工程采用多大可靠度為好的問題，更具實(shí)用價(jià)值，而安全系數(shù)對確定采用多大的安全度為好幾乎毫無意義?？梢?，用破壞概率比用安全系數(shù)作為評價(jià)指標(biāo)更能客觀、定量地反映邊坡的安全性。因此，可靠性分析結(jié)果能反映各種類型的不確定性或隨機(jī)性，包括頻率分布上的和結(jié)果可信程度上的不確定性，不但給出邊坡設(shè)計(jì)可采用的平均安全系數(shù)，還同時(shí)給出相應(yīng)的可能承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)，即破壞概率。借助于概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，便可以求得邊坡的可靠度，即所設(shè)計(jì)邊坡能在使用期內(nèi)、在指定的工作條件下，肯定地達(dá)到預(yù)計(jì)狀態(tài)的程度，或保證邊坡穩(wěn)定的概率。由此表明邊坡狀態(tài)的狀態(tài)函數(shù)值以及狀態(tài)的評價(jià)指標(biāo)亦為隨機(jī)變量。因此，在廣泛的邊坡工程設(shè)計(jì)、施工和使用中，深入地分析、評價(jià)邊坡的可靠性，成為邊坡工程實(shí)踐的必需。邊坡可靠性是評價(jià)和衡量邊坡工程質(zhì)量的綜合性指標(biāo)。因此，可將安全性、實(shí)用性和時(shí)效性合稱為可靠性。邊坡工程質(zhì)量指標(biāo)即邊坡工程性能指標(biāo)有三：一是安全性，二是實(shí)用性，三是時(shí)效性。 論文的主要內(nèi)容及技術(shù)路線本文先利用GeoSlope軟件分析石灰改良土邊坡在不同邊坡高度，以及不同坡比的邊坡在理想地基條件下的穩(wěn)定性，然后結(jié)合工程研究的A、B兩個(gè)場區(qū)不同的地基條件和邊坡填土條件，運(yùn)用GeoSlope軟件分析評價(jià)其穩(wěn)定性，流程如下圖：不同邊坡高度，以及不同坡比的灰土邊坡在理想地基條件下的穩(wěn)定性A、B場區(qū)不同條件下的路堤邊坡及地基土參數(shù)。郭志勇（2003）對某公路路基膨脹土進(jìn)行了改性試驗(yàn)和動(dòng)力特性試驗(yàn)研究。陳新民、羅國煌、李生林等（1997）用生石灰改良膨脹土取得了明顯的改良效果；在石灰土動(dòng)力特性的研究方面，我國起步較晚，研究成果較少，曾陽生、張佩知（1992）利用動(dòng)三軸儀模擬列車荷載作用下鐵路路基基床內(nèi)的受力狀態(tài)，對由兩種不同的膨脹土構(gòu)成的石灰土進(jìn)行了動(dòng)變形與動(dòng)強(qiáng)度的的試驗(yàn)研究。我國在利用石灰改良土作路基填料方面做了不少探索性的工作，石灰改良土作高速公路、干線公路、地方一般公路路基填筑材料得到了廣泛的應(yīng)用，利用石灰處理膨脹土，淤泥質(zhì)軟土等特殊地基也取得了令人滿意的成果。國外有關(guān)研究石灰改良土靜力特性的報(bào)道很多，近十年來石灰改良土靜力特性方面的研究成果有：Bell（1996）研究了石灰對粘土及其常見礦物成分高嶺土、蒙脫石、石英等的工程力學(xué)性質(zhì)的改良作用；Osula（1996）等對比研究了石灰和水泥對紅土進(jìn)行改良時(shí)，齡期對改良效果的影響；Locat（1996）等研究了經(jīng)石灰處理后的有機(jī)質(zhì)軟土的力學(xué)和硬化特征。用石灰改良土做路基填料，是近幾年修筑高速公路、干線公路、地方一般公路過程中迅速發(fā)展起來的一種路基施工技術(shù)。另外還有最小安全系數(shù)法和模糊數(shù)學(xué)及可靠度理論穩(wěn)定分析法等其他方法得到研究和發(fā)展。另外Duncan和Dunlop（1969）還采用有限元法模擬開挖過程的坡體穩(wěn)定情況，并分析了橫向土壓力對穩(wěn)定的影響程度。根據(jù)最終應(yīng)力分布狀態(tài)，用數(shù)值解法求解方程，從而確定滑裂面的位置。陳慶中（1997）結(jié)合有限元法、極限平衡理論和常微分方程的數(shù)值解法等，提出用于直接尋找滑裂面的滑移線數(shù)值分析方法。Kim J. Y ，和Lee S. R. （1997）采用有限元法進(jìn)行坡體穩(wěn)定分析，提出了一種尋找臨界滑動(dòng)面和定義安全系數(shù)的方法。Donald和Giam（1988）通過計(jì)算結(jié)點(diǎn)的位移來研究坡體的穩(wěn)定，可以自動(dòng)搜索出臨界滑面。Celeatino和Duncan（1981）提出一種新方法，沿某一方向移動(dòng)，算出與之相應(yīng)的滑動(dòng)面，直到找出最危險(xiǎn)的非圓形滑動(dòng)面。Boutmp和Lovel（1980）以及Siegel等人（1981），隨機(jī)生成許多潛在滑裂面，從這些滑裂面中找出具有最小安全系數(shù)的滑面，即臨界滑動(dòng)面。而對于尋找非圓形滑面的技術(shù)卻比較復(fù)雜。而在有限元法穩(wěn)定分析中，確定圓形臨界面不是困難問題，通常采用對稱地改變圓心和變化半徑長度找到臨界滑面。這些方法一般僅考慮力的平衡條件，對于轉(zhuǎn)動(dòng)失穩(wěn)的土體，必須增加楔體數(shù)目才能比較逼近解答的真實(shí)性。Eooki與Yag等（1990）在滑楔間界面上引人了局部強(qiáng)度發(fā)揮度，運(yùn)用滑塊離散格式提出了廣義極限平衡法。根據(jù)最優(yōu)控制理論提出了邊坡臨界滑動(dòng)場的概念和模擬臨界滑動(dòng)場的數(shù)值方法。朱大勇（1997）認(rèn)為臨界滑動(dòng)場是邊坡在臨界狀態(tài)下邊坡體內(nèi)無數(shù)條互不相交的危險(xiǎn)滑動(dòng)面組成的剩余推力極值曲線場。由于介質(zhì)和狀態(tài)方程的復(fù)雜性，滑動(dòng)位面決定的安全系數(shù)泛函不僅具有多重極值，有時(shí)還不連續(xù)。合理地確定臨界滑裂面也是提高條分法準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。針對這種情況，張雄（1994）不對條塊間內(nèi)力作任何假定。陸亦莊（1997）通過大量的計(jì)算，用瑞典法求算簡單條件下鐵路路基粘性土邊坡最危險(xiǎn)圓弧圓心的軌跡線，并探討了土的物理力學(xué)性質(zhì)與軌跡線的關(guān)系。同時(shí)，也是一個(gè)非?；钴S的研究對象，不斷有學(xué)者對其進(jìn)行完善和補(bǔ)充。并認(rèn)為在垂直面上的應(yīng)力分布不應(yīng)破壞屈服條件并且保證土條接觸面上不產(chǎn)生拉應(yīng)力；Janbu （1973）假定了推力線的位置。為了將坡體穩(wěn)定分析中的超靜定問題轉(zhuǎn)化為靜定問題，一些學(xué)者嘗試將條塊間的作用力做了人為假定。之后，F(xiàn)el