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同学们好

本节课我们学习土石坝的稳定分析

首先

稳定分析的目的在于

分析可能的破坏型式

确定最危险的滑动面

以及核算坝坡的稳定性

稳定分析的结果

对于选择合理经济的坡比和剖面

采取适当的工程措施以提高坝坡稳定性

具有重要的参考价值

土石坝的稳定分析

一般考虑4种代表性的工况

包括施工期、稳定渗流期、水位降落期

以及正常蓄水位+地震工况

对于每种工况

坝体承受的荷载不同

上游水位及其产生的坝内渗流场不同

土石料的干湿饱和状态

以及强度参数也有所不同

因此坝坡的稳定性也不同

在坝体设计时均需要进行计算分析

保证坝坡在任何工况下

都具有足够的安全性

土石坝的稳定计算

同样包括参数的确定

计算方法以及安全控制三个部分

以下分别详述

关于土石料的抗剪强度

分为总应力强度和有效应力强度两种

工程中最常采用的计算方法为

摩尔库伦计算公式如图所示

是通过坝料的抗剪强度试验

画出如图所示的莫尔圆

求取其强度包线后

即可得到强度指标c、φ或c’、φ’

土石料的抗剪强度试验一般采用三轴试验

中低土石坝也可采用直剪试验

对于粘性土的三轴试验

一般采用如图所示的常规三轴仪进行

采用圆柱形试样

可以对试样的三个方向施加压力

试验时先通过压力室内的有压液体

使试样在三个轴向受到相同的周围压力

并维持整个试验过程不变

然后通过上部活塞向试样施加垂直轴向偏应力

直到试样剪坏

由轴向偏应力和周围应力

可得试样破坏时的大主应力σ1和小主应力σ3

即可以绘制一个应力摩尔圆

另取几个试样

改变围压

试样剪坏破坏时所施加的偏应力也会改变

又可绘制另外几个应力摩尔圆

如此

在不同周围压力下的剪切试验

就可得到一组应力摩尔圆

其外公切线即为土的抗剪强度包线

由此可求得抗剪强度指标

试验中

根据试样固结和排水条件的不同

分为三类试验

分别为

1、固结排水剪切试验

代号CD

试样先进行固结

然后在排水条件下缓慢剪切

使得孔隙水压力得以充分消散

此种试验过程中

任一阶段都不产生孔隙水压力

其总应力等于有效应力

实际应用中可以认为

其得到的强度指标cd、φd

与有效应力指标c’、 φ’一致

2、固结不排水剪切试验

代号CU

试验先进行固结

然后在不排水条件下剪切

剪切时产生孔压

而且孔压u可以测定

因此

固结不排水试验

可以用来确定总应力强度指标c_cu,φ_cu

也可以用来确定有效应力强度指标c’、 φ’

但需注意

c_cu,φ_cu 与c^',φ^'是不相等的

3、不固结不排水剪

代号UU

试样在剪切前不固结

在剪切过程中不排水

孔压随着试样应力的增加而增加

其试验条件接近于坝体竣工时的情况

也可以模拟地基固结速率

慢于土层填筑速率的情况

此种通常用来测定坝体

或坝基中非饱和土的总应力强度指标c_u,φ_u

直剪试验在如图所示的直剪仪上进行

其缺点在于不能有效地控制排水条件

并且其剪切面积随剪切位移的增加而减小

一般仅用于3级以下重要性较低的中低坝

应用直剪仪可以进行

慢剪S、快剪Q、固结快剪R三种试验

对于慢剪试验

碾压式土石坝设计规范规定

对3级以下中低坝

可用慢剪试验测定土体的有效强度指标

其结果与三轴固结排水试验的测值相近

而对于透水性较强的的土石料

即使快速剪切

试样依然可以排水

并不能形成孔压的上升

因此

用快剪和固结快剪试验得不出有意义的结果

所以

规范规定

只有对于渗透系数k<10-7cm/s的土

才容许用快剪和固结快剪试

来测定总应力强度指标

并认为其测值分别与三轴试验中的

不固结不排水剪和固结不排水的结果相近

上述是针对细颗粒的粘性土料

进行剪切试验求取抗剪强度参数

对于土石坝的无粘性土料

如反滤料、过渡料以及坝壳砂砾石料

由于其透水性较强

一般通过固结排水剪切试验确定其强度指标

而对于粗颗粒堆石料

由于颗粒粒径较大

常规三轴仪无法满足试验要求

目前工程上多采用大型三轴仪进行强度试验研究

如图所示为大连理工大学研制的超大型三轴仪

试样直径0.8m

高度1.76m

此类大型三轴试验可以施加更高的围压和偏应力

而且减少坝料缩尺对其力学性能的影响

可以得到更为可靠的试验结果

由于粗粒料在试验中易发生颗粒位置的重新排列

以及尖锐的棱角易发生破碎折断等

其莫尔圆及强度包线的型式与细粒粘性土不同

如图所示

表现为非线性

即随着围压的增加

其抗剪强度的增加速率逐渐减慢

强度包线表现为斜率逐渐减少的曲线型式

为反映这种非线性

工程上一般采用如图所示的

公式来表示粗粒料的强度指标

将φ作为小主应力σ3的函数

并引入剪胀角△φ以反映φ的变化特征

实际计算时

对于粗粒料

应采用这种非线性强度指标进行坝坡稳定分析

上述针对不同的土石料

通过不同的试验方法可以确定其强度参数

那么

在进行坝坡稳定计算时

到底采用哪种强度参数呢

这与计算工况有关

不同的工况条件下

土石料的受力状态和排水条件不同

因此其强度参数应

选择与其实际受力状态和排水条件相同

或接近的试验所得的强度参数

具体如下

1、施工期和竣工期

由于粘性土料的渗透系数较低

其渗流固结过程较慢

粘性土料的固结没有完成

因此

应采用UU试验所得的

总应力强度指标进行计算

实际工程中

由于施工进程有时放缓

粘性土料有时会有一定程度的固结

孔压有部分消散

此时按总应力强度指标的计算结果偏于保守

如果可以通过实测或分析

得到土体中的孔压或固结度时

可以计算有效应力

则可使用有效应力强度指标

c’、 φ’或cd、φd进行计算

2、稳定渗流期

土体前期已经得到充分固结

而且孔隙水压力可以根据渗流分析确定

因此

采用CD试验所得的有效应力强度

指标cd、φd进行计算

3、水位降落期

水位缓降时

孔压可以得到消散

因此可采用CD试验所得的

有效应力强度指标进行计算

当水位骤降时

孔压消散速度小于水位骤降速度

接近于不排水条件

土体内存在较高的超静孔压

因此

应采用CU试验所得的总应力

强度指标c_cu,φ_cu进行坝坡稳定计算

本节课我们学习了

土石坝稳定分析中土石料

抗剪强度参数的确定方法

以及不同计算工况条件下强度参数的选择

下一步是坝坡稳定的计算方法与安全控制

将在下节课中详述