《论边坡的稳定系数与安全系数​》续之坡体的稳定性细部讨论(假日专题)

前些天笔者写了一篇《论边坡的稳定系数与安全系数》的公众号文章,在同行中的反响热烈。但同时有朋友指出,该文中的“安全系数与稳定性系数关系图”中的坡体的稳定系数随时间呈现单调的下降函数曲线形式是欠合理的。在此笔者感谢这位朋友的严谨,故对该文做一个续写,从而对特殊坡体的稳定系数与时间的关系进行一个论述,就当是《论边坡的稳定系数与安全系数》一文的一个续写和补充吧。
图1 安全系数与稳定性系数关系图
自然界中的坡体,从地质历史上来说,最终都有降低自身能量的属性,故最终都会湮灭。也就是说,坡体的稳定性从大的演变规律来说,其稳定性是随时间而不断降低的。这也是“安全系数与稳定性系数关系图”中描述的一般规律。但在岩土工程中,很难有一个理论能成为包罗万象的真理,都有其使用边界。因此,从严谨的定义来说,该关系图的名称应定名为“一般情况下的坡体安全系数与稳定性系数关系图”可能更为合理。
从坡体发展的全局性来说,坡体在湮灭的整个地质历史进程中,坡体的稳定性整体呈现不断降低的趋势,但这种演变进程往往受到某些因素影响而出现回升与下降反复循环、加速下降或螺旋式下降等多种形式,但这种阶段性的坡体稳定性“短暂突变”不会改变坡体整体滚滚向前的全局稳定性降低趋势。
这种坡体全寿命内的稳定性降低趋势与某一特定时期内的稳定性反复,正如毛主席在《矛盾论》所说,它“是一种事物的矛盾法则体现,即对立统一的法则,是唯物主议辩证法的最根本法则”、“这些问题是:.......矛盾的普遍性,矛盾的特殊性,主要矛盾与特殊矛盾的主要方面,矛盾诸方面的同一性和斗争性,对抗在矛盾中的地位”。
虽然人类对坡体整体最终湮灭的趋势无法阻挡,但由于工程斜坡的安全使用期远远小于地质历史演变期,对这种“短期”内的坡体稳定性呈现非单调下降的规律应有一定的认识,从而辅助人类的岩土工程有效使用和病害处治。换句话说,坡体的这种稳定性短暂反复可能会人类对坡体安全性索求存在一定影响。
如有坡体在降雨后都会存在一定的稳定性降低,且在一段时间后这种降雨的影响减弱或消失后,坡体的稳定性就会出现一定的回升。也就是说,只要这种稳定性的降低不小于人类对坡体安全性的要求,那就可以忽略降雨对坡体稳定性的影响。换句话说,并不能所有的坡体稳定性降低都会引发人们对坡体安全性的焦虑。当然,如果暴雨连续不断,就可能加速坡体稳定性自然演化的降低速率,这时人们就会在工程边坡设计前进行暴雨工况计算而防止设防范围内的暴雨造成坡体失稳。当然,这种暴雨的设防边界是与人类工程的重要性和使用年限等密切相关的。
再如有的富水老滑坡,暴雨时由于水压力等作用造成坡体稳定性降低,导致滑体可能出现一定的滑移。但在一定的变形范围内,随着坡体变形造成的能量释放,滑坡的稳定性将会出现一定的回升,这也就造成了有的老滑坡具有时滑时停的特点。当然,这种滑坡的稳定性短暂回升是不会改变滑坡的稳定度逐渐被消弱的趋势。
如果这种老滑坡的时滑时停稳定性螺旋反复式降低没有低于人类的安全性下限要求,那就是“安全”的,不需要工程干预的。反之一旦突坡人类对坡体的安全性要求下限,就需要及进行工程干预,防止坡体的稳定性在突破人类的安全性要求下限后继续降低,直至突破坡体的稳定性极限而发生整体失稳滑移。当然,滑坡滑坡能量耗散后,随着滑体的压密固结,坡体的稳定性将不断提高,直至下一次稳定性演变循环。
图2 时滑时停性老滑坡稳定性变化示意图
再如软弱地基上的填土路堤稳定性,其最低的稳定性出现在人工填土加载至路基标高而停止填方的那一个点”,只要这个“点”处的路堤稳定性满足工程安全性指标,那么后期随着软弱地基固结、人工填土的压密,路堤的稳定性将逐渐提高,也就是说坡体的安全性不断提高。但在这个路堤稳定性演变的“线”性进程中,路堤的稳定性将在越过某一个高点后,将不可避免的走向下降通道。这就要求我们要不但要关注路堤在某一个“点”的稳定性能否满足工程的安全性需求,同时也要关注路堤在某一段“线”的稳定性能否满足工程的安全性需求。
AB段为填方加载稳定系数降低段,BC段为固结稳定性系数提高段,CD为填方体稳定性自然演变下降段,B点为填方最高点,D点为工程干预临界点
图3 填方路堤稳定性变化示意图
因此,坡体的稳定性正如《矛盾论》中所说,要在掌握矛盾的普遍性基础上,同时还需掌握矛盾的特殊性。那么对于坡体的稳定度的矛盾性来说,特殊性一定要特殊对待,不能超越其使用边界,要在坡体稳定性随时间不断降低的普遍性基础上,针对性掌握坡体稳定性出现反复、加速、减速的特殊性,明确事物,当然包括坡体稳定性螺旋式发展的普遍规律,以更好的为岩土工程事业服务。
后记,现在新编规范将稳定系数定名为安全系数,将安全系数定名为设计安全系数。
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