地质灾害与环境环境
JOURNAL OF GEOLOGICAL HAZARDS AND ENVIRONMENT PRESERVATION
　1999年　第10卷　第4期　Vol.4　No.12 1999



地下水对土坡稳定性的影响分析
林峰　徐蓉　陈宁
摘要：总结地下水对土坡稳定性的多方面影响。认为土水间的相互作用影响土颗粒的性质；有效应力原理运用的关键，在于正确获得孔隙水压力；孔隙水压力并非不变的；给出土坡稳定性分析中对孔隙水压力和动水压力的近似计算方法。这些对提高土坡稳定性评价结果的可靠性至关重要。
关键词：地下水；有效应力原理；孔隙水压力；稳定性分析
中图分类号：P641.2；P642.2
文献标识码：A
文章编号：1006-4362(1999)04-0041-06
THE EFFECT OF GROUNDWATER ON EARTH
SLOPE STABILITY ANALYSIS
Lin Feng①
(①Institute of Engineering Geology，Chengdu University of Technology,Chengdu　610059)
Xu Rong②
(② Chengdu Institute of Geotechnical Exploration,China Construction Material Industrial Company,Chengdu　610081)
Chen Ning③
(③ The No.5 Project Department,The No.5 Project Bureau, Ministry of Railways，Chenzhou，Hu′nan　423000)
Abstract：Multieffects of groundwater on earth slope stability analysis are systematically generalized. The results are as follows: the interaction between earth and groundwater influences the properties of earth granules; the key to apply the effective stress law is to get right pore water pressure; the pore water pressure is not permanent. At last, the approximate calculation methods of pore water pressure and flowing pressure are presented. These contribute to better reliability of slope stability analysis.
Key words：groundwater；effective stress law； pore water pressure；stability analysis 
　　地下水对土坡稳定性的影响是多方面的，可以使土体的强度指标降低，也能直接提供动水压力使下滑力增加。值得注意的是，地下水对土坡稳定性的影响不是相互独立的。因此，恰当地分析地下水的作用，对于提高土坡稳定性评价的可靠性、制定合理的治理对策，以及避免不必要的浪费都是十分有益的。然而，直到目前，尽管对这一问题有足够的重视，但仍未能得出统一的看法，不同的看法给出的结果往往不同，甚至有明显差异［1］。这给评价结果带来不确定性和潜在的不安全因素。因此，有必要对这一问题进行系统总结，统一看法，从而提高土坡稳定性评价的可靠性。本文正是基于这一思想撰写而成。
1　土—水的相互作用分析
　　从化学反应观点看，水和土的表面都不是惰性材料，水和土颗粒彼此将相互作用。水-土相互作用的可能机制有［2］：
　　(1) 氢键连接：　粘土矿物的表面通常是由一层氧或一层羟基组成，氢键连接很容易产生。土颗粒表面形成氢键将改变正常水中的电子分布［2］，很容易使已连接的水分子与同层或下一层水分子形成附加键。随着距矿物颗粒表面距离的增加，表面力场的影响减小，水的刚度将变小。
　　(2) 可交换阳离子的水化：　极性水分子被吸引到溶液中的离子上，导致离子水化。阳离子连同水化水一起被吸附到粘土表面。当土中含水量很低时，这一机制很重要。
　　(3) 渗透吸附：　当阳离子接近带负电荷的粘土表面时，阳离子的浓度将增加，水分子力图使离子浓度保持平衡而向表面附近渗入。
　　(4) 带电表面吸引极性水分子：　粘土颗粒带负电，其附近的极性水分子在电场的影响下将定向，正极指向负表面，定向程度随着电场强度减小而减弱。
　　(5) 色散力的吸引：　电子云的同相振动使分子形成瞬时偶极，诱发邻近分子的移位，从而产生偶极子—偶极子的吸引，称为色散力。色散力能够把水分子连接到粘土颗粒的表面上去。由于这种键没有方向性，所以吸附的水结构堆积更紧密。
　　土—水之间的相互作用，使土中地下水并非总以重力水的形式存在，这种相互作用改变了土颗粒附近水（吸附水）的性质，这种性质的改变程度随着含水量的不同而不同。吸附水的存在，必然会影响颗粒的性质和颗粒之间的相互作用，从而影响到土的性质，表现为土的性质对水的敏感性。
2　有效应力原理
　　有效应力原理被看作是现代土力学的核心［2］，由Terzaghi在1920年创立。在1936年的第一届国际土力学和基础工程大会上，Terzaghi通俗易懂地表述了这一原理：“……如果土中的孔隙是在应力u下被水充满，总主应力由两部分组成：一部分是u，以各个方向相等的强度作用于水和固体，这一部分称作中和应力或称为孔隙水压力；另一部分为总主应力和中和应力之差，……它只在土的固相中发生作用，总主应力的这一部分称作有效主应力。多孔材料（如砂、粘土和混凝土）对u所产生的反应似乎是不可压缩的，好像内摩擦等于零。改变应力所能测到的结果，诸如压缩、变形和剪切阻力的变化，仅仅是由有效应力的变化而引起的。”即对于饱和土体来说，有效应力由下式得到：
σ′=σ-u　(1)
式中，σ′为有效应力；σ为总应力；u为孔隙水压力。
　　可见，有效应力是一个推导出来的量［2，3］，其实际的物理含义并不明确。由于液相只能承受法向应力，不传递剪切应力，如果认为土体颗粒不可压缩，则孔隙水压力不能带来土体体积和形状的改变；有效应力控制了土体的体积变化和强度。因此，在进行土体的变形计算和稳定性分析时，应该采用有效应力参数。但是，这只是问题的一个方面，在实际应用中，正确地获得有效应力参数和有效应力大小，才可能进行土体的变形和强度分析。获得有效应力的关键，又在于获得正确的孔隙水压力。
　　在有效应力的各项中，只有总应力可以直接测得(图1)。实际应用中，孔隙水压力是在粒间区之外的一点上测得（记为u0），在平衡状态下，两点上水的总势是相等的，但这并不是说u=u0，它们之间的关系推导如下：


图1　饱和土的压力分析图
(据　文献［2］)
Fig.1　Pore water pressure analysis map of saturated soil
　
　　总势的含义是指在大气压力下，把一定高度的容器中的微量纯水，等温地、可逆地转移到所研究的土水系统中的某一点时所作的单位水量的功。岩土工程中通常认为总势是由重力势、毛细势和渗透势三个部分组成（Aitchison，Russan and Richards，1965），即：
Ψ=Ψg+Ψm+Ψs
式中，Ψ为总势；Ψg为重力势；Ψm为毛细势；Ψs 为渗透势。与它们对应的水头分别为：H，Z，hm，hs，则：
H=Z+hm+hs
用压力计测饱和土体的孔隙水压力。假设压力计中用的是纯水，则压力针头处的总势为（假设压力针头Z=0）：
H0=0+hm0+0=hm0
　　测得的孔隙压力为（为压力针头内的值）：
u0=hm0γw
式中，hm0为压力计中相对于压力针头的水头高；γw为纯水的容重。
　　由于饱和土体中水的电解质浓度不为零，所以，hs≠0，与压力针头相同高程处的某点1处的水头H1为：
H1=0+hm1=hs1
　　如果没有水流动，则：
H1=H0=hm0
　　所以，1点处的孔隙水压力u为：
u=hm1γw=u0-hs1γw
　　如果有水流动，考虑重力势、毛细势和渗透势和惯性力，则Bernoulli′s方程为：

式中，Δh1-0为两点间的水头损失。
　　由于流速很低，惯性力可以忽略，则1点处的孔隙水压力u为：
u=hm1γw=u0-hs1γw+Δh1-0γw　(2)
　　式(2)即为u和u0的关系式。当1点距压力针头足够近时，可以认为Δh1-0=0。对于低塑性的粒状土、粉土和粘土，hsγw一般很小，也可以忽略不计［2］，这样：u=u0。
　　Terzaghi提出的有效应力原理简单地将水和固体骨架分开独立考虑，认为骨架不可以压缩。这对于几乎所有的饱和土体来说，虽不能取得十分精确的值，但都能给出相当好的近似值［2］。由于实际的固体骨架并非不可压缩，而且具有整体协调功能，所以，Terzaghi′s方程并未给出真正的有效应力（Skempton，1960年）。Skempton在假设库仑方程有效的前提下，导出如下的有效应力计算公式：
　　对剪切强度：
　(3 a)
　　对体积变化：
　(3 b)
式中，ac为粒间接触的有效面积；φ为固体的内摩擦角；φ′为固体骨架抗剪切的有效应力角；Cs为固体颗粒的压缩系数；C为固体骨架的压缩系数。
　　Skempton的分析结果表明，式（3）适用于土、混凝土和岩石。而式（1）之所以能较好地计算土体的性状，是由于土中的Cs/C和ac tanφ /tanφ′接近于零，可以忽略，而混凝土的和岩石的则不能被忽略。
　　试验过程中，土体中的孔隙水压力会发生变化。正常固结软粘土具有剪缩性质，忽略剪缩引起的孔压，会导致计算的有效应力偏大［4］。孔隙水压力的大小，取决于导致不稳定的应力的大小［5］。Skempton（1954年）提出用参数B与A1来预测在不排水条件下，由于应力状态的变化而引起的孔隙压力的变化，其方程式为：
Δu=B｜Δσ3+A1(Δσ1-Δσ3)｜
　　Henkel（1960年）提出用于饱和粘性土的孔隙压力计算式，这个方程包含了中间主应力的影响：
Δu=(Δσ1+Δσ2+Δσ3)/3+aΔτoct
　　此外，Lo（1969年），Ju′arez Badillo(1963年)与Scott(1963年)都曾提出对饱和粘性土的适当的修正。实际上，影响土体在剪切作用下的孔隙水压力的因素很多，包括土的固结状态、应力历史、破坏方式和主应力偏转等。当然，这些因素主要可归结为不同应力条件对于孔压性状的影响［2］。
　　有效应力的物理意义也一直受到关注，一般将其理解为“粒间压力”。分析表明［2］，这两者之间尽管相关，但并不相等。考虑土水之间和土颗粒之间的相互作用，粒间压力的实际大小为：
σ′i=(Cc-A′)ac/a=σ+A-u
式中，σ′i为粒间压力；Cc为由于水化和自身的斥力而产生的短距离斥力；A′为由于主价（化学）连接和胶结所产生的短距离引力；a为沿水平面矿物颗粒所提供的横截面积的平均值；A为长程引力（ver der Waals力）；
　　所以粒间压力和实测的有效应力之间的关系为：
σ′i-σ′=A-hsγw
　　对于低塑性的粒状土、粉土和粘土，A，hsγw一般都很小，或两者很接近，即粒间压力和有效应力近似相等。粒间压力和有效应力有明显不同的情况是不常见的［2］。
3　土坡稳定性分析中对水的考虑方式
　　地下水是土坡稳定性的重要影响因素之一，地下水对土坡稳定性的影响又是多方面的。一般来说，地下水的影响效应至少包括两个方面：其一，是地下水对强度参数的弱化效应；其二，是直接的力学作用。这两个方面往往有一定的相关性。
　　由于土水间的相互作用削弱了颗粒之间的连接，从而降低了土体的强度参数。另外，在实际操作中，由于试验技术上的困难，一般难以获得准确的孔隙压力及其动态变化，从而影响到强度参数的取值。如果能够获得正确的孔隙水压力变化，用有效应力参数进行土坡的稳定性评价自然是唯一正确的选择。然而在实际中常常难于做到这一点，这时用模拟工况的总应力参数也许可以取得较为可靠的评价结果。
　　当选用总应力参数进行稳定性分析时，在滑面上不再单独区分出孔隙水压力，而如果用有效应力参数，则首先得计算出滑面上的孔隙水压力。计算滑面上的孔隙水压力，必须区分出稳定渗流和非稳定渗流两种情况。在稳定渗流情况下，严格的分析是通过渗流分析求出孔隙压力分布场，然后在平衡计算中考虑界面上的孔隙压力。但实际操作中无需这样“精确”，而认为滑面上任何一点的孔隙压力就等于该点距地下水面之垂直距离［7］。根据浮力定理，滑面上法向应力的计算有两种途径：一是用浮容重计算条块重量，此时无需计算孔隙水压力；另一是用饱和容重计算条块重量，此时，需要计算孔隙水压力以获得有效应力。非稳定渗流的情况，是指由于各种扰动在滑面上有异常的孔隙压力分布，通常需要考虑超孔隙压力。这时条块重量的计算中饱水的部分按饱和容重，由此获得总应力，按有效应力原理计算出有效应力。
　　地下水的另一个效应是直接的力学作用。土坡中存在稳定的渗流时，沿渗流方向的渗透压力以体力作用于土体骨架上。只要知道水力坡降，便可以计算出动水压力：
D=JSγw
式中，D为动水压力；J为水力坡降；S为饱水部分的面积。
　　工程应用中，通常再次假定动水压力平行滑面，直接代入各种计算方法进行稳定性分析。
　　稳定渗流情况下，地下水的力学效应的另一简化算法如下所述［7］：　滑面上的孔隙水压力沿着垂直方向的部分，用于计算有效应力；沿着水平方向的部分与条分界面的孔隙压力的合力，用于计算动水压力。
4　结论
　　地下水对土坡稳定性的影响是多方面的，主要体现在强度参数和动水压力两个方面。稳定分析中应该采用有效应力参数，但由于技术上的原因，符合实际的孔隙水压力难以正确获得，而不得不采用总应力参数。考虑到工程应用中的方便，可以近似地计算孔隙水压力和动水压力。
　　在今后的工作中，还需要大力解决孔隙压力的测定问题，重视孔隙压力的动态过程。只有正确地确定了孔隙水压力，才能获得正确的强度参数，才能正确分析和计算土坡受力状况，从而得到土坡稳定性评价的可靠结果。
第一作者简介：林峰，男，27岁。1997年毕业于成都理工学院，获水文地质与工程地质专业硕士学位。同年考入本校地质工程专业，攻读博士学位。从事地质灾害防治、评价和治理研究，作为主研人员参加的课题有3项。
作者单位：林峰　成都理工学院工程地质研究所，成都　610059
　　　　　徐蓉　建材成都地质工程勘察院，成都　610081
　　　　　陈宁　铁道部第五工程局第五工程处，湖南郴州　423000
参考文献
［1］　钱家欢，殷宗泽 主编. 土工原理与计算(第二版)［M］. 北京:中国水利水电出版社，1996.5.
［2］　James K Mitchell著, 高国瑞,韩选江,张新华 译.岩土工程土性分析原理［M］.南京：南京工学院出版社，1988.1. 
［3］　沈珠江.关于固结理论和有效应力的讨论［J］.岩土工程学报，1995.11，17(6).
［4］　魏汝龙，孙斌，王年香.软粘土的孔隙压力性状.见：中国土木工程学会第五届土力学及基础工程学术会议论文选集［C］.北京：中国建筑工业出版社，1992.12.
［5］　F H Tinoco. 孔隙压力参数与砂土液化.见：地基与基础译文集(4)—边坡与土动力学［M］.北京：中国建筑工业出版社,1980.12. 
［6］　魏汝龙.总应力法计算土压力的几个问题［J］.岩土工程学报，1995.11，17(6).
［7］　潘家铮.建筑物的抗滑稳定和滑坡分析［M］.北京:中国水利水电出版社,1990.
收稿日期：1999-04-27
