对于梯形堤坝或土坡,当其部分浸水时(如图14.10所示),按照条分法的思路,此时水下土条的重量都应按照饱和重度来计算,同时还要考虑滑动面上的孔隙水应力(静水压力)和作用在土坡坡面上的水压力。以静水面EF以下滑动土体内的孔隙水作为脱离体,则其上作用力除滑动面上的静孔隙水应力P1、土坡面上的水压力P2以外,在重心位置还作用有孔隙水的重量和土粒浮力的反作用力(其合力大小等于EF面以下滑动土体的同体积水重,以GW1表示),三个力形成平衡力系。因此,在静水条件下周界上的水压力对滑动土体的影响,可以用静水面以下滑动土体所受的浮力来代替,实际上就相当于水下土条重量均按浮重度计算。因此,部分浸水土坡的安全系数,其计算公式与成层土坡安全一样,只要将坡外水位以下土的重度用浮重度代替即可,即:
式中,γi为土体天然重度,γi′为土体浮重度,h1i和h2i分别为第i条土条在水位以上和水位以下的高度,q为堤坝或土坡上的均布荷载。
当水库蓄水或库水位降落,或码头岩坡处于低潮位而地下水位又较高时,都会产生渗流,从而经受渗流力的作用,在进行土坡稳定性分析时必须考虑它的影响。
图14.10 有均布荷载作用计算图示
若采用土的有效重度(水下用浮重度)与渗流力的组合来考虑渗流对土坡稳定的影响时,要绘制渗流区域内的流网,同时结合渗流理论计算渗流所产生的渗流力及其产生的滑动力矩,并把渗流力在滑动面上引起的剪应力等加到安全系数计算式中,从而得到渗流作用下梯形土坡的安全系数。
利用渗流网来计算渗流力,只要流网绘制得足够正确,其精度是能够得到保证的,但计算较为繁琐,同时绘制流网也有一定难度。因此,目前用得最多的是“代替法”。采用浸润线以下坡外水位上所包围的同体积水重对滑动圆心的力矩来代替渗流力对圆心的滑动力矩,如图14.11所示。若以滑动面之上、浸润线之下的孔隙水作为脱离体,其上的作用力有:
(1)滑动面上的孔隙水压力,其合力为Pw,方向指向圆心;(www.xing528.com)
(2)坡面nC上的水压力,其合力为P2;
(3)nCl′范围内的孔隙水重与土粒浮力反作用的合力为Gw1,方向竖直向下;
(4)lmnl′范围内的孔隙水重与土粒浮力反作用的合力为Gw2,方向竖直向下,至圆心的力臂为dw;
(5)土粒对渗流的阻力Tj,至圆心的力臂为dj。
在稳定渗流条件下,以上力组成了一个平衡力系。通过力的平衡分析,可以得到稳定渗流作用下梯形堤坝或土坡的安全系数表达式:
式中,γsati为土体饱和重度,h1i、h2i、h3i分别为第i土条在浸润线以上、浸润线与坡外水位间、坡外水位以下的高度,如图14.11(b)所示。
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