考虑地基土中主应力旋转引起的非排水抗剪强度变化的堤坝稳定性分析方法

《Applied Sciences》：Method of Embankment Stability Analysis Taking into Account the Change in Undrained Shear Strength Caused by the Principal Stress Rotation in the Subsoil

　　

本研究探讨了在非排水条件下堤坝稳定性分析中粘性土地基土抗剪强度参数的选择。具体研究了堤坝施工引起的主应力旋转如何影响地基土的非排水抗剪强度（undrained shear strength, τ_fu）。研究人员使用空心圆柱仪（hollow cylinder apparatus）对两种粘性土进行了室内试验，以确定在主应力旋转角度为0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°时的非排水抗剪强度。将室内试验结果与数值模拟相结合，发展了一种新的稳定性分析方法，该方法考虑了主应力旋转对地基土非排水抗剪强度的影响。

**研究背景、问题与意义**
堤坝稳定性分析是岩土工程中的核心课题，现有计算方法虽不断进步，但普遍忽略了施工过程中地基土主应力旋转（principal stress rotation）对非排水抗剪强度（undrained shear strength, τ_fu）的影响。传统极限平衡法和有限元法通常假定非排水抗剪强度在土层内恒定，未考虑主应力方向变化引起的强度各向异性，这可能导致稳定性评估过于乐观，尤其在复杂加载路径下（如堤坝分期填筑）。因此，研究人员针对两种砂质粉质粘土（sandy silty clay, sasiCl）展开研究，旨在量化主应力旋转对非排水抗剪强度的削弱效应，并提出一种纳入此效应的新稳定性分析方法。该研究论文发表在《Applied Sciences》。

**主要关键的技术方法**（不超过250字）
研究人员采用空心圆柱仪（hollow cylinder apparatus）对两种砂质粉质粘土（sasiCl）试样进行非排水剪切试验（HCACAU），在7个主应力旋转角（α=0°,15°,30°,45°,60°,75°,90°）下测定非排水抗剪强度。数值模拟使用Plaxis 2D软件，基于弹性理想塑性模型（Coulomb-Mohr屈服准则），构建包含地基土层和堤坝几何的有限元模型（15节点三角形单元）。通过持续加载至失稳确定潜在滑动面路径，沿滑动面划分区域，提取剪切应力（τ）和极限剪切应力（τ_F，对应τ_fu），再根据Bishop公式修正因主应力旋转引起的强度变化，最后计算局部和全局稳定系数（F）。样本来源于地基土原状结构。

**研究结果**（保留原文小标题）
**3. Results**
实验室试验表明，两种砂质粉质粘土的非排水抗剪强度随主应力旋转角α增大而显著降低。对于sasiCl(1)，α=45°时τ_fu降低19%，α=90°时降低27%；对于sasiCl(2)，相应降低18%和24%。强度衰减在α=0°–45°区间最为剧烈，之后趋于稳定。这一发现通过最大应力偏量和最大主应力比两种破坏准则验证，结果一致。研究人员指出，主应力旋转通过破坏土体固有结构各向异性和颗粒间胶结，诱发额外塑性应变，导致峰值抗剪强度下降，这与Lade和Kirkgard、Nishimura等人的研究吻合。

**4. Proposed Techniques of Determination of Embankment Stability**
**4.1. Proposed Method**
基于试验数据，研究人员提出一种新的稳定性分析方法。该方法需结合有限元数值模拟：首先建立反映现场条件的计算模型，确定荷载路径；通过数值计算获得总位移增量，据此定义潜在滑动面路径；沿滑动面划分长度l_i的各区域，提取该区域内的剪切应力τ_i和极限剪切应力τ_Fi（对应τ_fu），并根据主应力旋转角α对τ_Fi进行修正；然后利用公式（1）计算局部稳定系数，利用公式（2）计算全局稳定系数F。该流程允许用户针对任何荷载路径和本构模型进行评估。

**4.2. Analysis of a Selected Example Using the Proposed Calculation Method**
以两种加载路径（立即加载和分期加载）为例，对6 m高堤坝进行稳定性分析。立即加载路径下，堤坝在高度达9.2 m时失去稳定；分期加载路径（每日填筑0.5 m）下，失稳高度为9.5 m。通过总位移增量确定滑动面路径，沿滑动面划分对应7个试验α值的区域。未考虑主应力旋转时，立即加载的稳定系数F=1.41，分期加载F=1.49；考虑主应力旋转后，立即加载F=1.30（降低约7.8%），分期加载F=1.37（降低约8.1%）。两种路径下，分期加载的稳定系数更高，归因于固结过程提高了地基土强度。通过绘制切向应力 mobilization 因子η_F（τ/τ_F）等值线，验证了所确定的滑动面通过η_F最大区域。

**总结讨论与结论**
讨论部分指出，忽略主应力旋转可能导致稳定性高估约8%，而实验室试验显示强度降低可达27%，两者差异说明现有常规方法存在系统性风险。新方法通过直接纳入强度衰减效应，使计算结果更贴近实际应力路径。虽然研究仅针对两种粘性土和两种加载路径，但作为概念验证，证明了方法的可行性。未来需通过现场观测、离心机模型试验和更多实验室数据进一步验证，并开展敏感性和不确定性分析，以将方法推广至其他土类和复杂工程场景。

研究结论翻译如下：提出的堤坝稳定性分析方法考虑了主应力旋转对地基土非排水抗剪强度的影响，相比传统方法具有显著优势。该方法可针对指定荷载路径计算，允许选择适用于各土层的本构模型，并能确定任意几何形状的滑动面。在分期填筑情况下，还可评估任意施工阶段的稳定性并考虑固结引起的强度增长。局部稳定系数的确定有助于识别滑动面上失稳起始区域并监测其发展。分析发现，忽略主应力旋转效应会导致稳定性被严重高估：对于立即加载路径，稳定系数F从1.41降至1.30；对于分期加载路径，从1.49降至1.37，分别对应约7.8%和8.1%的降低。此外，空心圆柱仪剪切试验表明，随主应力旋转增加，粘性土的非排水抗剪强度降低最多达27%，证实了应力旋转对强度发挥的显著影响。进行的分析验证了研究假设，即主应力旋转降低粘性土的非排水抗剪强度，而在常规稳定性计算中忽略此效应会导致不保守的高估。研究结果提醒，对建于粘性土地基上的堤坝使用传统稳定性评估方法可能带来不安全的安全预测，尤其在复杂应力路径和脚趾结构存在时。尽管所提方法目前针对粘性土地基，但为进一步研究扩展到其他土类并完善应力旋转引起的强度退化建模提供了基础。