樂(lè)生耀路永衛(wèi)田華（天津市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院 天津 300204）

土質(zhì)臨時(shí)邊坡的設(shè)計(jì)主要是在與主體結(jié)構(gòu)相適應(yīng)且滿足施工要求的情況下，確定土坡斷面形式。其設(shè)計(jì)計(jì)算較為簡(jiǎn)單，又受主體結(jié)構(gòu)制約。從津塘地區(qū)工程情況來(lái)看，只要降水效果理想，開(kāi)挖深度8 m以內(nèi)，邊坡的穩(wěn)定性是有保證的，并且臨時(shí)土坡坡面設(shè)計(jì)時(shí)可以從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度優(yōu)化。

1 優(yōu)化坡面線

1.1 工程實(shí)例

地勘描述如下：某輸水管線工程，邊坡土質(zhì)由壤土、粘土組成，為粘性土均一結(jié)構(gòu)邊坡，臨時(shí)邊坡開(kāi)挖深度約為8.0 m，開(kāi)挖深度較大，建議4 m左右增設(shè)一級(jí)馬道。臨時(shí)邊坡坡比為水上1:1.5～1:2.0，水下1:2.0～1:2.5。地下水水位較高，存在于粘土和壤土中，為防止基坑邊坡在地下水作用下產(chǎn)生塑流變形，致使邊坡失穩(wěn)，建議工程施工時(shí)先進(jìn)行降水，然后再進(jìn)行基坑開(kāi)挖。若進(jìn)行了有效降水，邊坡可適當(dāng)變陡。土體物理力學(xué)指標(biāo)建議值見(jiàn)表1。

表1 土體物理力學(xué)指標(biāo)建議值表

1.2 優(yōu)化前設(shè)計(jì)

依據(jù)地勘資料，要求工程施工前先進(jìn)行20 d左右降水，邊坡于挖深4 m處設(shè)置2 m寬?cǎi)R道，由于地勘提供了水上水下的建議坡比，通過(guò)降水的折減，取用馬道以下坡比1:1.25，馬道以上坡比1:1。穩(wěn)定計(jì)算時(shí)，坡頂附加20 KPa施工荷載，考慮2 m的安全距離，馬道處增加5 KPa活荷載。采用簡(jiǎn)化畢肖普法計(jì)算，自動(dòng)搜索圓心坐標(biāo)，考慮地下水穩(wěn)定滲流作用。

為方便比較，坡面均取坡腳坐標(biāo)（0，0）；坡頂坐標(biāo)（11，8）。計(jì)算簡(jiǎn)圖與結(jié)果如圖1：

圖1 坡面計(jì)算簡(jiǎn)圖

計(jì)算得，滑動(dòng)安全系數(shù)K=1.193>1.05，滿足要求。

1.3 優(yōu)化坡比設(shè)計(jì)

上述計(jì)算過(guò)程及方法并無(wú)問(wèn)題，實(shí)際設(shè)計(jì)中亦可根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)。下面改變坡面形式，仍然在挖深4 m處設(shè)置2 m寬?cǎi)R道，只是改變上下坡比，將馬道以上坡比變?yōu)?:1.25，馬道以下變?yōu)?:1。重新計(jì)算，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 坡比改變后計(jì)算簡(jiǎn)圖

計(jì)算得滑動(dòng)安全系數(shù)K=1.218>1.05，滿足要求。

從計(jì)算結(jié)果可以看出坡面線2要比坡面線1偏于安全，可是將兩坡面線首尾重合放置后（見(jiàn)圖3）發(fā)現(xiàn)，坡面1要比坡面2多挖陰影部分的土方。多挖了土方，滑動(dòng)安全系數(shù)卻降低了，是否由于坡面線1的失穩(wěn)使局部抗滑穩(wěn)定破壞？針對(duì)這個(gè)疑問(wèn)，我們假定坡面1和坡面2處于同樣的c=15，φ=20的均質(zhì)土體中，容重按19 kN/m3計(jì)，其他條件不變，重新計(jì)算坡面1、坡面2的滑動(dòng)安全系數(shù)。經(jīng)計(jì)算，坡面1的K=1.277，而坡面2的K=1.305。計(jì)算簡(jiǎn)圖分別見(jiàn)圖4、圖5。坡面2的滑動(dòng)安全系數(shù)仍然比坡面1大。

圖3 兩坡面線首尾重合放置

圖4 坡面1計(jì)算簡(jiǎn)圖

圖5 坡面2計(jì)算簡(jiǎn)圖

為了解決這個(gè)疑問(wèn)，我們首先從使用的計(jì)算程序著眼，程序的計(jì)算方法為簡(jiǎn)化畢肖普法，屬于條分法的一種，其原理是先假定一個(gè)滑動(dòng)面的形狀和位置（考慮最可能出現(xiàn)的滑動(dòng)面），分析這個(gè)面上的滑動(dòng)力與抗滑力，如果抗滑力或力矩大于滑動(dòng)力或力矩有一定的安全系數(shù)，那么這個(gè)滑面就不可能發(fā)生，或者說(shuō)這個(gè)滑動(dòng)面的滑動(dòng)安全系數(shù)很高。表面上看，坡面1比坡面2減少了陰影部分面積土體的下滑力矩，理應(yīng)比坡面2滑動(dòng)安全系數(shù)高才對(duì)。

圖6 兩坡面滑弧的圓心及滑動(dòng)面

我們將兩坡面滑弧的圓心及滑動(dòng)面在同一坐標(biāo)中繪制出來(lái)（見(jiàn)圖6），發(fā)現(xiàn)坡面1雖然比坡面2多挖了圖3中陰影部分的土體，卻致使坡面1的最不利滑弧向土坡外側(cè)移動(dòng)，從兩個(gè)滑動(dòng)體的比較來(lái)看，坡面1比坡面2在靠近圓心側(cè)多挖了部分土方（圖3陰影部分），而遠(yuǎn)離圓心側(cè)增加了部分土方（圖4兩圓弧間部分），經(jīng)計(jì)算，兩部分土方體積相當(dāng)，多挖的土方并沒(méi)能有效減少滑動(dòng)面上的滑動(dòng)力。可見(jiàn)計(jì)算結(jié)果確實(shí)無(wú)誤。

通過(guò)計(jì)算，圖3中陰影部分面積為4 m2，這表明單側(cè)坡面2每沿米比坡面1少挖4 m3土方，假設(shè)開(kāi)挖斷面底寬10 m，則坡面2比坡面1形成的基槽節(jié)省了近5%的土方。

隨后我們又計(jì)算了將馬道高程變到挖深2 m、3 m、5 m處，保持馬道以下坡比1:1，馬道以上坡比1:1.25，以及無(wú)馬道的情況，計(jì)算安全系數(shù)分別為1.207、1.218、1.205、1.171。最終采用將馬道置于挖深3 m處，馬道上1:1.25，馬道下1:1，既偏于安全又減少工程量的開(kāi)挖方案。

2 優(yōu)化細(xì)部結(jié)構(gòu)

2.1 失穩(wěn)分析

土質(zhì)邊坡的破壞總離不開(kāi)水的作用，降水良好的土質(zhì)邊坡也容易受到氣象變化的破壞，如降雨、冰凍等。在津塘地區(qū)凍土深度為0.7 m，對(duì)開(kāi)挖回填周期短的臨時(shí)邊坡幾乎沒(méi)有影響，最大的破壞就來(lái)自降水，無(wú)論是何種降水均增大了滑動(dòng)體的自重，雨水侵入使土體的抗剪強(qiáng)度降低，力學(xué)性質(zhì)變差，雨水還會(huì)從坡面、坡頂?shù)谋∪跆帩B入土坡內(nèi)，帶走細(xì)顆粒，使滑動(dòng)體更加不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)新的滑動(dòng)面，在坡面的設(shè)計(jì)上減少水的作用是優(yōu)化的重點(diǎn)。

2.2 細(xì)部設(shè)計(jì)

針對(duì)降水我們一般遵循兩個(gè)原則：一是防止坡頂?shù)乃樒铝飨禄蛳聺B；二是降在坡面的水要盡快匯集以便排出。

這就要求坡頂靠近邊坡一側(cè)要稍高一點(diǎn)，且應(yīng)將坡頂做成一定的坡度，使水流能向遠(yuǎn)離邊坡的方向迅速流走，馬道也要做成一定坡度，坡度方向與坡頂相反，盡量減少降水滯留。但在馬道處盡量不設(shè)排水溝，那樣增加了下滲的風(fēng)險(xiǎn)。雨季不宜使用塑料布將坡面全部覆蓋，覆蓋以后，邊坡的變形、失穩(wěn)前出現(xiàn)的裂縫等均無(wú)法觀測(cè)，大大增加了安全隱患。

土質(zhì)邊坡破壞方式為圓弧滑動(dòng)破壞，在邊坡設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)充分考慮其破壞形式，將滑動(dòng)體重心下移，有效減少滑動(dòng)力矩，減少降水的破壞，能做到既經(jīng)濟(jì)又安全?！?/p>