蒲德紅，楊　偉，翟文光，3

(1.重慶市交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，重慶　401121；2.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶　400067；3.重慶交通大學(xué)，重慶　400074)

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山區(qū)公路深路塹邊坡穩(wěn)定性分析

蒲德紅1，楊偉2，翟文光2，3

(1.重慶市交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，重慶401121；2.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶400067；3.重慶交通大學(xué)，重慶400074)

深路塹邊坡是山區(qū)公路工程常見(jiàn)的邊坡類型，采用Slide V6.0軟件對(duì)廣東某深路塹邊坡進(jìn)行模擬，計(jì)算分析其在不同工況下的穩(wěn)定性。根據(jù)分析計(jì)算結(jié)果，為邊坡支護(hù)加固的位置、類型選擇、參數(shù)選取提供依據(jù)。分析過(guò)程也可為同類邊坡穩(wěn)定性計(jì)算和支護(hù)的選擇提供參考。

；深邊坡；工況；穩(wěn)定性；Slide軟件

在山區(qū)公路建設(shè)中，會(huì)出現(xiàn)大量的山體開(kāi)挖，由于地形條件和技術(shù)指標(biāo)的限制，將不可避免地出現(xiàn)深路塹邊坡。巖體開(kāi)挖形成前緣臨空面后，由于風(fēng)化將致使其內(nèi)摩擦角和粘聚力降低，在自重力作用及受降雨浸水的影響下易產(chǎn)生滑移變形，出現(xiàn)巖體掉塊和較大體積的局部塊體破壞問(wèn)題，危害公路，危及行車安全。傳統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定性分析軟件(如SLOPE/W、理正巖土、FLAC3D、ANASYS等)一定程度上能較好地為工程實(shí)踐服務(wù)，但往往建模復(fù)雜、計(jì)算繁瑣，給研究、設(shè)計(jì)帶來(lái)諸多不便。

基于豎直條分法極限平衡分析的Slide軟件，可有效評(píng)價(jià)邊坡的安全系數(shù)和失效概率，建模簡(jiǎn)單、計(jì)算快捷，為越來(lái)越多的研究設(shè)計(jì)人員使用。本文結(jié)合工程實(shí)例，采用Slide軟件對(duì)某深路塹邊坡在不同工況下進(jìn)行穩(wěn)定性分析，得出危險(xiǎn)滑動(dòng)面的安全系數(shù)，并對(duì)偏安全的滑面采用相應(yīng)的支護(hù)措施，從而達(dá)到邊坡的加固，為同類邊坡的穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)和支擋防護(hù)提供新的思路、途徑和方法。

1　邊坡穩(wěn)定性分析理論

極限平衡法是目前國(guó)內(nèi)使用最為廣泛的一類路塹穩(wěn)定性分析方法，實(shí)踐證明，極限平衡法能有效地解決工程中的實(shí)際問(wèn)題[1]。其特點(diǎn)是不引入應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，而是對(duì)多余未知量作出假定，使方程式的數(shù)量等于未知數(shù)數(shù)量，從而使得二次靜不定問(wèn)題轉(zhuǎn)化為靜定問(wèn)題，簡(jiǎn)便可解[2，3]。

本文工程實(shí)例中，路塹穩(wěn)定性計(jì)算采用簡(jiǎn)化Bishop法。Bishop考慮了條間力的作用，安全系數(shù)計(jì)算公式如圖1所示[4]。其中，Wi為土條自重，Qi為水平作用力，Ei及Xi分別表示法向及切向力，Ni、Ti分別為土條底部的總法向力(包括有效法向力及孔隙應(yīng)力)和切向力。

圖1　Bishop法計(jì)算邊坡穩(wěn)定性分析

Bishop法安全系數(shù)計(jì)算公式為：

(1)

式中：Fs為安全系數(shù)；αi為第i塊土條滑面與水平面的夾角，(°)；ui為作用于第i塊土條的滲透水壓力，kPa，在穩(wěn)定滲流情況下ui=γwhwi；bi為第i塊土條的長(zhǎng)度，m；φi為第i塊土條滑面的內(nèi)摩擦角，(°)；ci為第i塊土條滑面的粘聚力，kPa；Qi為第i塊土條的水平作用力，kN；Xi為第i塊土條的切向條間力，kN。

簡(jiǎn)化Bishop法的計(jì)算公式如下：

(2)

2　工程概況

以某高速公路右側(cè)深路塹邊坡為例，該邊坡長(zhǎng)104 m，最大坡高33.7 m，自然坡角25°～35°，路基代表性斷面如圖2。坡面局部為土層或風(fēng)化層覆蓋，在基巖出露處存在3組較發(fā)育的微張型節(jié)理，節(jié)理面光滑且無(wú)充填。該區(qū)域地下水有第四系孔隙水、基巖風(fēng)化裂隙水及構(gòu)造裂隙水，無(wú)地表水。

圖2　邊坡橫斷面圖(單位；m)

3　模擬工況及結(jié)果分析

Slide軟件由加拿大Rocscience公司研發(fā)，可進(jìn)行圓弧或者非圓弧滑動(dòng)的巖質(zhì)或土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析、滲流模型分析，模擬多種外部荷載、地下水和支護(hù)形式。其程序計(jì)算方法是基于豎直條分法的極限平衡分析理論(如Bishop法，Janbu法，Lowe-Karafiath法，Spencer法等)，對(duì)既定邊坡可指定滑面或者驅(qū)動(dòng)程序使之自動(dòng)搜索滑面，進(jìn)行邊坡穩(wěn)定的概率分析和敏感性分析。

3.1模擬工況

該邊坡所處地區(qū)年降雨量2 000 mL左右，降雨強(qiáng)度大，存在暴雨或連續(xù)降雨的情況，應(yīng)分析邊坡在非正常工況Ⅰ下的穩(wěn)定性。根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG D30-2015 3.7.5條規(guī)定，本例中邊坡穩(wěn)定計(jì)算采用簡(jiǎn)化Bishop法，綜合地勘物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)成果及工程經(jīng)驗(yàn)計(jì)算參數(shù)取值如表1。

表1 巖土計(jì)算參數(shù)巖土名稱正常工況重度γ/(kN·m-3)粘聚力C/kPa內(nèi)摩擦角Φ/(°)粉質(zhì)粘土17.82620砂質(zhì)粘性土18.52022砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖22.52729非正常工況Ⅰ重度γ/(kN·m-3)粘聚力C/kPa內(nèi)摩擦角Φ/(°)18.6221819.3182023.32426 注:鋼筋與M30水泥砂漿粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為2.5MPa;鋼絞線與M30水泥砂漿粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為3.5MPa。

根據(jù)上述分析，設(shè)置4種工況對(duì)該邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，如表2所示。

表2 模擬工況模擬工況正常工況或非正常工況Ⅰ有無(wú)支護(hù)工況1正常工況無(wú)工況2非正常工況Ⅰ無(wú)工況3正常工況有工況4非正常工況Ⅰ有

3.2結(jié)果分析

對(duì)于工況1和工況2，穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果分別如圖3，圖4。

如圖3，圖4可知，當(dāng)邊坡采用自然放坡時(shí)，最危險(xiǎn)滑動(dòng)面由第1級(jí)邊坡至坡頂，滑面較長(zhǎng)。經(jīng)計(jì)算，該斷面在正常工況下邊坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)Fs=1.114<1.2，非正常工況I時(shí)，最小安全系數(shù)為Fs=0.971<1.1，均不滿足《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》表3.7.7中相關(guān)要求。因此要對(duì)邊坡進(jìn)行支護(hù)加固，需要進(jìn)一步分析工況3和工況4。

圖3　工況1穩(wěn)定性計(jì)算

圖4　工況2穩(wěn)定性計(jì)算

對(duì)深路塹邊坡的加固處治應(yīng)遵循“強(qiáng)腰固腳”的原則，在加固坡腳與邊坡中部坡體的同時(shí)，施加預(yù)加固措施[5，6]。預(yù)加固主要采用預(yù)應(yīng)力錨索框架梁、錨桿(釘)格子梁、錨墩(桿)等措施。根據(jù)Slide分析所確定的危險(xiǎn)畫(huà)面的位置，可準(zhǔn)確地在滑動(dòng)面上采取加固處治措施，以增加安全系數(shù)，從而提高邊坡的穩(wěn)定性。采用工程措施如下：

第1級(jí)邊坡采用錨桿框架梁加固，錨桿長(zhǎng)11.5 m，采用Φ28HRB400鋼筋，下傾20°；第2、3級(jí)采用錨索框架梁加固，錨索長(zhǎng)分別為24、26 m，錨固段均為10 m，采用4束φ15.2高強(qiáng)度低松弛的無(wú)粘結(jié)鋼絞線，下傾20°；第4級(jí)邊坡采用拱形骨架植草防護(hù)。

對(duì)于工況3和工況4，穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果分別如圖5，圖6所示。

經(jīng)驗(yàn)算，邊坡加固后正常工況時(shí)Fs=1.576>1.2，非正常工況I時(shí)Fs=1.376>1.1，滿足規(guī)范要求，大大提高了邊坡的穩(wěn)定性。

圖5　工況3穩(wěn)定性計(jì)算

圖6　工況4穩(wěn)定性計(jì)算

4　結(jié)論

本文以Slide軟件為基礎(chǔ)，模擬4種不同工況下的邊坡穩(wěn)定性。根據(jù)不同工況下邊坡的最小穩(wěn)定性系數(shù)，為深路塹邊坡失穩(wěn)變形的評(píng)估預(yù)測(cè)和治理措施的選取提供科學(xué)依據(jù)。深路塹邊坡穩(wěn)定性受多因素的影響，其中支護(hù)方式及降雨影響均較大。主要結(jié)論如下：

1) 無(wú)支護(hù)時(shí)，正常工況下Fs=1.114，在暴雨或連續(xù)降雨情況下，F(xiàn)s=0.971，安全系數(shù)顯著降低，邊坡不穩(wěn)定。對(duì)潛在滑動(dòng)面進(jìn)行支護(hù)和加固后，F(xiàn)s=1.376，邊坡穩(wěn)定性顯著提高。

2) 受到降雨影響，邊坡巖土體含水量的不斷增加，孔隙水壓力不斷增大，坡體的抗剪能力降低，穩(wěn)定性也隨之降低。

3) 工程人員需重點(diǎn)做好邊坡的排水工作，降低雨水對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，從而有效地提高邊坡的穩(wěn)定性，降低事故發(fā)生的概率。

[1]唐樹(shù)名，碎裂結(jié)構(gòu)巖體路塹邊坡錨固機(jī)理分析及其應(yīng)用研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2003.

[2]王廣和，楊書(shū)濤，王宏志，等.包鋼白云鄂博東礦C區(qū)滑體變形研究及邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)[A].第二屆全國(guó)巖土與工程學(xué)術(shù)大會(huì)論文集(上冊(cè))[C].2006.

[3]王艷霞.邊坡穩(wěn)定性分析三維極限平衡法研究及實(shí)現(xiàn)[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2002.

[4]高大釗，袁聚云.土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)[M].北京：人民交通出版社，2006.

[5]周宏元，曾智勇.預(yù)應(yīng)力錨桿框架梁邊坡加固結(jié)構(gòu)的應(yīng)用分析[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2013(3)：16-18，85.

[6]尹紫紅，孔書(shū)祥.關(guān)于預(yù)應(yīng)力錨索長(zhǎng)度設(shè)計(jì)的探討[J].鐵道建筑，2004(9)：38-40.

2016-03-31

蒲德紅(1971-)，男，高級(jí)工程師，主要從事公路規(guī)劃、勘察設(shè)計(jì)的技術(shù)工作。

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