葉生春，嚴(yán)秋榮

(1.青海省高等級公路建設(shè)管理局， 西寧 810001； 2.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶 400067)

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坡率法在松散堆積體邊坡設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

葉生春1，嚴(yán)秋榮2

(1.青海省高等級公路建設(shè)管理局， 西寧 810001； 2.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶 400067)

依托貴州省畢威高速公路項(xiàng)目，選擇幾種不同的邊坡高度，采用有限元強(qiáng)度折減法，分別對不同高度、不同坡率邊坡按路塹邊坡不考慮損傷、開挖損傷到殘余值、從峰值向殘余值過渡3種情況進(jìn)行安全系數(shù)模擬計(jì)算。通過對比分析選取一個(gè)合適坡率，為坡率法在松散堆積體邊坡設(shè)計(jì)中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

坡率；安全系數(shù)；開挖卸荷；強(qiáng)度折減

近年來，隨著大規(guī)模高速公路建設(shè)的展開，滑坡與邊坡病害的治理逐漸形成了成熟的、以新型支擋結(jié)構(gòu)為主的成套治理工程技術(shù)，如擋土墻類、抗滑樁類、錨桿支護(hù)類等。邊坡防護(hù)通常采用“減、錨、擋、固、疏”等手段，即刷方減載與錨固支擋相結(jié)合，輔以截排地表、疏排地下水措施[1-2]。在眾多邊坡處治方法中，坡率法比較經(jīng)濟(jì)且施工方便，在公路路塹邊坡、填方路堤邊坡處治中得到廣泛使用，主要適用于巖質(zhì)邊坡、塑性粘土和良好的砂性土邊坡。本文以貴州省畢威高速公路堆積體邊坡為研究對象，通過有限元模型進(jìn)行計(jì)算分析，得出不同邊坡高度下最適宜的放坡坡率。

1 坡率法設(shè)計(jì)概述

邊坡設(shè)計(jì)中，通過控制邊坡高度和坡度而無須對邊坡進(jìn)行整體加固就能使邊坡達(dá)到自身穩(wěn)定的邊坡設(shè)計(jì)方法，通常稱為坡率法[3]。坡率法通過控制邊坡的高度和坡度，使邊坡所有可能潛在滑動(dòng)面的下滑力和阻滑力處于安全的平衡狀態(tài)。對于一般的簡單巖土邊坡(非滑坡)處治，如果不受場地限制，則采用坡率法可以滿足其穩(wěn)定的要求。坡率法在公路邊坡處治中被大量采用，工程中又稱為削坡(或刷坡)，如圖1所示。

圖1 分級削坡

2 材料參數(shù)及計(jì)算模型

2.1 材料參數(shù)

從貴州省畢威高速公路K86松散堆積體邊坡工點(diǎn)取樣，其巖土體力學(xué)參數(shù)通過室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值試驗(yàn)綜合確定，如表1所示。

2.2 計(jì)算模型

本文以貴州省畢威高速公路松散堆積體邊坡為對象，對坡率法在該邊坡設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行研究。該松散堆積體材料具有顯著的卸荷損傷特性，而在目前邊坡開挖坡率設(shè)計(jì)中，邊坡安全系數(shù)計(jì)算時(shí)一般不考慮開挖卸荷對巖土體力學(xué)參數(shù)的影響，從而可能導(dǎo)致按此坡率設(shè)計(jì)開挖的路塹邊坡在開挖過程中產(chǎn)生破壞。本文擬通過路塹邊坡不考慮損傷(即巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)取峰值強(qiáng)度)、開挖損傷到殘余值(即巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)取殘余值強(qiáng)度)、從峰值向殘余值過渡3種情況下的安全系數(shù)計(jì)算，通過對比分析選取一個(gè)合適的坡率。計(jì)算時(shí)，巖土體材料本構(gòu)關(guān)系采用考慮損傷效應(yīng)的莫爾-庫倫彈塑性模型[4]。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)

為確定不同坡高下路塹邊坡的合理開挖坡率，對畢威高速公路松散堆積體邊坡建立模型進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，從而統(tǒng)計(jì)并分析合理的開挖坡率。計(jì)算模型邊坡高度分別取為 10、20、30和40 m，計(jì)算坡率分別取 1∶0.75、1∶1、1∶1.25、1∶1.5、1∶1.75、1∶2。坡高為10 m時(shí)不同坡率的有限元模型如圖2所示。

3 計(jì)算方法設(shè)計(jì)

計(jì)算分為3步：第1步生成初始地應(yīng)力場，默認(rèn)地面為水平地表，只考慮自重應(yīng)力；第2步為開挖步，開挖土體形成不同坡率的邊坡，該步計(jì)算中考慮了開挖卸荷對邊坡巖土體的損傷效應(yīng)；第3步是計(jì)算邊坡安全系數(shù)，即在第2步計(jì)算基礎(chǔ)上采用強(qiáng)度折減法計(jì)算邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。

邊坡安全系數(shù)采用有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算。強(qiáng)度折減法是通過不斷折減邊坡巖土體的強(qiáng)度參數(shù)(如c，φ)使其達(dá)到極限平衡狀態(tài)，強(qiáng)度參數(shù)所降低的倍數(shù)就成為該邊坡的安全系數(shù)。目前國內(nèi)外學(xué)者對使用強(qiáng)度折減法分析邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了大量研究，并取得了豐碩成果，為邊坡穩(wěn)定性分析開辟了新途徑。研究成果表明，強(qiáng)度折減法是分析邊坡穩(wěn)定性問題的有效方法[5-7]。

一般來講，邊坡發(fā)生破壞主要是因?yàn)榛泼嫔系牟牧掀淇辜魪?qiáng)度不足以抵抗實(shí)際的剪切應(yīng)力。安全系數(shù)是用于評價(jià)邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)的一個(gè)指標(biāo)。當(dāng)安全系數(shù)大于1時(shí)，表示邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；而當(dāng)安全系數(shù)小于1時(shí)，則表示邊坡是不穩(wěn)定的。邊坡抵抗剪切破壞的安全系數(shù)可用下式表示：

(1)

式中：τ是邊坡材料的抗剪強(qiáng)度，可根據(jù)莫爾-庫侖準(zhǔn)則計(jì)算，即

τ=c+σntanφ

(2)

式中：σn為實(shí)際正應(yīng)力。

τf是滑移面的剪應(yīng)力，可用下式計(jì)算，即

τf=cf+σntanφf

(3)

式中：cf和φf分別為進(jìn)行強(qiáng)度折減后的土體粘聚力和內(nèi)摩擦角，分別按下式計(jì)算：

(4)

(5)

式中：SRF為強(qiáng)度折減系數(shù)。

邊坡穩(wěn)定性數(shù)值計(jì)算中，使用SRF對巖土體參數(shù)進(jìn)行折減并求得安全系數(shù)的方法被稱為“強(qiáng)度折減法”。要得到邊坡安全系數(shù)的準(zhǔn)確值，必須準(zhǔn)確獲取恰好使邊坡達(dá)到破壞的強(qiáng)度折減系數(shù)。

使用有限元法分析邊坡穩(wěn)定性時(shí)，通常根據(jù)有限元程序計(jì)算是否收斂來判斷邊坡是否發(fā)生破壞。當(dāng)在指定的收斂準(zhǔn)則和迭代次數(shù)下，通過計(jì)算無法得到同時(shí)能夠滿足莫爾-庫侖準(zhǔn)則和整體平衡的應(yīng)力分布時(shí)，數(shù)值計(jì)算不收斂，邊坡同時(shí)達(dá)到破壞。一般來講，邊坡發(fā)生破壞后的最大節(jié)點(diǎn)位移較破壞前有很大的跳躍。由此可見，計(jì)算不收斂是判斷邊坡發(fā)生破壞的重要標(biāo)準(zhǔn)，然而計(jì)算不收斂可能表明邊坡已經(jīng)發(fā)生破壞，也可能是由程序本身或有限元模型中的某些數(shù)值問題所致[8-9]。因此，用強(qiáng)度折減法分析邊坡穩(wěn)定性分析時(shí)，必須保證有限元程序本身的可靠性和使用收斂性良好的本構(gòu)模型，且最好綜合考慮最大節(jié)點(diǎn)位移變化規(guī)律和計(jì)算的不收斂性來確定邊坡的安全系數(shù)。

4 計(jì)算結(jié)果分析

表2～5給出了邊坡高度從10到40 m不同坡率情況下，巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)分別采用峰值強(qiáng)度、從峰值向殘余過渡(即考慮開挖卸荷損傷效應(yīng))、殘余強(qiáng)度時(shí)邊坡的安全系數(shù)。由表2～5可知，若完全不考慮巖體的損傷效應(yīng)，即采用峰值強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，則邊坡的安全系數(shù)值最大；當(dāng)完全采用殘余強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算時(shí)，邊坡安全系數(shù)最??；若考慮開挖卸荷效應(yīng)，即參數(shù)從峰值強(qiáng)度向殘余值過渡，則此時(shí)計(jì)算的安全系數(shù)值居中?？梢?，是否考慮邊坡巖土體開挖卸荷損傷效應(yīng)，對邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果及開挖坡率設(shè)計(jì)影響較大。畢威高速公路堆積體邊坡巖土體室內(nèi)試驗(yàn)表明，該土體具有較為顯著的卸荷損傷特性。同時(shí)K86邊坡工點(diǎn)的現(xiàn)場情況也表明，最初的開挖坡率是按照傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的(未考慮卸荷損傷效應(yīng))，實(shí)際開挖施工時(shí)發(fā)生了邊坡失穩(wěn)，可見設(shè)計(jì)時(shí)高估了邊坡穩(wěn)定性。因此，對于此類堆積體邊坡，其開挖坡率設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮邊坡的開挖卸荷損傷效應(yīng)。

由表2～5還可知，如果考慮開挖卸荷的影響，則對于10、20、30和40 m高的邊坡，其最合適的坡率分別應(yīng)取為1∶1、1∶1.25、1∶1.5和1∶1.75。

表2 坡高為10 m時(shí)坡率變化對應(yīng)的安全系數(shù)

表3 坡高為20 m時(shí)坡率變化對應(yīng)的安全系數(shù)

表4 坡高為30 m時(shí)坡率變化對應(yīng)的安全系數(shù)

表5 坡高為40 m時(shí)坡率變化對應(yīng)的安全系數(shù)

5 結(jié)論

1) 采用坡率法進(jìn)行邊坡設(shè)計(jì)時(shí)，一般地下水位應(yīng)較低，放坡開挖時(shí)應(yīng)有足夠的場地。如果放坡受場地限制，則可與砂袋堆碼、錨釘邊坡、錨板支護(hù)等方法聯(lián)合應(yīng)用，形成組合邊坡。

2) 當(dāng)邊坡巖土體材料具有較強(qiáng)的卸荷損傷特性時(shí)，巖土體物理力學(xué)參數(shù)宜采用從峰值向殘余值過渡的參數(shù)值，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮巖土體的開挖損傷效應(yīng)，采用強(qiáng)度折減法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3) 對松散堆積體邊坡進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮開挖卸荷效應(yīng)，采用強(qiáng)度折減法能夠有效確定合理的開挖坡率。利用此方法對貴州畢威高速公路堆積體邊坡進(jìn)行了研究和分析，并確定邊坡高度為10、20、30和40 m時(shí)，其邊坡坡率分別不宜陡于1∶1、1∶1.25、1∶1.5和1∶1.75。

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Study on Application of Slope Ratio Method in Loose Bulk Slope Design

YE Shengchun1, YAN Qiurong2

In this paper, we take several different slope heights from Bijie-Weining Highway, and finite element strength reduction method is used to carry out safety coefficient simulation with different heights and slope ratios side slopes, under 3 conditions, i.e., no damage, excavation damage to residue value, peak to residual value, respectively. Through comparison analysis, we selected a suitable slope ratio, which provide theoretical basis for application of slope ratio method in loose bulk side slope design.

Slope ratio; safety coefficient; excavation unloading; strength reduction

10.13607/j.cnki.gljt.2016.05.005

貴州省交通科技項(xiàng)目(2010-122-002)

2016-03-31

葉生春(1976-)，男，青海省互助縣人，本科，高工。

1009-6477(2016)05-0017-04

U416.1+4

A