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        土質(zhì)路基邊坡臨界滑動面的確定計算分析

        2020-08-11 03:24:04陳臣
        科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2020年22期
        關(guān)鍵詞:土條土質(zhì)安全系數(shù)

        陳臣

        (重慶交通大學(xué),重慶400074)

        土質(zhì)路基邊坡的失穩(wěn)滑塌在公路建設(shè)和運營中屬于一種常見地質(zhì)災(zāi)害,邊坡穩(wěn)定性定量分析是邊坡加固設(shè)計和治理的研究基礎(chǔ),任何有效的加固處理措施都源自對邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)和臨界滑動面位置的合理確定[1]。一般將土質(zhì)類邊坡的穩(wěn)定性問題假定為平面應(yīng)變問題,將土質(zhì)邊坡的滑裂面簡化為圓弧曲面[2]。通常采用極限平衡分析理論,利用瑞典法(Fellenius)、Bishop 法、Janbu 法、Spencer 法、Morgenstern-Price 法[3]。這些方法最大的差異在于條間相互作用力的考慮不同,會影響計算所得邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)[4]。文中利用GEO-SLOPE 軟件包中的SLOPE/W 程序?qū)ν临|(zhì)邊坡的穩(wěn)定性進行計算分析,確定路基邊坡的潛在滑動面,采取有效的加固治理措施,將潛在的威脅扼殺在初步階段。

        1 計算分析理論

        利用極限平衡理論計算分析邊坡的穩(wěn)定性時,認為土體遵從Mohr-Coulomb 破壞準則,由極限狀態(tài)下土條受力和力矩的平衡來分析邊坡穩(wěn)定性[5]。極限平衡理論條分法的基本原理如下:取單位長度土質(zhì)邊坡按平面問題計算,假設(shè)土質(zhì)路基邊坡潛在的圓弧滑動面,如圖1 所示。圓弧滑裂面為AD,圓心為O,半徑為R,將滑坡土體ABCD 分成若干個土條,任一土條的受力情況,如圖1 所示。

        圖1 條分法計算土質(zhì)邊坡穩(wěn)定

        由土條的受力情況可知,作用在土條上的力由5 個,但只能建立3 個平衡方程,因此必須做適當?shù)募僭O(shè)求得Fi和Ni。瑞典條分法不考慮土條間相互作用力(即,Xi=Xi+1和Yi=Yi+1)。簡化的Bishop 法只是考慮了土條間水平方向的相互作用力,忽略了豎向的作用力,并假定各土條底部滑動面上的抗滑系數(shù)均相同,為平均安全系數(shù)。

        Janbu 法假定相鄰?fù)翖l間力合力作用點位置已知,這樣就減少了n-1 個未知量。分析表明,作用的位置對土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響不大[6],一般假定作用于土條底面以上高度1/3 處,作用點的連線成為推力線。

        Spencer 法假定相鄰?fù)翖l間的法向力Ei與切向力Xi合力的傾角為一個待定的常數(shù)(即,Xi=Eitanθ,θ 為一常數(shù))。

        Morgenstern-Price 法首先對任意形狀的滑裂面進行了分析,導(dǎo)出了滿足力的平衡和力矩平衡的微分方程,假定條間法向力Ei與切向力Xi存在函數(shù)關(guān)系為Xi=λf(x)Ei。上述幾種極限平衡理論條分法的推導(dǎo)過程,可參考文獻[7,8]。

        2 計算分析模型及計算結(jié)果

        計算分析模型如圖2 所示,計算時暫不考慮邊坡坡頂?shù)钠渌Y(jié)構(gòu)及荷載作用,整體邊坡為均勻土質(zhì)。圖2 中給定邊坡滑裂面的圓心坐標為(34.4,25.5),半徑為20.2m。假設(shè)土質(zhì)路基邊坡的高度H 為10m,邊坡的坡比為1:n=1:1.5;上層土體和下層土體重度、黏聚力和內(nèi)摩擦角均相同,重度γs為18kN/m3,黏聚力c 為12kPa,內(nèi)摩擦角φ 為24°。幾種常用極限平衡條分方法所得邊坡穩(wěn)定安全系數(shù),見表1。

        圖2 計算模型邊坡

        表1 算例邊坡中常用極限平衡條分法安全系數(shù)比較

        3 影響因素分析

        通過Geo-Slope 軟件進行數(shù)值模擬,邊坡高度和土體強度參數(shù)一定的情況下,隨著邊坡高度的增加,潛在滑坡體的滑裂帶均通過路基坡腳。由圖3 可知,路基邊坡的安全系數(shù)FS隨著高度的增加而減小,且減小的幅度逐漸減弱,安全系數(shù)FS與邊坡高度H 的關(guān)系曲線呈現(xiàn)出類似指數(shù)衰減的形狀。

        圖3 安全系數(shù)FS 隨邊坡高度H 的變化關(guān)系

        邊坡坡比和土體強度參數(shù)一定的情況下,隨著邊坡坡比的減?。矗吰缕露扔啥傅骄彛?,潛在滑坡體的滑裂帶逐漸由坡面向坡腳底部移動。由圖4 可以看出,路基邊坡的安全系數(shù)FS隨著邊坡坡度的減小而增大,且近似呈線性增加的關(guān)系。

        圖4 安全系數(shù)FS 隨邊坡坡比倒數(shù)m 的變化關(guān)系

        4 結(jié)論

        文中闡明了邊坡穩(wěn)定性分析幾種常用的極限平衡條分法的差異,并比較分析了中它們的計算結(jié)果,并分析了幾何參數(shù)對邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的影響,得到如下結(jié)論。

        4.1 瑞典法與Janbu 法計算所得邊坡安全系數(shù)較為接近;簡化Bishop 法、Spencer 法和Morgenstern-Price 法計算所得邊坡安全系數(shù)非常接近;瑞典法和Janbu 法所得結(jié)果與簡化Bishop法相比,分別減小了4.7%和5.3%。

        4.2 路基邊坡安全系數(shù)隨高度的增大而減小,且減小的幅度逐漸衰減;不同邊坡高度情況下,邊坡潛在的滑裂帶均通過邊坡坡腳。

        4.3 隨著邊坡坡度減緩,邊坡安全系數(shù)近似呈線性增加;邊坡潛在的滑裂帶逐漸由坡面移至坡腳底部。

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