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        重慶地區(qū)邊坡設(shè)計中下滑推力計算常見問題探討

        2018-12-27 06:40:52張文正薛尚鈴周海鷹
        重慶建筑 2018年12期
        關(guān)鍵詞:土條尖角條塊

        張文正,薛尚鈴,周海鷹

        (中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司,重慶 400013)

        0 引言

        隨著城市化進程的加快,土地資源愈加緊張。重慶作為典型的山區(qū)超級大都市,越來越多的工程修建于斜坡地帶,邊坡工程的數(shù)量、高度、難度、規(guī)模等也位于全國前列[1]。由于巖土工程的不確定性,很多邊坡工程在修建中或使用中出現(xiàn)了一定的安全事故。為了避免邊坡安全事故的產(chǎn)生,設(shè)計階段的準確把握,邊坡破壞模式的充分分析、土壓力或下滑力的準確計算,以及支擋結(jié)構(gòu)的合理選用等顯得至關(guān)重要[2]。本文列舉了重慶地區(qū)折線滑動及平面滑動下滑推力計算中的幾種常見問題,供設(shè)計人員在實際工程中參考。

        1 下滑推力計算常見問題探討

        1.1 折線滑動滑面轉(zhuǎn)折點傾角差大于10°

        《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330-2013)的第5.2.4條文說明:沿土巖結(jié)合面破壞的折線滑動,計算下滑推力時,滑面轉(zhuǎn)折點處兩傾角差值大于10°時,應對滑面進行尖角消除,否則計算的下滑力誤差過大[3]。

        1.1.1 誤差偏大原因分析[2]

        圖1 不平衡推力計算簡圖

        如圖1所示的不平衡推力簡圖,假定坡體從上向下滑動,土條i-1傳給土條i的力為Pi-1,該力對土條i來說,一方面使土條產(chǎn)生向下的下滑力,該力的大小為Pi-1cos(θi-1-θi),另一方面使土條產(chǎn)生正壓力,增加土條i的抗滑力,該力的大小為:

        其中Fs為坡體的穩(wěn)定系數(shù),φ為滑面的內(nèi)摩擦角。因此Pi-1對土條i產(chǎn)生的綜合下滑力為△TFi-1,其表達式如下:

        分析該式可得出如下結(jié)論:

        (1)θi-1-θi>0時,土條i-1的推力增加了土條i的正壓力,增加了抗滑力;

        (2)θi-1-θi=0時,土條i-1的推力不增加土條i的正壓力,不增加抗滑力;

        (3)θi-1-θi<0時,土條i-1的推力減小了土條i的正壓力,降低了抗滑力。若以θi-1-θi=0時的穩(wěn)定系數(shù)作為基準,那么當θi-1-θi>0時,分析得到的穩(wěn)定系數(shù)一般偏大,當θi-1-θi<0時,分析得到的穩(wěn)定系數(shù)偏小。對于一般滑坡來說,絕大部分的θi-1-θi>0,因此其穩(wěn)定系數(shù)偏大,為了滿足工程設(shè)計計算的精度要求,需要兩折線滑動面的傾角差值控制在10°之內(nèi)。

        1.1.2 計算示例

        某折線滑動邊坡如圖2,滑面粘聚力C=20kPa,內(nèi)摩擦角Φ=10°,各滑傾角分別為40°、30°、10°。 根據(jù)下滑推力隱式解法,當安全系數(shù)取1.35時,下滑推力為535kN。對第二與第三條塊間的尖角進行消除,重新劃分條塊如圖3,當安全系數(shù)取1.35時,計算下滑推力為589kN。兩種情況計算的下滑推力誤差達10.1%。

        圖2 尖角消除前條塊劃分

        圖3 尖角消除后條塊劃分

        表1、表2分別為尖角消除前和尖角消除后的下滑推力計算。

        表1 尖角消除前下滑推力計算

        表2 尖角消除后下滑推力計算

        1.2 土巖結(jié)合面折線滑動時地下水考慮不充分

        重慶地區(qū)的水文地質(zhì)條件較為簡單,地下水多為松散巖類孔隙水及基巖裂隙水。沿江岸的土質(zhì)滑坡、崩積坡和人工堆積層透水性強,地下水的動態(tài)變化受降雨及兩江水位變化的影響很大,在枯水期內(nèi)不含水或水位埋深大,洪水期時接受降雨及江水補給,堆積體大部分處于飽水狀態(tài)[4]。強降雨下的斜坡體,一部分雨水浸入巖土體,直至巖土體飽和形成地下滲流;另一部分雨水來不及入滲,在坡體表面產(chǎn)生坡面徑流。雨水入滲后,軟化巖土體,有效自重減小,抗剪強度降低,在動水壓力(滲透力)的共同參與下大大降低坡體穩(wěn)定性[5]。暴雨工況下土巖結(jié)合面滑動的邊坡,上部土體有可能會完全飽和,坡面產(chǎn)生徑流。此種情況下許多設(shè)計人員簡單考慮土體的飽和重度,對抗剪強度進行一定的折減,計算時未考慮條塊的水壓力。

        1.2.1 規(guī)范公式討論

        我們先看下《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330—2013)A.0.3,如圖1。

        式中:

        Pn——第n條塊剩余下滑力;

        Pi——第i計算條塊剩余下滑力;

        Ti——第i計算條塊下滑力;

        Ri——第i計算條塊抗滑力;

        ψi-1——第i計算條塊對第i+1條塊的傳遞系數(shù);

        G——滑體單位寬度重量;

        Gb——滑體單位寬度豎向附加荷載;

        Q——滑體單位寬度水平荷載;

        U——滑面單位寬度總水壓力。

        公式中取整個條塊作為分析對象,地下水的影響通過條塊的底部水壓力U來體現(xiàn)。在不考慮水平力的情況下,我們來看剩余下滑力的另一種表達方式[6],如圖4。該表達式是把土骨架作為分析對象。

        邊坡穩(wěn)定性分析時可以把土骨架作為分析對象,也可以把包括水在內(nèi)的浸水土體作為研究對象,兩種方法本質(zhì)上是一致的。關(guān)鍵在于實際工程中應根據(jù)實際情況進行分析,充分研究地下水的影響程度,采用合適的計算方法。

        圖4 考慮地下水浸潤線的下滑推力計算簡圖

        式中:

        Ast——浸潤線以上條塊面積;

        Ab——浸潤線以下條塊面積;

        γst——滑體天然重度;

        γb——滑體飽和重度;

        γu——滑體浮重度。

        1.2.2 計算示例

        某建筑邊坡如圖5所示,采用坡率1∶1開挖,坡面設(shè)置長3.0~3.5m土釘進行支護。邊坡開挖過程中幾天連續(xù)暴雨,導致坡頂出現(xiàn)寬度達8cm長度數(shù)十米的裂縫,邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。滑移面粉質(zhì)粘土參數(shù)為:天然參數(shù)C值取16kPa,Φ值取9°,飽和參數(shù)C值取10.8kPa,Φ值為5.4°。地勘單位計算書時未考慮水壓力,土體采用飽和重度,計算出下滑推力為555.5kN。此時因連降暴雨,滑體厚度不大,土體完全飽和,雨水沿坡面徑流,計算時應計入地下水的影響,采用有效應力法利用建議的下滑推力的表達式,重新計算出下滑力為733.3kN。

        表3、表4分別為未考慮地下水壓力時和考慮地下水壓力時下滑力計算表格。

        1.3 順層巖質(zhì)邊坡平面滑動下滑力計算問題

        對沿外傾結(jié)構(gòu)面滑動的巖質(zhì)邊坡,誤用折線滑面?zhèn)鬟f系數(shù)穩(wěn)定性計算法,而未用主動土壓力計算公式進行比較計算。

        圖5 下滑推力計算簡圖

        表3 未考慮地下水壓力時下滑力計算表格

        表4 考慮地下水壓力時下滑力計算表格

        例:如圖6所示,某順層巖質(zhì)邊坡高10m,巖層傾角60°,巖體重度25kN/m3,巖層面粘聚力C=30kPa,內(nèi)摩擦角Φ=15°。 邊坡安全等級為一級。利用《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330-2013)6.3.1: 得到土壓力水平分力E=249.6kN/m;利用《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330-2013)A.0.3: 得到剩余下滑力水平分力E=(625.7 -443.3/1.35)×COS60=148.7kN/m。支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計計算時應取二者計算的大值。

        圖6 巖質(zhì)順層邊坡簡圖

        2 結(jié)語

        (1)土巖結(jié)合面破壞的折線滑動,計算下滑推力時,滑面轉(zhuǎn)折點處兩傾角差值大于10°時,應對滑面進行尖角消除,否則計算的下滑力誤差過大,影響結(jié)構(gòu)安全。

        (2)暴雨工況下計算下滑力時不能簡單取飽和工況對抗剪強度進行折減,當滑坡體厚度不大時,連續(xù)降雨作用下加上巖體內(nèi)部滲出的地下水,滑體很容易達到飽和,坡面產(chǎn)生徑流,此種情況下計算下滑力時應考慮地下水壓力。

        (3)對沿外傾結(jié)構(gòu)面滑動的巖質(zhì)邊坡,應當采用《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330-2013)6.3.1與附錄A.0.3分別計算土壓力,取不利值進行設(shè)計。

        責任編輯:劉艷萍

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