山西黃土地區(qū)公路邊坡強(qiáng)度參數(shù)選取方法研究

籍延青，隋來才

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

黃土地區(qū)公路邊坡的防護(hù)設(shè)計(jì)中，首先要計(jì)算邊坡穩(wěn)定性，穩(wěn)定性計(jì)算的理論如極限平衡法、數(shù)值分析法等均需要提供巖土體強(qiáng)度參數(shù).目前常用的方法是按照巖土規(guī)范并參考實(shí)踐工程中直接剪切測(cè)試或采用反演法確定抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，之后進(jìn)行計(jì)算，但計(jì)算結(jié)果常與實(shí)際情況不符，計(jì)算是穩(wěn)定的，而實(shí)際仍會(huì)失穩(wěn)破壞甚至出現(xiàn)滑動(dòng).究其原因，除了測(cè)試手段的局限性、巖土強(qiáng)度參數(shù)的高變異性外，反演過程中的人為經(jīng)驗(yàn)分析也是重要原因之一.

因此，本次課題研究依托山西省臨吉、離軍、汾離等已建、在建高等級(jí)公路，以現(xiàn)場調(diào)查、室內(nèi)試驗(yàn)為基礎(chǔ)，通過研究邊坡土體變形機(jī)理和強(qiáng)度參數(shù)變化規(guī)律，并結(jié)合本次調(diào)查綜合考慮山西的氣候、地理地貌差異、黃土的地質(zhì)特征以及黃土的各種物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)得出的山西黃土地區(qū)公路工程地質(zhì)分區(qū)（圖1）、地層組合形式以及邊坡破壞模式，力圖建立一套科學(xué)合理的參數(shù)選取方法，減少人為因素對(duì)參數(shù)選取的失準(zhǔn)，為山西黃土地區(qū)公路邊坡防治設(shè)計(jì)中強(qiáng)度參數(shù)的合理選取提供理論依據(jù).

1 邊坡變形破壞與強(qiáng)度的關(guān)系

圖1 山西省公路工程地質(zhì)分區(qū)圖

黃土剪切破壞可以由其過程曲線（圖2）表示，從中可以發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度參數(shù)之間的關(guān)系及土體的變形規(guī)律:剪應(yīng)力τ隨剪切形變?chǔ)抛兓?，A點(diǎn)對(duì)應(yīng)土體彈性極限，A點(diǎn)后土體開始發(fā)生塑性剪切破壞，B點(diǎn)為土體的強(qiáng)度極限即峰值強(qiáng)度τf，BC段為土體骨架結(jié)構(gòu)破壞、顆粒定向排列的階段.CD段后強(qiáng)度趨于穩(wěn)定，不再隨剪應(yīng)變而變化，D點(diǎn)是土體在對(duì)應(yīng)垂直應(yīng)力作用下達(dá)到的顆粒重排的最佳排列點(diǎn)，此時(shí)土的強(qiáng)度達(dá)到其殘余強(qiáng)度τr.

圖2 土體剪切變形曲線

室內(nèi)試驗(yàn)一般取B點(diǎn)即峰值強(qiáng)度作為抗剪強(qiáng)度值，而實(shí)際上邊坡失穩(wěn)破壞可能發(fā)生在AB段，其值小于τf，即沒有達(dá)到峰值強(qiáng)度前就發(fā)生破壞，又如邊坡所在區(qū)存在老滑坡，此時(shí)計(jì)算強(qiáng)度常取CD段參數(shù)值，因而單純采用峰值強(qiáng)度來計(jì)算邊坡的穩(wěn)定性顯然是非常不合理的，反演值又不能擺脫人為因素的影響.這里需引用“啟動(dòng)強(qiáng)度”來解決這個(gè)問題，啟動(dòng)強(qiáng)度是滑坡失穩(wěn)時(shí)滑帶土的強(qiáng)度，它是概化的概念，因?yàn)榛聠?dòng)時(shí)部分滑帶土達(dá)到了峰值強(qiáng)度，部分可能已過了峰值，對(duì)于不同發(fā)育階段的邊坡和滑坡土，可能等于邊坡土的峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度、完全軟化強(qiáng)度或長期抗剪強(qiáng)度，也可能是介于以上各種強(qiáng)度之間的某一數(shù)值，可認(rèn)為是邊坡整體失穩(wěn)啟動(dòng)時(shí)滑帶土的平均抗剪強(qiáng)度，對(duì)應(yīng)于黃土塑限含水量時(shí)的抗剪強(qiáng)度.

2 強(qiáng)度參數(shù)的獲取

2.1 峰值強(qiáng)度

峰值強(qiáng)度一般通過室內(nèi)試驗(yàn)四聯(lián)直剪儀獲得，試驗(yàn)時(shí)不少于取4個(gè)試樣，逐級(jí)遞增施加不同的垂直壓力，慢剪試驗(yàn)是土樣在某一級(jí)垂直壓力作用下，待排水固結(jié)變形穩(wěn)定后，再緩慢施加水平剪應(yīng)力剪切，快剪則沒有固結(jié)排水的過程直接施加水平剪切力，剪應(yīng)力峰值對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度為土體峰值強(qiáng)度.

大量試驗(yàn)分析［1－9］表明，峰值強(qiáng)度特征值受多因素影響，不同試驗(yàn)條件測(cè)得的峰值強(qiáng)度是不同的.分析原因，峰值強(qiáng)度反映的是測(cè)試樣品在某一含水狀態(tài)下的一種”狀態(tài)強(qiáng)度”，排除試驗(yàn)方法的影響，試驗(yàn)樣品由于采樣部位不同導(dǎo)致的含水率不同、土體結(jié)構(gòu)不同是這種離散性大的主要原因.

2.2 殘余強(qiáng)度

殘余強(qiáng)度一般通過反復(fù)直剪強(qiáng)度試驗(yàn)獲得［10－13］，試驗(yàn)儀器采用應(yīng)變控制式直剪儀，黃土常以0.02～0.06mm／min的剪切速度進(jìn)行剪切，第一次在低垂直壓力下剪出試樣的滑動(dòng)面，然后再重復(fù)剪切5～6次，每次剪切位移量為8～10mm，總位移量一般在40～50mm之間.繪制出不同垂直壓力下剪切位移—剪應(yīng)力曲線（圖3），以最后剪應(yīng)力的穩(wěn)定值為殘余強(qiáng)度τr.殘余強(qiáng)度反映的是土體的“屬性強(qiáng)度”，與土體物質(zhì)成份、顆粒含量相關(guān)，試驗(yàn)中變化率不大，在判定老滑坡穩(wěn)定性計(jì)算中可直接選用此值作為抗剪強(qiáng)度.

2.3 啟動(dòng)強(qiáng)度

圖3 剪應(yīng)力－位移曲線

圖4 含水率－強(qiáng)度曲線

文獻(xiàn)［14］通過對(duì)黃土、古土壤進(jìn)行大量的剪切試驗(yàn)，繪制出含水率－強(qiáng)度曲線（圖4），建立了強(qiáng)度與含水率之間的聯(lián)系，曲線由平緩段BC和陡降段CD組成，C點(diǎn)對(duì)應(yīng)的含水率表示強(qiáng)度發(fā)生突變的起點(diǎn)即為啟動(dòng)含水率ωC，對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度為啟動(dòng)強(qiáng)度τC，并通過試驗(yàn)比較發(fā)現(xiàn)該含水率接近塑限含水率.室內(nèi)直剪試驗(yàn)測(cè)得的峰值強(qiáng)度，雖不能表征邊坡啟滑時(shí)的強(qiáng)度狀態(tài)，但峰值強(qiáng)度體現(xiàn)了在邊坡啟滑這一特定含水條件下的“狀態(tài)強(qiáng)度”，在工程實(shí)踐中可利用變含水率直剪試驗(yàn)來得到土體的啟動(dòng)強(qiáng)度參數(shù).

3 對(duì)比分析

通過野外調(diào)查以及室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果分析，我們發(fā)現(xiàn)對(duì)于山西黃土邊坡，無論發(fā)生坡體還是坡面破壞均與土體強(qiáng)度參數(shù)以及地層組合形式有關(guān)，而不同工程地質(zhì)分區(qū)因氣候差異、地理地貌差異、黃土的地質(zhì)特征、地質(zhì)構(gòu)造的不同也造成了物理力學(xué)參數(shù)的不同，粘聚力c值更是呈現(xiàn)了北低南高的規(guī)律，對(duì)應(yīng)到分區(qū)也就是Ia、Ib、Ic逐漸增大，這也表明邊坡穩(wěn)定性與工程地質(zhì)分區(qū)也存在著間接聯(lián)系.本文以實(shí)際工程為例，選取位于不同分區(qū)不同地層組合形式的邊坡體，采用峰值強(qiáng)度、啟動(dòng)強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行對(duì)比分析.

3.1 計(jì)算參數(shù)

對(duì)比分析中，巖土體力學(xué)參數(shù)（表1）均來自野外實(shí)地取樣經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)獲得，具體試驗(yàn)方法如2.1～2.3所述.

表1 巖土體力學(xué)參數(shù)

3.2 計(jì)算結(jié)果

由于邊坡高度大、范圍廣，整個(gè)坡體在沿軸線方向的變形很小，可以忽略不計(jì)，因此，力學(xué)分析采用平面應(yīng)變假設(shè)模型.邊界條件為兩側(cè)限制水平移動(dòng)，底部限制垂直位移.計(jì)算采用邊坡穩(wěn)定性分析軟件GEO－SLOPE試用版生成.穩(wěn)定性系數(shù)結(jié)果選用Bishop、M－P、Janbu法算出的最小值.

3.2.1 新黃土單一形式（Ⅰ）

計(jì)算簡圖如圖5所示，計(jì)算結(jié)果列于表2.

圖5 新黃土單一形式邊坡計(jì)算模型

由表2分析，采用不同強(qiáng)度計(jì)算邊坡穩(wěn)定性系數(shù)，結(jié)果明顯不同.抗剪強(qiáng)度取峰值強(qiáng)度時(shí)最大為1.308，處于穩(wěn)定狀態(tài)；取啟動(dòng)強(qiáng)度計(jì)算時(shí)有所降低為1.111；取殘余強(qiáng)度計(jì)算時(shí)最小于為0.999，已處于極限平衡狀態(tài).表明相同地層組合，相同坡型，受計(jì)算參數(shù)影響程度明顯，在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中針對(duì)不同分區(qū)、不同地質(zhì)環(huán)境背景，有必要合理選取相應(yīng)的強(qiáng)度參數(shù).

表2 新黃土單一形式邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表

3.2.2 新老黃土組合形式（Ⅱ）

計(jì)算簡圖如圖6所示，計(jì)算結(jié)果列于表3.

由表3計(jì)算結(jié)果可知，抗剪強(qiáng)度取峰值強(qiáng)度時(shí)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.253，處于穩(wěn)定狀態(tài)；取啟動(dòng)強(qiáng)度計(jì)算時(shí)有所降低為1.053，已處于極限平衡狀態(tài)；取殘余強(qiáng)度計(jì)算時(shí)最小于為0.941，已處于失穩(wěn)狀態(tài).

圖6 新老黃土組合形式邊坡計(jì)算模型

結(jié)合數(shù)值分析結(jié)果認(rèn)為，按照常規(guī)峰值強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算，此邊坡穩(wěn)定不易破壞；而按啟動(dòng)強(qiáng)度取值計(jì)算，此邊坡處于極限平衡，破壞先出現(xiàn)在接觸面坡面部位，與實(shí)際調(diào)查情況接近；若按殘余強(qiáng)度取值計(jì)算，此邊坡則處于整體失穩(wěn)狀態(tài)，評(píng)價(jià)過于保守.

表3 新老黃土組合形式邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表

3.2.3 老黃土單一形式（Ⅲ）邊坡

圖7 老黃土單一形式（Ⅲ）邊坡計(jì)算模型

計(jì)算簡圖如圖7所示，計(jì)算結(jié)果列于表4.

表4 老黃土單一形式邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

由表4可知，抗剪強(qiáng)度取峰值強(qiáng)度時(shí)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.362，處于穩(wěn)定狀態(tài)；取啟動(dòng)強(qiáng)度計(jì)算時(shí)有所降低為1.129，仍處于穩(wěn)定狀態(tài)；取殘余強(qiáng)度計(jì)算時(shí)為1.053，處于極限平衡狀態(tài).說明老黃土單一組合形式邊坡利于穩(wěn)定.

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

綜合數(shù)值分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用不同強(qiáng)度參數(shù)對(duì)于邊坡穩(wěn)定性的影響是顯而易見的.對(duì)于某一個(gè)邊坡，有可能采用峰值強(qiáng)度計(jì)算邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)的，使用啟動(dòng)強(qiáng)度或殘余強(qiáng)度計(jì)算出的穩(wěn)定性降幅明顯，甚至?xí)霈F(xiàn)不穩(wěn)定的狀況.因此在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中，必須考慮結(jié)合不同工程地質(zhì)分區(qū)，不同地層組合形式，選擇合適的強(qiáng)度參數(shù)評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性，以求科學(xué)評(píng)價(jià)、合理設(shè)計(jì)、客觀投資.

4 結(jié)論及建議

山西許多高速公路不同程度穿越黃土地區(qū)，而不同工程地質(zhì)分區(qū)、不同地層組合形式的公路邊坡，其穩(wěn)定性分析參數(shù)的選取會(huì)有很大程度的區(qū)別，對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)結(jié)果也會(huì)截然不同.也就是說實(shí)際公路邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)必須考慮峰值強(qiáng)度、啟動(dòng)強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度的合理選擇問題.

本文研究認(rèn)為，在山西黃土丘陵溝壑區(qū)即工程地質(zhì)分區(qū)中的Ⅰ區(qū)，其中部——Ⅰb區(qū)構(gòu)造發(fā)育，地震活動(dòng)使得土體強(qiáng)度相對(duì)下降，老滑坡較多，特別是基巖出露地區(qū)，公路通過此區(qū)域時(shí)，邊坡設(shè)計(jì)的強(qiáng)度參數(shù)應(yīng)選用殘余強(qiáng)度，有很高的安全保證；北部——Ⅰa區(qū)降雨少，構(gòu)造活動(dòng)不頻繁，邊坡以坡面破壞為主，應(yīng)優(yōu)先考慮采用峰值強(qiáng)度進(jìn)行邊坡設(shè)計(jì)；南部——Ⅰc區(qū)降雨多，此時(shí)在進(jìn)行邊坡設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)先選用啟動(dòng)強(qiáng)度，雖顯保守，造價(jià)高，但其最大程度的避免了地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，實(shí)際上也節(jié)省了大量治理費(fèi)用，其長期效益不言而喻.

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