順層滑移型邊坡安全系數(shù)取值探討

曾中林 劉貴應(yīng)

(1.中南大學(xué)土木建筑學(xué)院，湖南長沙 410075; 2.中鐵二院重慶勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，重慶 400023)

1 概述

自然界中具有層狀構(gòu)造的沉積巖約占陸地面積的2/3，中國占77.3%，許多變質(zhì)巖也具有層狀構(gòu)造，所以在人類工程活動(dòng)中會(huì)遇到大量的層狀巖體穩(wěn)定問題。特別是在山區(qū)修建鐵路、公路以及市政工程過程中，不可避免地要出現(xiàn)大量挖方工程，順層巖石路塹邊坡失穩(wěn)滑動(dòng)形成的順層滑坡極為常見。順層滑坡失穩(wěn)給社會(huì)造成了大量的生命財(cái)產(chǎn)損失，為治理順層滑坡也投入了大量的人力、物力和財(cái)力［1］。

影響順層邊坡穩(wěn)定的主要因素是巖層的傾角大小、層面的抗剪強(qiáng)度［2］。由于勘察過程中不可避免存在誤差，對(duì)順層邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和相應(yīng)的處治措施造成較大的影響，可能造成對(duì)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與實(shí)際相反的結(jié)論，造成工程的破壞或投資的浪費(fèi)。本文對(duì)順層滑移型邊坡治理安全系數(shù)取值進(jìn)行了探討。

2 順層滑移型邊坡穩(wěn)定系數(shù)

滑面為單一平面的順層滑移型巖質(zhì)邊坡(見圖1)，其穩(wěn)定系數(shù)為［3-5］：

其中，K0為邊坡穩(wěn)定系數(shù);W為單寬滑體重量;α為順層傾角;c，φ分別為滑面粘聚力、滑面摩擦角;L為滑面長度。

圖1 順層滑移型邊坡示意圖

3 順層滑移型邊坡安全系數(shù)取值

當(dāng)邊坡穩(wěn)定系數(shù)小于1時(shí)，這時(shí)的邊坡需要進(jìn)行治理，否則邊坡會(huì)失穩(wěn)。治理措施包括順層清方、削方減載、改善滑面力學(xué)性質(zhì)和設(shè)置支擋措施等?，F(xiàn)以設(shè)置支擋措施為例，分析順層滑移型邊坡安全系數(shù)取值問題。

在理論情況下，邊坡穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到1，邊坡即處于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)邊坡穩(wěn)定系數(shù)小于1時(shí)，邊坡產(chǎn)生的剩余推力為：

即在理論情況下，提供與邊坡產(chǎn)生的剩余推力相當(dāng)?shù)淖枇纯墒惯吰绿幱诜€(wěn)定狀態(tài)。

在實(shí)際工程中，計(jì)算邊坡穩(wěn)定性需要的參數(shù)總是存在誤差，對(duì)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)造成影響，因此要求邊坡穩(wěn)定達(dá)到一定的安全系數(shù)。如平面滑動(dòng)法安全系數(shù)：一級(jí)邊坡1.35、二級(jí)邊坡1.30、三級(jí)邊坡1.25［4］?？紤]誤差時(shí)，需要提供的支擋阻力為：

當(dāng)F'=F時(shí)，既保證了邊坡的穩(wěn)定性，也是最為經(jīng)濟(jì)的情況;當(dāng)F'＞F時(shí)，保證了邊坡的穩(wěn)定性，但會(huì)增加投資，造成浪費(fèi);當(dāng)F'＜F時(shí)，邊坡處于失穩(wěn)狀態(tài)，對(duì)工程造成破壞，造成生命財(cái)產(chǎn)損失，這種情況是需要杜絕的。因此，對(duì)于邊坡工程，要求F'－F≥0，即：

化解式(4)得：

從式(5)可以看出，安全系數(shù)的取值受順層傾角、滑面摩擦角絕對(duì)值的影響，也受順層傾角和滑面抗剪強(qiáng)度誤差的影響。當(dāng)測(cè)得的順層傾角大于實(shí)際值時(shí) 值可取小值 實(shí)際上這種情況是偏于安全的);當(dāng)測(cè)得的順層傾角小于實(shí)際值時(shí)，K值需取大值，誤差越大，需要的安全系數(shù)越大。當(dāng)滑面摩擦角取值大于實(shí)際值時(shí)，K值需取較大值;當(dāng)滑面摩擦角小于實(shí)際值時(shí)，K值可取較小值?；w的平均厚度也會(huì)影響安全系數(shù)的取值，即滑體平均厚度越小，安全系數(shù)取值要求越大;滑體平均厚度越大，安全系數(shù)可取小值，工程實(shí)踐中對(duì)安全系數(shù)的取值通常也是這樣處理的。舉例見表1。

表1 安全系數(shù)取值計(jì)算表

根據(jù)分析，邊坡安全系數(shù)取值受順層傾角誤差影響較大，因此在對(duì)順層邊坡進(jìn)行傾角測(cè)量時(shí)，應(yīng)力求準(zhǔn)確，減少誤差;由于規(guī)范對(duì)安全系數(shù)取值有規(guī)定，在對(duì)順層傾角取統(tǒng)計(jì)值時(shí)，可取測(cè)量數(shù)據(jù)中的較大值?；媪W(xué)參數(shù)的取得，一般通過現(xiàn)場(chǎng)大剪試驗(yàn)、室內(nèi)反算、室內(nèi)試驗(yàn)和地區(qū)同類順層經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定。對(duì)于切層順層邊坡工程，難以通過室內(nèi)試驗(yàn)和反算確定滑面力學(xué)參數(shù)。由于現(xiàn)場(chǎng)大剪試驗(yàn)難度大，花費(fèi)高，因此在實(shí)際工程中更多采用經(jīng)驗(yàn)法確定順層滑面力學(xué)參數(shù)，造成的誤差較大，對(duì)滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)影響大，甚至造成相反的結(jié)論。因此，對(duì)于大型順層滑坡，應(yīng)以現(xiàn)場(chǎng)大剪試驗(yàn)為主，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)法確定滑面力學(xué)參數(shù)，并根據(jù)工程重要性程度選取適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù);對(duì)于小型順層滑坡，在以經(jīng)驗(yàn)法為主確定滑面力學(xué)參數(shù)時(shí)，應(yīng)取較大的安全系數(shù)。

4 工程實(shí)例

西南地區(qū)某經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)場(chǎng)地平整工程，巖層為砂巖夾泥巖，砂巖為巨厚層。場(chǎng)地平整后形成上下兩級(jí)場(chǎng)坪，高差32 m。上級(jí)場(chǎng)坪長300 m，寬150 m，面積45 000 m2，場(chǎng)坪排水坡度4%。巖層傾向線與切坡線近垂直，單面臨空。施工圖勘察報(bào)告提供的參數(shù)為：順層傾角α=18°，滑面摩擦角及粘聚力分別為φ=18°，c= 20 kPa，砂巖容重γ=25 kN/m3。施工圖設(shè)計(jì)采用坡腳設(shè)置12 m懸臂抗滑樁間擋土墻，樁頂以上邊坡10 m一級(jí)，邊坡坡度1∶0.75，級(jí)間設(shè)2 m寬平臺(tái)。根據(jù)勘察報(bào)告，砂巖與泥巖接觸面在上下兩級(jí)場(chǎng)坪間邊坡下部距坡腳5.0 m處出露。邊坡重要性等級(jí)為一級(jí)，設(shè)計(jì)安全系數(shù)取值1.35。根據(jù)地勘報(bào)告提供參數(shù)及邊坡開挖形式，考慮場(chǎng)坪形成后地面荷載30 kN/m2，順砂泥巖接觸面滑動(dòng)順層邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.26(不考慮地面荷載為1.28)，小于要求的安全系數(shù)1.35。設(shè)計(jì)滑坡推力620 kN/m，采用2.00 m×2.75 m抗滑樁間擋土墻加固，樁間距5 m，邊坡采用錨桿框架梁防護(hù)。在施工階段，在完成抗滑樁施工并開挖形成下級(jí)場(chǎng)坪時(shí)，邊坡在暴雨后發(fā)生順層滑動(dòng)，實(shí)際滑動(dòng)面在坡腳以上2.5 m，實(shí)測(cè)順層傾角21°。在順層滑動(dòng)后部，可見較大水流滲出。上級(jí)場(chǎng)坪順層清方后，寬度由設(shè)計(jì)的 減為 可利用的范圍更小造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

根據(jù)實(shí)測(cè)順層傾角計(jì)算，該順層邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.03，由于邊坡在加固后仍然發(fā)生滑動(dòng)破壞，表明地勘所提供的滑面力學(xué)參數(shù)偏大，存在偏危險(xiǎn)的誤差。

在本例中，存在幾方面的問題：1)在勘察階段順層傾角測(cè)量存在較大的偏于危險(xiǎn)(采用值小于實(shí)測(cè)值)的誤差，對(duì)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)造成較大影響;2)在施工階段未對(duì)順層傾角進(jìn)行復(fù)測(cè)，特別是在抗滑樁井開挖過程中應(yīng)該揭示到砂泥巖接觸面而未出露時(shí)未引起足夠重視，如此時(shí)開挖個(gè)別樁井到砂泥巖接觸面出露并進(jìn)行相應(yīng)的修正和采取相應(yīng)的工程措施，則可最大程度避免滑面傾角誤差造成的影響;3)在確定滑面力學(xué)參數(shù)時(shí)，僅按經(jīng)驗(yàn)法確定，存在較大誤差;4)在采用滑面力學(xué)參數(shù)時(shí)，未考慮由于大面積場(chǎng)坪開挖后對(duì)地表水、地下水滲流路徑改變?cè)斐傻幕媪W(xué)參數(shù)弱化的影響。

5 結(jié)語

1)順層滑移型邊坡安全系數(shù)的取值受順層傾角、滑面摩擦角絕對(duì)值的影響，也受順層傾角和滑面抗剪強(qiáng)度誤差的影響。順層傾角、滑面摩擦角對(duì)安全系數(shù)取值的影響程度，與順層傾角相對(duì)誤差和滑面摩擦角相對(duì)誤差相關(guān)。

2)當(dāng)測(cè)得的順層傾角大于實(shí)際值時(shí)，安全系數(shù)K值可取小值(實(shí)際上這種情況是偏于安全的);當(dāng)測(cè)得的順層傾角小于實(shí)際值時(shí)，K值需取大值，誤差越大，需要的安全系數(shù)越大。

3)當(dāng)滑面摩擦角取值大于實(shí)際值時(shí)，安全系數(shù)K值需取較大值;當(dāng)滑面摩擦角小于實(shí)際值時(shí)，K值可取較小值。

4)滑體的平均厚度也會(huì)影響安全系數(shù)的取值，即滑體平均厚度越小，安全系數(shù)取值要求越大;滑體平均厚度越大，安全系數(shù)可取小值。

5)在考慮順層滑移型邊坡安全系數(shù)取值時(shí)，對(duì)于大型順層滑坡，應(yīng)以現(xiàn)場(chǎng)大剪試驗(yàn)為主，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)法確定滑面力學(xué)參數(shù)，并根據(jù)工程重要性程度選取適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù);對(duì)于小型順層滑坡，在以經(jīng)驗(yàn)法為主確定滑面力學(xué)參數(shù)時(shí)，應(yīng)取較大的安全系數(shù)。

6)在工程施工過程中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)滑面傾角及滑面力學(xué)參數(shù)的檢驗(yàn)，根據(jù)實(shí)際情況作相應(yīng)的修正，并提供給設(shè)計(jì)做出相應(yīng)的處治措施。

［1］ 王恭先.滑坡防治工程措施的國內(nèi)外現(xiàn)狀［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，1998，9(1)：1-9.

［2］ 成永剛，王玉峰.層面傾角對(duì)順層巖質(zhì)滑坡貢獻(xiàn)率研究［J］.巖土力學(xué)，2011，32(12)：3708-3712.

［3］ 陳祖煜，汪小剛，楊 健，等.巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析——原理、方法、程序［M］.北京：中國水利水電出版社，2005.

［4］ GB 50330-2002，建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范［S］.

［5］ GB 50021-2001，巖土工程勘察規(guī)范［S］.