坡率法在松散堆積體邊坡設(shè)計中的應(yīng)用研究

葉生春，嚴秋榮

(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)計中的應(yīng)用研究

葉生春1，嚴秋榮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)計院有限公司， 重慶 400067)

依托貴州省畢威高速公路項目，選擇幾種不同的邊坡高度，采用有限元強度折減法，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種情況進行安全系數(shù)模擬計算。通過對比分析選取一個合適坡率，為坡率法在松散堆積體邊坡設(shè)計中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

坡率；安全系數(shù)；開挖卸荷；強度折減

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、錨桿支護類等。邊坡防護通常采用“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，通過有限元模型進行計算分析，得出不同邊坡高度下最適宜的放坡坡率。

1 坡率法設(shè)計概述

邊坡設(shè)計中，通過控制邊坡高度和坡度而無須對邊坡進行整體加固就能使邊坡達到自身穩(wěn)定的邊坡設(shè)計方法，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取樣，其巖土體力學(xué)參數(shù)通過室內(nèi)試驗、數(shù)值試驗綜合確定，如表1所示。

2.2 計算模型

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)計中的應(yīng)用進行研究。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)計中，邊坡安全系數(shù)計算時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(即巖土體抗剪強度參數(shù)取峰值強度)、開挖損傷到殘余值(即巖土體抗剪強度參數(shù)取殘余值強度)、從峰值向殘余值過渡3種情況下的安全系數(shù)計算，通過對比分析選取一個合適的坡率。計算時，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行穩(wěn)定性計算，從而統(tǒng)計并分析合理的開挖坡率。計算模型邊坡高度分別取為 10、20、30和40 m，計算坡率分別取 1∶0.75、1∶1、1∶1.25、1∶1.5、1∶1.75、1∶2。坡高為10 m時不同坡率的有限元模型如圖2所示。

3 計算方法設(shè)計

計算分為3步：第1步生成初始地應(yīng)力場，默認地面為水平地表，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步是計算邊坡安全系數(shù)，即在第2步計算基礎(chǔ)上采用強度折減法計算邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。

邊坡安全系數(shù)采用有限元強度折減法計算。強度折減法是通過不斷折減邊坡巖土體的強度參數(shù)(如c，φ)使其達到極限平衡狀態(tài)，強度參數(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)者對使用強度折減法分析邊坡穩(wěn)定性進行了大量研究，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)生破壞主要是因為滑移面上的材料其抗剪強度不足以抵抗實際的剪切應(yīng)力。安全系數(shù)是用于評價邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)的一個指標(biāo)。當(dāng)安全系數(shù)大于1時，表示邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；而當(dāng)安全系數(shù)小于1時，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度，可根據(jù)莫爾-庫侖準(zhǔn)則計算，即

τ=c+σntanφ

(2)

式中：σn為實際正應(yīng)力。

τf是滑移面的剪應(yīng)力，可用下式計算，即

τf=cf+σntanφf

(3)

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

(4)

(5)

式中：SRF為強度折減系數(shù)。

邊坡穩(wěn)定性數(shù)值計算中，使用SRF對巖土體參數(shù)進行折減并求得安全系數(shù)的方法被稱為“強度折減法”。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到破壞的強度折減系數(shù)。

使用有限元法分析邊坡穩(wěn)定性時，通常根據(jù)有限元程序計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，通過計算無法得到同時能夠滿足莫爾-庫侖準(zhǔn)則和整體平衡的應(yīng)力分布時，數(shù)值計算不收斂，邊坡同時達到破壞。一般來講，邊坡發(fā)生破壞后的最大節(jié)點位移較破壞前有很大的跳躍。由此可見，計算不收斂是判斷邊坡發(fā)生破壞的重要標(biāo)準(zhǔn)，然而計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，用強度折減法分析邊坡穩(wěn)定性分析時，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)點位移變化規(guī)律和計算的不收斂性來確定邊坡的安全系數(shù)。

4 計算結(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，巖土體抗剪強度參數(shù)分別采用峰值強度、從峰值向殘余過渡(即考慮開挖卸荷損傷效應(yīng))、殘余強度時邊坡的安全系數(shù)。由表2～5可知，若完全不考慮巖體的損傷效應(yīng)，即采用峰值強度進行計算，則邊坡的安全系數(shù)值最大；當(dāng)完全采用殘余強度進行計算時，邊坡安全系數(shù)最?。蝗艨紤]開挖卸荷效應(yīng)，即參數(shù)從峰值強度向殘余值過渡，則此時計算的安全系數(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)定性計算結(jié)果及開挖坡率設(shè)計影響較大。畢威高速公路堆積體邊坡巖土體室內(nèi)試驗表明，該土體具有較為顯著的卸荷損傷特性。同時K86邊坡工點的現(xiàn)場情況也表明，最初的開挖坡率是按照傳統(tǒng)方法設(shè)計的(未考慮卸荷損傷效應(yīng))，實際開挖施工時發(fā)生了邊坡失穩(wěn)，可見設(shè)計時高估了邊坡穩(wěn)定性。因此，對于此類堆積體邊坡，其開挖坡率設(shè)計時應(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時坡率變化對應(yīng)的安全系數(shù)

表3 坡高為20 m時坡率變化對應(yīng)的安全系數(shù)

表4 坡高為30 m時坡率變化對應(yīng)的安全系數(shù)

表5 坡高為40 m時坡率變化對應(yīng)的安全系數(shù)

5 結(jié)論

1) 采用坡率法進行邊坡設(shè)計時，一般地下水位應(yīng)較低，放坡開挖時應(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的卸荷損傷特性時，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)計時應(yīng)考慮巖土體的開挖損傷效應(yīng)，采用強度折減法進行設(shè)計。

3) 對松散堆積體邊坡進行設(shè)計時，應(yīng)考慮開挖卸荷效應(yīng)，采用強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行了研究和分析，并確定邊坡高度為10、20、30和40 m時，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