地震區(qū)路基邊坡穩(wěn)定性與填料特性的研究

【摘 要】JTG B02-2013《公路工程抗震規(guī)范》對(duì)路基限高有明確規(guī)定，但路基邊坡穩(wěn)定性不僅受高度影響，更與填料性質(zhì)密切相關(guān)，填料性質(zhì)對(duì)破壞模式影響巨大，以簡(jiǎn)單的填料分類對(duì)震區(qū)邊坡進(jìn)行高度限制，并不能完全有效進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性判定。路基限高規(guī)定中填料分類僅為兩種，未對(duì)其具體性質(zhì)做出要求，而天然填料性質(zhì)差異大，為合理使用限高規(guī)定，本文采用理正和GEO5軟件，對(duì)不同地震力作用下的代表性細(xì)粒土和粗粒土路基邊坡，進(jìn)行穩(wěn)定性分析，探討地震（非浸水）地區(qū)適用高度限值規(guī)定的邊坡填料性質(zhì)要求。計(jì)算分析得知，地震（非浸水）地區(qū)路基高度限值規(guī)定下，不同道路等級(jí)和地震動(dòng)峰值加速度時(shí)，細(xì)粒土填料有材料性質(zhì)要求，需合理選擇填料；而粗粒土填料無(wú)進(jìn)一步性質(zhì)要求，規(guī)范允許的天然粗粒土填料均可采用。

【關(guān)鍵詞】道路工程； 邊坡穩(wěn)定性； 細(xì)粒土邊坡； 粗粒土邊坡

【中圖分類號(hào)】U416.1+4【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

0 引言

邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題是巖土工程界的經(jīng)典問(wèn)題之一，評(píng)價(jià)方法大體可以分為：定性分析方法，定量分析方法，不確定性分析方法。邊坡的穩(wěn)定受很多因素的影響，如降雨、地震、人工開(kāi)挖、各種荷載作用、巖土體工程性質(zhì)等，而降雨和地震則是最主要也是較為常見(jiàn)的兩個(gè)因素，學(xué)者們進(jìn)行了大量研究［1-5］。

地震地區(qū)邊坡除了基于工程地質(zhì)調(diào)查、烈度和地震動(dòng)參數(shù)評(píng)價(jià)法外，主要還是采用定量分析法進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，主要分為擬靜力法，Newmark滑塊分析法、數(shù)值分析法、模型試驗(yàn)法以及多種方法相結(jié)合的綜合法［6］。

其他學(xué)者研究得知，地震區(qū)巖土邊坡填料性質(zhì)對(duì)破壞模式也影響巨大，且分析時(shí)宜充分考慮動(dòng)力效應(yīng)，若采用靜力分析法，應(yīng)選取動(dòng)力參數(shù)，若采用完全動(dòng)力分析法則可采用邊坡的巖土靜力參數(shù)［7］。巖土體的強(qiáng)度在震動(dòng)過(guò)程中會(huì)有所衰減，而目前的方法大多沒(méi)有考慮巖土體強(qiáng)度的減小［6］?？偟恼f(shuō)來(lái)，不論何種方法，是否考慮動(dòng)應(yīng)力，邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)論很大程度上依賴于巖土材料參數(shù)取值的可靠性，對(duì)經(jīng)驗(yàn)判斷要求較高［8-11］。

公路工程設(shè)計(jì)中多采用靜力法進(jìn)行抗震穩(wěn)定性驗(yàn)算，填料性質(zhì)參數(shù)的取值對(duì)穩(wěn)定性判定起關(guān)鍵作用，而以簡(jiǎn)單的填料分類對(duì)震區(qū)邊坡進(jìn)行高度限制，并不能完全有效進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性判定。盡管目前我國(guó)的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范存在一定不足，但從實(shí)際情況看，按照規(guī)范設(shè)計(jì)的公路在一定程度上經(jīng)受了地震的考驗(yàn)［12］，故遵循規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，深入理解各項(xiàng)規(guī)定尤為必要。

1 地震區(qū)路基填料分類及邊坡高度限值規(guī)定

JTG D30-2015《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》［13］和JTG B02-2013《公路工程抗震規(guī)范》［14］分別對(duì)路基穩(wěn)定性判斷、路基限高做出了規(guī)定，JTG B02-2013《公路工程抗震規(guī)范》將地震（非浸水）地區(qū)填料分為兩大類，一類為巖塊和細(xì)粒土，另一類為粗粒土。

按地質(zhì)分類，細(xì)粒土和粗粒土的區(qū)分主要以顆粒粒徑大小及其占比為指標(biāo)［15］，不論細(xì)粒土還是粗粒土的內(nèi)摩擦角和粘聚力的范圍比較寬泛，不同取值對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較大，本文對(duì)地震（非浸水）地區(qū)適應(yīng)于高度限值規(guī)定的邊坡，探討其對(duì)填料性質(zhì)的要求。

JTG B02-2013《公路工程抗震規(guī)范》［14］，對(duì)路基限高規(guī)定如表1所示。

2 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算模型及方法介紹

2.1 建模邊界條件

2.1.1 關(guān)于道路等級(jí)

高速公路、一級(jí)公路及二級(jí)公路除了道路寬度外，抗震重要性修正系數(shù)、計(jì)算水平地震力時(shí)的綜合影響系數(shù)及邊坡抗震穩(wěn)定系數(shù)要求的取值一致，經(jīng)計(jì)算對(duì)比，路幅較寬時(shí)，車輛附加荷載不變的情況下，破裂面位置不受道路寬度影響，計(jì)算穩(wěn)定系數(shù)結(jié)果相同，故高速公路、一級(jí)公路及二級(jí)公路穩(wěn)定性分析取同一種寬度建模。

三、四級(jí)公路由于動(dòng)峰值加速度小于0.4g時(shí)，規(guī)范未要求對(duì)其進(jìn)行路基抗震穩(wěn)定性驗(yàn)算，且三、四級(jí)公路抗震重要性修正系數(shù)和邊坡抗震穩(wěn)定性系數(shù)要求與高等級(jí)公路不同，無(wú)法根據(jù)穩(wěn)定性分析結(jié)果對(duì)比進(jìn)行填土材料性質(zhì)研究，故本文不對(duì)三、四級(jí)公路進(jìn)行單獨(dú)分析。

2.1.2 關(guān)于填料分類

填料內(nèi)摩擦角和粘聚力取值范圍很廣，同一類填料的內(nèi)摩擦角和粘聚力共同決定填料性質(zhì)，直接影響邊坡穩(wěn)定性。基于隨機(jī)相應(yīng)面法和薩瑪法的邊坡可靠度分析也同時(shí)表明邊坡安全系數(shù)與內(nèi)摩擦角和粘聚力密切相關(guān)，尤其是粘聚力影響明顯［16］。粗粒填料除了材料本身性質(zhì)外，級(jí)配不良會(huì)造成不易壓實(shí)［17］ ，從而導(dǎo)致綜合內(nèi)摩擦角不足。本文據(jù)表1，考慮細(xì)粒土和粗粒土特性，探討其滿足穩(wěn)定性要求所需具有的內(nèi)摩擦角和粘聚力。

2.1.3 主要計(jì)算參數(shù)取值

分析時(shí)主要計(jì)算參數(shù)取值見(jiàn)表2。

2.2 穩(wěn)定性分析方法簡(jiǎn)介

邊坡穩(wěn)定性分析時(shí)，使用的計(jì)算軟件為理正和GEO5，采用常用圓弧滑動(dòng)或折線滑動(dòng)法進(jìn)行對(duì)比計(jì)算：

（1）細(xì)粒土邊坡穩(wěn)定采用圓弧滑動(dòng)法（畢曉普法）。

（2）粗粒土邊坡采用圓弧滑動(dòng)法（畢曉普法）和折線滑動(dòng)法（不平衡推力法（隱式）、摩根斯坦法等）。

3 路基邊坡穩(wěn)定性與填料性質(zhì)的關(guān)系

3.1 細(xì)粒土路基邊坡穩(wěn)定性與填料性質(zhì)的關(guān)系

3.1.1 細(xì)粒土填料計(jì)算參數(shù)

擬定三種細(xì)粒土，計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表3。

3.1.2 細(xì)粒土邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

細(xì)粒土邊坡穩(wěn)定性計(jì)算采用圓弧滑動(dòng)法計(jì)算，滑動(dòng)破裂面形式見(jiàn)圖1。

圖1 細(xì)粒土邊坡滑動(dòng)破裂面示意地震地區(qū)細(xì)粒土填筑路基限高均小于20 m，按規(guī)范規(guī)定，僅考慮水平地震作用力，由于理正軟件無(wú)法選擇單向地震作用力，故計(jì)算結(jié)果為同時(shí)考慮水平和豎向地震力作用，而GEO5計(jì)算時(shí)，則按規(guī)范規(guī)定僅考慮水平地震力。邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

3.1.3 細(xì)粒土邊坡的填料性質(zhì)要求

對(duì)比表1和表4得出，按規(guī)范中路基高度限值進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，細(xì)粒土路基填筑材料應(yīng)符合表5，以滿足邊坡穩(wěn)定性要求。

3.2 粗粒土路基邊坡穩(wěn)定性與填料性質(zhì)的關(guān)系

3.2.1 粗粒土填料參數(shù)

本文采用常用綜合內(nèi)摩擦角35°和40°的代表性粗粒土填料［18］進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

雖然合格的天然粗粒土填料粘聚力不可能為0，但從填料性質(zhì)研究角度，仍然將c值為0時(shí)的填料進(jìn)行了穩(wěn)定性計(jì)算，填料參數(shù)取值見(jiàn)表6。

當(dāng)c值為0時(shí)，采用理正軟件計(jì)算（表7），不論圓弧滑動(dòng)法還是直線滑動(dòng)法，均呈現(xiàn)穩(wěn)定系數(shù)與填土高度關(guān)系較小，且邊坡均無(wú)法滿足穩(wěn)定系數(shù)安全性要求。

而采用GEO5軟件計(jì)算（表8）時(shí)，不論圓弧滑動(dòng)法還是折線滑動(dòng)法計(jì)算，均有計(jì)算滑面位置不穩(wěn)定的情況，計(jì)算結(jié)果由于局部失穩(wěn)搜索位置的隨機(jī)性，造成穩(wěn)定性系數(shù)不規(guī)律。由于折線滑動(dòng)法使用薩瑪法、簡(jiǎn)布法或摩根斯坦法出現(xiàn)較多無(wú)法計(jì)算滑動(dòng)面傾角的情況，故表8僅羅列圓弧滑動(dòng)法（畢曉普法）和折線滑動(dòng)采用不平衡推力法（隱式）的計(jì)算結(jié)果。

水平和豎向地震作用力下，粘聚力為0的特殊粗粒土路基邊坡采用圓弧滑動(dòng)法和折線（直線）滑動(dòng)法計(jì)算后，理正軟件計(jì)算結(jié)果（表7）表明穩(wěn)定系數(shù)與填土高度相關(guān)性極小，而GEO5軟件計(jì)算結(jié)果（表8）表明，邊坡呈現(xiàn)局部失穩(wěn)情況，且失穩(wěn)位置有一定隨機(jī)性。

進(jìn)一步計(jì)算可知，當(dāng)c大于0時(shí)，理正計(jì)算結(jié)果呈現(xiàn)與填土高度相關(guān)的規(guī)律性，GEO5計(jì)算形成圓弧或折線滑動(dòng)面（圖2和圖3）。而天然填筑材料除了極細(xì)砂或者潔凈度較高的細(xì)砂外，c值均不為0，抗震規(guī)范要求不可使用極細(xì)砂和細(xì)砂填筑，故實(shí)際工程中，地震地區(qū)粗粒土路基邊坡可采用圓弧或折線滑動(dòng)法進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。

3.2.2 代表性粗粒土路基邊坡穩(wěn)定性分析

本文對(duì)代表性粗粒土填料（綜合內(nèi)摩擦角35°和40°）的邊坡（填土高度2～12 m），進(jìn)行穩(wěn)定性分析，根據(jù)填高不同，按土體抗剪強(qiáng)度相等的原理［15、18］反推φ、c值，統(tǒng)計(jì)出在不同動(dòng)峰值加速度作用下，不同φ、c值時(shí)滿足邊坡穩(wěn)定性要求的規(guī)范限值邊坡高度，以滿足穩(wěn)定條件時(shí)c值為最小，進(jìn)行列表，結(jié)果見(jiàn)表9和表10。

3.2.3 粗粒土邊坡的填料性質(zhì)要求

對(duì)比表1和表9、表10得出，高速公路、一級(jí)公路和二級(jí)公路，要求穩(wěn)定系數(shù)K≥1.1，設(shè)計(jì)時(shí)取規(guī)范中路基高度限值時(shí)，粗粒土路基填筑材料性質(zhì)應(yīng)滿足表11要求，否則應(yīng)降低路基高度、放緩坡率或加固邊坡處理。

4 結(jié)束語(yǔ)

地震（非浸水）地區(qū)的填方邊坡，由于地震力作用，JTG B02-2013《公路工程抗震規(guī)范》［14］路基高度限值條件下的邊坡，需對(duì)填筑材料進(jìn)行合理選擇。

4.1 細(xì)粒土填筑材料

高速公路、一級(jí)公路地震動(dòng)峰值加速度0.3g時(shí)要求選擇φ和c均不小于20且其中之一數(shù)值不小于25的填料，動(dòng)峰值加速度0.4g時(shí)選擇φ和c均不小于20的填料。

二級(jí)公路動(dòng)峰值加速度0.3g時(shí)無(wú)限高規(guī)定，按實(shí)際填料性質(zhì)進(jìn)行穩(wěn)定性分析；動(dòng)峰值加速度0.4g時(shí)，需采用φ不小于25°且c不小于20 kPa的填料。

不滿足條件的細(xì)粒土填筑的邊坡應(yīng)根據(jù)高度進(jìn)行穩(wěn)定性分析，不能直接套用規(guī)范中高度限值規(guī)定。

4.2 粗粒土填筑材料

天然粗粒土填料的粘聚力（細(xì)砂、極細(xì)砂除外）均能達(dá)到5 kPa，故可以認(rèn)為選擇規(guī)范規(guī)定的粗粒土填料在路基高度限值內(nèi)設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)進(jìn)一步材料性質(zhì)要求。

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［作者簡(jiǎn)介］王蓉（1977—），女，碩士， 高級(jí)工程師，從事路基、路面專業(yè)設(shè)計(jì)工作；甘善杰（1965—），男，碩士， 教授級(jí)高級(jí)工程師，從事路基、路面專業(yè)設(shè)計(jì)工作。