土質(zhì)臨時邊坡設(shè)計細(xì)部優(yōu)化

樂生耀路永衛(wèi)田華（天津市水利勘測設(shè)計院 天津 300204）

土質(zhì)臨時邊坡的設(shè)計主要是在與主體結(jié)構(gòu)相適應(yīng)且滿足施工要求的情況下，確定土坡斷面形式。其設(shè)計計算較為簡單，又受主體結(jié)構(gòu)制約。從津塘地區(qū)工程情況來看，只要降水效果理想，開挖深度8 m以內(nèi)，邊坡的穩(wěn)定性是有保證的，并且臨時土坡坡面設(shè)計時可以從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度優(yōu)化。

1 優(yōu)化坡面線

1.1 工程實例

地勘描述如下：某輸水管線工程，邊坡土質(zhì)由壤土、粘土組成，為粘性土均一結(jié)構(gòu)邊坡，臨時邊坡開挖深度約為8.0 m，開挖深度較大，建議4 m左右增設(shè)一級馬道。臨時邊坡坡比為水上1:1.5～1:2.0，水下1:2.0～1:2.5。地下水水位較高，存在于粘土和壤土中，為防止基坑邊坡在地下水作用下產(chǎn)生塑流變形，致使邊坡失穩(wěn)，建議工程施工時先進(jìn)行降水，然后再進(jìn)行基坑開挖。若進(jìn)行了有效降水，邊坡可適當(dāng)變陡。土體物理力學(xué)指標(biāo)建議值見表1。

表1 土體物理力學(xué)指標(biāo)建議值表

1.2 優(yōu)化前設(shè)計

依據(jù)地勘資料，要求工程施工前先進(jìn)行20 d左右降水，邊坡于挖深4 m處設(shè)置2 m寬馬道，由于地勘提供了水上水下的建議坡比，通過降水的折減，取用馬道以下坡比1:1.25，馬道以上坡比1:1。穩(wěn)定計算時，坡頂附加20 KPa施工荷載，考慮2 m的安全距離，馬道處增加5 KPa活荷載。采用簡化畢肖普法計算，自動搜索圓心坐標(biāo)，考慮地下水穩(wěn)定滲流作用。

為方便比較，坡面均取坡腳坐標(biāo)（0，0）；坡頂坐標(biāo)（11，8）。計算簡圖與結(jié)果如圖1：

圖1 坡面計算簡圖

計算得，滑動安全系數(shù)K=1.193>1.05，滿足要求。

1.3 優(yōu)化坡比設(shè)計

上述計算過程及方法并無問題，實際設(shè)計中亦可根據(jù)上述計算結(jié)果進(jìn)行設(shè)計。下面改變坡面形式，仍然在挖深4 m處設(shè)置2 m寬馬道，只是改變上下坡比，將馬道以上坡比變?yōu)?:1.25，馬道以下變?yōu)?:1。重新計算，計算簡圖如圖2所示。

圖2 坡比改變后計算簡圖

計算得滑動安全系數(shù)K=1.218>1.05，滿足要求。

從計算結(jié)果可以看出坡面線2要比坡面線1偏于安全，可是將兩坡面線首尾重合放置后（見圖3）發(fā)現(xiàn)，坡面1要比坡面2多挖陰影部分的土方。多挖了土方，滑動安全系數(shù)卻降低了，是否由于坡面線1的失穩(wěn)使局部抗滑穩(wěn)定破壞？針對這個疑問，我們假定坡面1和坡面2處于同樣的c=15，φ=20的均質(zhì)土體中，容重按19 kN/m3計，其他條件不變，重新計算坡面1、坡面2的滑動安全系數(shù)。經(jīng)計算，坡面1的K=1.277，而坡面2的K=1.305。計算簡圖分別見圖4、圖5。坡面2的滑動安全系數(shù)仍然比坡面1大。

圖3 兩坡面線首尾重合放置

圖4 坡面1計算簡圖

圖5 坡面2計算簡圖

為了解決這個疑問，我們首先從使用的計算程序著眼，程序的計算方法為簡化畢肖普法，屬于條分法的一種，其原理是先假定一個滑動面的形狀和位置（考慮最可能出現(xiàn)的滑動面），分析這個面上的滑動力與抗滑力，如果抗滑力或力矩大于滑動力或力矩有一定的安全系數(shù)，那么這個滑面就不可能發(fā)生，或者說這個滑動面的滑動安全系數(shù)很高。表面上看，坡面1比坡面2減少了陰影部分面積土體的下滑力矩，理應(yīng)比坡面2滑動安全系數(shù)高才對。

圖6 兩坡面滑弧的圓心及滑動面

我們將兩坡面滑弧的圓心及滑動面在同一坐標(biāo)中繪制出來（見圖6），發(fā)現(xiàn)坡面1雖然比坡面2多挖了圖3中陰影部分的土體，卻致使坡面1的最不利滑弧向土坡外側(cè)移動，從兩個滑動體的比較來看，坡面1比坡面2在靠近圓心側(cè)多挖了部分土方（圖3陰影部分），而遠(yuǎn)離圓心側(cè)增加了部分土方（圖4兩圓弧間部分），經(jīng)計算，兩部分土方體積相當(dāng)，多挖的土方并沒能有效減少滑動面上的滑動力?？梢娪嬎憬Y(jié)果確實無誤。

通過計算，圖3中陰影部分面積為4 m2，這表明單側(cè)坡面2每沿米比坡面1少挖4 m3土方，假設(shè)開挖斷面底寬10 m，則坡面2比坡面1形成的基槽節(jié)省了近5%的土方。

隨后我們又計算了將馬道高程變到挖深2 m、3 m、5 m處，保持馬道以下坡比1:1，馬道以上坡比1:1.25，以及無馬道的情況，計算安全系數(shù)分別為1.207、1.218、1.205、1.171。最終采用將馬道置于挖深3 m處，馬道上1:1.25，馬道下1:1，既偏于安全又減少工程量的開挖方案。

2 優(yōu)化細(xì)部結(jié)構(gòu)

2.1 失穩(wěn)分析

土質(zhì)邊坡的破壞總離不開水的作用，降水良好的土質(zhì)邊坡也容易受到氣象變化的破壞，如降雨、冰凍等。在津塘地區(qū)凍土深度為0.7 m，對開挖回填周期短的臨時邊坡幾乎沒有影響，最大的破壞就來自降水，無論是何種降水均增大了滑動體的自重，雨水侵入使土體的抗剪強(qiáng)度降低，力學(xué)性質(zhì)變差，雨水還會從坡面、坡頂?shù)谋∪跆帩B入土坡內(nèi)，帶走細(xì)顆粒，使滑動體更加不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)新的滑動面，在坡面的設(shè)計上減少水的作用是優(yōu)化的重點。

2.2 細(xì)部設(shè)計

針對降水我們一般遵循兩個原則：一是防止坡頂?shù)乃樒铝飨禄蛳聺B；二是降在坡面的水要盡快匯集以便排出。

這就要求坡頂靠近邊坡一側(cè)要稍高一點，且應(yīng)將坡頂做成一定的坡度，使水流能向遠(yuǎn)離邊坡的方向迅速流走，馬道也要做成一定坡度，坡度方向與坡頂相反，盡量減少降水滯留。但在馬道處盡量不設(shè)排水溝，那樣增加了下滲的風(fēng)險。雨季不宜使用塑料布將坡面全部覆蓋，覆蓋以后，邊坡的變形、失穩(wěn)前出現(xiàn)的裂縫等均無法觀測，大大增加了安全隱患。

土質(zhì)邊坡破壞方式為圓弧滑動破壞，在邊坡設(shè)計時應(yīng)當(dāng)充分考慮其破壞形式，將滑動體重心下移，有效減少滑動力矩，減少降水的破壞，能做到既經(jīng)濟(jì)又安全?！?/p>