重慶地區(qū)邊坡設(shè)計中下滑推力計算常見問題探討

張文正，薛尚鈴，周海鷹

（中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶 400013）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加快，土地資源愈加緊張。重慶作為典型的山區(qū)超級大都市，越來越多的工程修建于斜坡地帶，邊坡工程的數(shù)量、高度、難度、規(guī)模等也位于全國前列[1]。由于巖土工程的不確定性，很多邊坡工程在修建中或使用中出現(xiàn)了一定的安全事故。為了避免邊坡安全事故的產(chǎn)生，設(shè)計階段的準(zhǔn)確把握，邊坡破壞模式的充分分析、土壓力或下滑力的準(zhǔn)確計算，以及支擋結(jié)構(gòu)的合理選用等顯得至關(guān)重要[2]。本文列舉了重慶地區(qū)折線滑動及平面滑動下滑推力計算中的幾種常見問題，供設(shè)計人員在實際工程中參考。

1 下滑推力計算常見問題探討

1.1 折線滑動滑面轉(zhuǎn)折點傾角差大于10°

《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330-2013）的第5.2.4條文說明：沿土巖結(jié)合面破壞的折線滑動，計算下滑推力時，滑面轉(zhuǎn)折點處兩傾角差值大于10°時，應(yīng)對滑面進(jìn)行尖角消除，否則計算的下滑力誤差過大[3]。

1.1.1 誤差偏大原因分析[2]

圖1 不平衡推力計算簡圖

如圖1所示的不平衡推力簡圖，假定坡體從上向下滑動，土條i-1傳給土條i的力為Pi-1，該力對土條i來說，一方面使土條產(chǎn)生向下的下滑力，該力的大小為Pi-1cos(θi-1-θi)，另一方面使土條產(chǎn)生正壓力，增加土條i的抗滑力，該力的大小為：

其中Fs為坡體的穩(wěn)定系數(shù)，φ為滑面的內(nèi)摩擦角。因此Pi-1對土條i產(chǎn)生的綜合下滑力為△TFi-1,其表達(dá)式如下：

分析該式可得出如下結(jié)論：

（1）θi-1-θi＞0時，土條i-1的推力增加了土條i的正壓力，增加了抗滑力；

（2）θi-1-θi＝0時，土條i-1的推力不增加土條i的正壓力，不增加抗滑力；

（3）θi-1-θi＜0時，土條i-1的推力減小了土條i的正壓力，降低了抗滑力。若以θi-1-θi＝0時的穩(wěn)定系數(shù)作為基準(zhǔn)，那么當(dāng)θi-1-θi＞0時，分析得到的穩(wěn)定系數(shù)一般偏大，當(dāng)θi-1-θi＜0時，分析得到的穩(wěn)定系數(shù)偏小。對于一般滑坡來說，絕大部分的θi-1-θi＞0，因此其穩(wěn)定系數(shù)偏大,為了滿足工程設(shè)計計算的精度要求，需要兩折線滑動面的傾角差值控制在10°之內(nèi)。

1.1.2 計算示例

某折線滑動邊坡如圖2，滑面粘聚力C＝20kPa，內(nèi)摩擦角Φ=10°，各滑傾角分別為40°、30°、10°。 根據(jù)下滑推力隱式解法，當(dāng)安全系數(shù)取1.35時，下滑推力為535kN。對第二與第三條塊間的尖角進(jìn)行消除，重新劃分條塊如圖3，當(dāng)安全系數(shù)取1.35時，計算下滑推力為589kN。兩種情況計算的下滑推力誤差達(dá)10.1%。

圖2 尖角消除前條塊劃分

圖3 尖角消除后條塊劃分

表1、表2分別為尖角消除前和尖角消除后的下滑推力計算。

表1 尖角消除前下滑推力計算

表2 尖角消除后下滑推力計算

1.2 土巖結(jié)合面折線滑動時地下水考慮不充分

重慶地區(qū)的水文地質(zhì)條件較為簡單，地下水多為松散巖類孔隙水及基巖裂隙水。沿江岸的土質(zhì)滑坡、崩積坡和人工堆積層透水性強(qiáng)，地下水的動態(tài)變化受降雨及兩江水位變化的影響很大，在枯水期內(nèi)不含水或水位埋深大，洪水期時接受降雨及江水補(bǔ)給，堆積體大部分處于飽水狀態(tài)[4]。強(qiáng)降雨下的斜坡體，一部分雨水浸入巖土體，直至巖土體飽和形成地下滲流；另一部分雨水來不及入滲，在坡體表面產(chǎn)生坡面徑流。雨水入滲后，軟化巖土體，有效自重減小，抗剪強(qiáng)度降低，在動水壓力（滲透力）的共同參與下大大降低坡體穩(wěn)定性[5]。暴雨工況下土巖結(jié)合面滑動的邊坡，上部土體有可能會完全飽和，坡面產(chǎn)生徑流。此種情況下許多設(shè)計人員簡單考慮土體的飽和重度，對抗剪強(qiáng)度進(jìn)行一定的折減，計算時未考慮條塊的水壓力。

1.2.1 規(guī)范公式討論

我們先看下《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330—2013）A.0.3，如圖1。

式中：

Pn——第n條塊剩余下滑力；

Pi——第i計算條塊剩余下滑力；

Ti——第i計算條塊下滑力；

Ri——第i計算條塊抗滑力；

ψi-1——第i計算條塊對第i+1條塊的傳遞系數(shù)；

G——滑體單位寬度重量；

Gb——滑體單位寬度豎向附加荷載；

Q——滑體單位寬度水平荷載；

U——滑面單位寬度總水壓力。

公式中取整個條塊作為分析對象，地下水的影響通過條塊的底部水壓力U來體現(xiàn)。在不考慮水平力的情況下，我們來看剩余下滑力的另一種表達(dá)方式[6]，如圖4。該表達(dá)式是把土骨架作為分析對象。

邊坡穩(wěn)定性分析時可以把土骨架作為分析對象，也可以把包括水在內(nèi)的浸水土體作為研究對象，兩種方法本質(zhì)上是一致的。關(guān)鍵在于實際工程中應(yīng)根據(jù)實際情況進(jìn)行分析，充分研究地下水的影響程度，采用合適的計算方法。

圖4 考慮地下水浸潤線的下滑推力計算簡圖

式中：

Ast——浸潤線以上條塊面積；

Ab——浸潤線以下條塊面積；

γst——滑體天然重度；

γb——滑體飽和重度；

γu——滑體浮重度。

1.2.2 計算示例

某建筑邊坡如圖5所示，采用坡率1∶1開挖，坡面設(shè)置長3.0～3.5m土釘進(jìn)行支護(hù)。邊坡開挖過程中幾天連續(xù)暴雨，導(dǎo)致坡頂出現(xiàn)寬度達(dá)8cm長度數(shù)十米的裂縫，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)?；泼娣圪|(zhì)粘土參數(shù)為：天然參數(shù)C值取16kPa，Φ值取9°，飽和參數(shù)C值取10.8kPa，Φ值為5.4°。地勘單位計算書時未考慮水壓力，土體采用飽和重度，計算出下滑推力為555.5kN。此時因連降暴雨，滑體厚度不大，土體完全飽和，雨水沿坡面徑流，計算時應(yīng)計入地下水的影響，采用有效應(yīng)力法利用建議的下滑推力的表達(dá)式，重新計算出下滑力為733.3kN。

表3、表4分別為未考慮地下水壓力時和考慮地下水壓力時下滑力計算表格。

1.3 順層巖質(zhì)邊坡平面滑動下滑力計算問題

對沿外傾結(jié)構(gòu)面滑動的巖質(zhì)邊坡，誤用折線滑面?zhèn)鬟f系數(shù)穩(wěn)定性計算法，而未用主動土壓力計算公式進(jìn)行比較計算。

圖5 下滑推力計算簡圖

表3 未考慮地下水壓力時下滑力計算表格

表4 考慮地下水壓力時下滑力計算表格

例：如圖6所示，某順層巖質(zhì)邊坡高10m，巖層傾角60°，巖體重度25kN/m3,巖層面粘聚力C＝30kPa，內(nèi)摩擦角Φ＝15°。 邊坡安全等級為一級。利用《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330-2013）6.3.1： 得到土壓力水平分力E＝249.6kN/m；利用《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330-2013）A.0.3： 得到剩余下滑力水平分力E＝（625.7 -443.3/1.35）×COS60＝148.7kN/m。支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計計算時應(yīng)取二者計算的大值。

圖6 巖質(zhì)順層邊坡簡圖

2 結(jié)語

（1）土巖結(jié)合面破壞的折線滑動，計算下滑推力時，滑面轉(zhuǎn)折點處兩傾角差值大于10°時，應(yīng)對滑面進(jìn)行尖角消除，否則計算的下滑力誤差過大，影響結(jié)構(gòu)安全。

（2）暴雨工況下計算下滑力時不能簡單取飽和工況對抗剪強(qiáng)度進(jìn)行折減，當(dāng)滑坡體厚度不大時，連續(xù)降雨作用下加上巖體內(nèi)部滲出的地下水，滑體很容易達(dá)到飽和，坡面產(chǎn)生徑流，此種情況下計算下滑力時應(yīng)考慮地下水壓力。

（3）對沿外傾結(jié)構(gòu)面滑動的巖質(zhì)邊坡，應(yīng)當(dāng)采用《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330-2013）6.3.1與附錄A.0.3分別計算土壓力，取不利值進(jìn)行設(shè)計。

責(zé)任編輯：劉艷萍

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