瑞典條分法在公路邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用

肖迎春，周宗紅，王 昌，王海泉，楊昆平(.昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093；.北京中景恒基建筑裝飾工程有限公司，北京 0005)

瑞典條分法在公路邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用

肖迎春1，周宗紅1，王 昌1，王海泉1，楊昆平2
(1.昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093；2.北京中景恒基建筑裝飾工程有限公司，北京 100052)

【摘 要】針對(duì)云南省尋甸縣某露天煤礦公路的地質(zhì)和邊坡現(xiàn)狀，采用《巖土工程系列軟件》中邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算程序，運(yùn)用極限平衡原理的瑞典條分法，對(duì)該公路進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析，計(jì)算其最不利滑動(dòng)面所在位置、穩(wěn)定安全系數(shù)和抗滑推力，判斷邊坡是否穩(wěn)定，進(jìn)而提出合理的治理措施，為滑坡治理提供理論依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】瑞典條分法；公路邊坡； 穩(wěn)定性分析

1　引言

滑坡是指構(gòu)成斜坡的巖土體沿一定的軟弱面或軟弱帶作整體、緩慢、間歇向下滑動(dòng)的不良地質(zhì)現(xiàn)象[1-2]。巖體所受應(yīng)力不均導(dǎo)致應(yīng)力集中或產(chǎn)生張應(yīng)力區(qū)，促使產(chǎn)生新的變形，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)巖體抗剪強(qiáng)度時(shí)，巖體破壞導(dǎo)致滑坡[3]。在近百年的滑坡災(zāi)害研究中，每年都有數(shù)千篇的研究成果及文獻(xiàn)資料，但滑坡災(zāi)害依然與日俱增[4]。在當(dāng)今巖土工程中，邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題依然是最為活躍的課題之一[5]。對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析計(jì)算是進(jìn)行邊坡治理的前提，邊坡穩(wěn)定性通常用穩(wěn)定性安全系數(shù)來(lái)表示。極限平衡法是基于平衡理論的數(shù)學(xué)模型計(jì)算分析方法，目前，在工程應(yīng)用中，一般選擇在某一強(qiáng)度條件下，假定出現(xiàn)滑裂面且形狀為圓弧滑動(dòng)，滑動(dòng)體為不變形的剛塑體，運(yùn)用極限平衡理論進(jìn)行受力分析，忽略土體應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，求得假定滑動(dòng)面的平均穩(wěn)定性安全系數(shù)[5-7]。

極限平衡原理的瑞典條分法在進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析時(shí)，忽略相鄰?fù)翖l間相互作用力的影響。相關(guān)經(jīng)驗(yàn)證明，當(dāng)條寬不大時(shí)，在邊坡穩(wěn)定性分析中，忽略條間力作用對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不顯著[8]。瑞典條分法計(jì)算出的安全系數(shù)與JanBu法、簡(jiǎn)化Bishop法相比較為保守，數(shù)值偏低，但鑒于計(jì)算方便，故仍是目前工程中較為常用的方法[9]。

針對(duì)云南省尋甸縣某露天煤礦公路的地質(zhì)條件，運(yùn)用理正軟件建立計(jì)算模型，并采用瑞典條分法對(duì)地質(zhì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，充分考慮地震力對(duì)其穩(wěn)定性的影響，計(jì)算出最不利滑動(dòng)面所在位置、穩(wěn)定安全系數(shù)和抗滑推力，判斷邊坡穩(wěn)定性，進(jìn)而提出合理的治理措施，為滑坡治理提供科學(xué)的理論依據(jù)。

2　工程背景

滑坡區(qū)位于某煤礦礦部辦公樓北側(cè)約30.0m位置處，新建道路右側(cè)擋墻周?chē)?，其東南—西北(滑坡主軸)長(zhǎng)約50m，西南—東北寬約80.0m?；聟^(qū)總體呈東南—西北向。根據(jù)勘察查明，滑坡滑動(dòng)(帶)面埋深在2.6～7.5m之間，平均埋深約為4.6m，滑坡后緣張拉裂縫水平距離約在5.0～50.0cm間，平均約為30.0cm；垂直落差在0～120.0cm間，平均約為40.0cm，西南角落差最大。

擬建場(chǎng)地總體屬于中山構(gòu)造剝蝕地貌單元，溝谷斜坡地形，地勢(shì)上呈南高北低，向小河傾斜態(tài)勢(shì)。地形平均坡度角15～30°，局部呈陡坎地形，雨季時(shí)易形成表土溜滑及淺層滑動(dòng)。場(chǎng)地最高點(diǎn)約2 165.0m，最低點(diǎn)約2 150.0m，相對(duì)高差約15.0m。云南省尋甸縣抗震防裂度為9度。

滑體主剖面地質(zhì)特征為①層素填土：厚度在0.8m～6.80m之間；②層粉質(zhì)粘土：厚度在0.90～5.60m之間；②1層卵石：厚度在1.50～4.30m之間；③1層淤泥質(zhì)土：厚度在0.20～2.30m之間；③層粉質(zhì)粘土：厚度在0.50～9.80m之間；④層粉質(zhì)粘土：層頂埋深在9.60～17.20m之間。工程地質(zhì)坡面圖見(jiàn)圖1。

圖1　工程地質(zhì)剖面圖

由于暴雨等自然因素影響，該段道路出現(xiàn)了路基下沉，路面破壞變形嚴(yán)重，已不能正常使用；道路擋墻損毀嚴(yán)重，發(fā)生彎曲變形，產(chǎn)生傾斜，擋墻多處已被錯(cuò)斷；原始地貌出現(xiàn)鼓脹、鼓張裂縫、地表開(kāi)裂變形，原始地形坡度變化較大。場(chǎng)地內(nèi)填土回填時(shí)間較短，土體顆粒級(jí)配較差，富含孔隙，容易賦存地表水，從而增加了土體自重，降低土體物理力學(xué)性質(zhì)?，F(xiàn)用擋墻變形嚴(yán)重，力學(xué)性質(zhì)大幅下降，按不利組合考慮，擬建建筑場(chǎng)地土類(lèi)型為中軟土。該滑坡在前期滑動(dòng)后，目前處于緩慢蠕動(dòng)狀態(tài)，在暴雨及其他條件(如地震等)下易加速滑動(dòng)，故對(duì)該邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行定性定量分析，根據(jù)確定的滑動(dòng)面對(duì)滑坡下滑力進(jìn)行計(jì)算，為滑坡治理合理支護(hù)提供理論依據(jù)。

3　瑞典條分法原理及應(yīng)用

瑞典條分法是由瑞典學(xué)者W·Fellenius基于瑞典圓弧法提出來(lái)的，將假定滑動(dòng)面上的土體離散成具有垂直邊界的剛體條塊，對(duì)作用于土條上的力進(jìn)行分析，在極限平衡狀態(tài)下，求出穩(wěn)定安全系數(shù)。瑞典條分法忽略相鄰?fù)翖l間作用力、土體中孔隙水壓力的影響，計(jì)算量小，原理簡(jiǎn)單，是極限平衡方法中最為簡(jiǎn)單、古老、實(shí)用的一種分析方法[10]。瑞典條分法的力學(xué)模型如圖2所示，推導(dǎo)公式如下。式中：Fs——穩(wěn)定系數(shù)；

圖2　瑞典條分法力學(xué)模型

Wi——第i塊段滑體所受的重力(kN/m)；

αi——第i塊段土滑動(dòng)面法線(xiàn)與豎直線(xiàn)的夾角；

ci——第i塊段土的粘聚力(kPa)；

φi——第i塊段土的內(nèi)摩擦角(°)；

li——第i塊段滑動(dòng)面長(zhǎng)度(m)；

i ——分析條塊序數(shù)(i =1，2，…，n)；

n ——分塊數(shù)。

在不考慮水壓力作用的情況下，通過(guò)理正巖土計(jì)算軟件，采用瑞典條分法，對(duì)云南省尋甸縣某露天煤礦公路進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算，自動(dòng)搜索最危險(xiǎn)滑動(dòng)面，計(jì)算下滑力與抗滑力的差值[11]，采用極限平衡法分析最不利滑動(dòng)面的位置及滑動(dòng)安全系數(shù)，并與其邊坡穩(wěn)定時(shí)的安全系數(shù)值(F =1.20)進(jìn)行比較。若＞F 值，說(shuō)明該邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；若＜F 值，則邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，需要采用相應(yīng)的維護(hù)措施，使邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)[12]。

由地質(zhì)勘探資料以及針對(duì)各主要巖土層取樣進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)，得出各層地基土物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1　各巖土層物理力學(xué)指標(biāo)

3.1 計(jì)算模型

計(jì)算條件：①滑裂面形狀：圓弧滑動(dòng)法；②圓弧穩(wěn)定分析方法：瑞典條分法；③土條切向分力與滑動(dòng)方向反向時(shí)當(dāng)下滑力對(duì)待；④圓弧穩(wěn)定計(jì)算目標(biāo)：自動(dòng)搜索最危險(xiǎn)滑裂面，計(jì)算安全系數(shù)；⑤條分法的土條寬度：0.50m；⑥搜索時(shí)的半徑步長(zhǎng)：5.00m；⑦搜索時(shí)的圓心步長(zhǎng)：5.00m。

3.2 坡面信息

根據(jù)該露天煤礦公路的邊坡實(shí)測(cè)設(shè)定，將邊坡分成14個(gè)坡面，通過(guò)理正軟件建立模型，并且計(jì)算出14個(gè)坡面的水平投影和豎直投影，坡面線(xiàn)段具體設(shè)定值見(jiàn)表2。

表2　坡面信息

3.3 計(jì)算結(jié)果

為計(jì)算方便，對(duì)工程圖進(jìn)行了鏡像處理，計(jì)算結(jié)果簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3　最危險(xiǎn)滑動(dòng)面及其安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果圖

計(jì)算結(jié)果：①最不利滑動(dòng)面：滑動(dòng)圓心0.400，45.678m；②滑動(dòng)半徑45.679m；③滑動(dòng)安全系數(shù)0.214；④總的下滑力9 048.383kN；⑤總的抗滑力1 932.339kN；⑥土體部分下滑力9 048.383kN；⑦土體部分抗滑力1 932.339kN。

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)分析，安全系數(shù)＜1.00屬于不穩(wěn)定狀態(tài)，通過(guò)上述分析計(jì)算可得，滑動(dòng)安全系數(shù)為0.214，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿(mǎn)足本滑坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)1.20的要求，由此可知邊坡極易發(fā)生剪切滑移破壞。此外，現(xiàn)場(chǎng)變形跡象和穩(wěn)定性計(jì)算均表明，該滑坡在前期滑動(dòng)后，仍處于緩慢的蠕動(dòng)滑移狀態(tài)，為防止其進(jìn)一步擴(kuò)大，影響上部房屋建筑，應(yīng)盡早進(jìn)行治理。

4　結(jié)語(yǔ)

(1) 理正巖土計(jì)算軟件在進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析時(shí)更加直觀、快速、有效，采用極限平衡原理的瑞典條分法，能有效計(jì)算出最不利滑動(dòng)面所在位置，提高工作效率，對(duì)滑坡的快速有效治理具有深遠(yuǎn)的意義。

(2) 在露天礦開(kāi)采過(guò)程中，邊坡的穩(wěn)定性與人們的生活以及礦山生產(chǎn)息息相關(guān)。因而制定邊坡監(jiān)管制度，及時(shí)發(fā)現(xiàn)邊坡問(wèn)題，并采取抗滑支擋、土體加固、防滲排水等綜合治理方法，應(yīng)作為礦山開(kāi)采及采后維護(hù)的一個(gè)重要方面。

(3) 針對(duì)云南尋甸縣該道路滑坡問(wèn)題，建議采用抗滑墻進(jìn)行治理，并將抗滑墻置于原有擋墻位置處。為防止雨季地表水下滲引起新的次生災(zāi)害，應(yīng)對(duì)場(chǎng)地及周?chē)牡乇碜龇忾]和排水處理，實(shí)施坡面夯實(shí)防滲，對(duì)松散易滲的表面土體整平夯實(shí)，同時(shí)可以種植草皮，緩解地表水對(duì)滑坡體表面的沖刷。嚴(yán)禁坡面廢棄物堆積，尤其是廢石，要及時(shí)清理堆積物，加強(qiáng)坡面維護(hù)與管理。

【參考文獻(xiàn)】

[1]黎科.淺談抗滑樁的設(shè)計(jì)[J].中國(guó)化工貿(mào)易,2010(2):63-64.

[2]湯康民,彭胤宗.巖土工程[M].武漢:武漢理工大學(xué)出版社, 2001.

[3]欒婷婷,謝振華,張雪冬.露天礦山高陡邊坡穩(wěn)定性分析及滑坡預(yù)警技術(shù)[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2013,9(4):11-16.

[4]時(shí)衛(wèi)民,鄭穎人,唐伯明.滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法的探討[J].巖土力學(xué),2003,24(4):545-548,552.

[5]張飛,崔志平,鞏志忠,等.Bishop法在尖山鐵礦邊坡穩(wěn)定分析中的應(yīng)用[J].有色金屬,2012,64(3):72-74.

[6]寇海磊.土坡穩(wěn)定性分析方法綜述[J].價(jià)值工程,2010,29(13): 83-84.

[7]許甲存,羅海東,卞海文.瑞典條分法在南京江寧河邊坡穩(wěn)定計(jì)算中的應(yīng)用[J].城市道路與防洪,2012(1):74-76.

[8]徐自享,聶云峰.滑坡治理中的抗滑樁設(shè)計(jì)[J].卷宗,2013(6): 220-221.

[9]李克鋼.巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析及變形預(yù)測(cè)研究[D].重慶:重慶大學(xué),2006.

[10]潘九根,柳正剛.關(guān)于邊坡治理穩(wěn)定性安全系數(shù)的一些研究[J/ OL].城市建設(shè)理論研究,2012(5):1-9.

[11]李政鈞,呂增森,饒紹平.瑞典條分法在類(lèi)土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析及應(yīng)用[J].中國(guó)水運(yùn),2012,12(S1):197-200.

[12]張向東,張玉,張波,等.考慮孔隙水壓力的瑞典條分法優(yōu)化與改進(jìn)[J].力學(xué)季刊,2013,34(4):643-649.

The Uses of Swedish Slice Method in Road Slope Stability Analysis

XIAO Ying-chun1, ZHOU Zong-hong1, WANG Chang1, WANG Hai-quan1, YANG Kun-ping2
(1.Faculty of Land and Resource Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China; 2.Beijing Cking Home-key Building Decoration Engineering Co., Ltd., Beijing 100052, China)

Abstract:Based on a new road which located in Xundian county of Yunnan province slop status and the actual geological conditions, the slope stability is analyzed. By using series software of geotechnical engineering, stability safety factor and force of sliding prevention is calculated.So as to judge whether it is stable or not. Reasonable measures is made to provide theoretical basis for Landslide treatment.

Key words:Swedish slice method; road slope; slope stability analysis

【收稿日期】2014-11-20

【文章編號(hào)】1007-9386(2015)04-0060-03

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【中圖分類(lèi)號(hào)】TU43