剪脹角對土質(zhì)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的影響

陳忠源

（福州外語外貿(mào)學(xué)院，福建 福州 350202）

0 引 言

巖土體的剪脹性是指巖土體在剪切屈服過程中體積會(huì)增大或縮小的特性。材料在剪切過程中體積變化率可以用剪脹角來表示。一般來說，對于密實(shí)性砂性土或超固結(jié)粘土，在剪切過程中會(huì)表現(xiàn)出剪脹性，而對于松砂或正常固結(jié)土，在剪切過程中會(huì)表現(xiàn)出剪縮性。在有限元強(qiáng)度折減系數(shù)法中，巖土材料的抗剪強(qiáng)度參數(shù)c，φ，Ψ和所遵循的屈服準(zhǔn)則是影響安全系數(shù)的主要因素［1－3］。因此，是否以及如何考慮土體的剪脹角對邊坡穩(wěn)定的影響，對于合理進(jìn)行邊坡的設(shè)計(jì)，更為科學(xué)嚴(yán)密地進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析和失穩(wěn)預(yù)測，具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

對于剪脹角，國內(nèi)外學(xué)者做了很多的研究。張魯渝［4－6］等建議采用非關(guān)聯(lián)流動(dòng)準(zhǔn)則（Φ≠Q(mào)）來考慮剪脹性對邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的影響。張培文［7］認(rèn)為，安全系數(shù)隨剪脹角的增大而增大，在考慮剪脹性時(shí)，采用不同的屈服準(zhǔn)則對邊坡的安全系數(shù)是有很顯著的影響的。孫偉社［8］認(rèn)為，剪脹角對沉降和水平位移影響不大，對塑性應(yīng)變和塑性區(qū)范圍有明顯的影響。曹婷［9］認(rèn)為，在實(shí)際工程中宜對分層邊坡整體的剪脹角進(jìn)行折減并慎重取值?？祦喢鳎?0］建議，對于松散質(zhì)土（欠固結(jié)土）采用非關(guān)聯(lián)的法則，而對于一般砂土和粘土（正常固結(jié)土），應(yīng)對剪脹角進(jìn)行折減，并取內(nèi)摩擦角的1／3～1／2。

但是，大部分學(xué)者的研究均基于理論或數(shù)值模擬層面，工程上的實(shí)際應(yīng)用實(shí)踐較少。因此，文中在前人的研究成果基礎(chǔ)上，利用FLAC數(shù)值分析軟件，通過一系列的數(shù)值模擬探討了邊坡土體的剪脹性對邊坡穩(wěn)定分析中的安全系數(shù)的影響，同時(shí)，將它成功應(yīng)用于福建省莆田市秀嶼疏港公路沿海灘涂軟土地基上的高填方路堤邊坡優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算。

1 數(shù)值分析模型的選取

研究了不同類型的土體材料在不同的坡高下剪脹角對邊坡穩(wěn)定性的影響。這幾種土體材料分別為粘土、粉質(zhì)粘土、粉土以及砂土，它們的物理力學(xué)參數(shù)采用FLAC軟件內(nèi)置的土體材料參數(shù)，具體見表1（坡度取1∶1.5，坡角33.7°）。

表1 土體材料物理力學(xué)性質(zhì)表

剪脹角值按康亞明［10］建議，取其內(nèi)摩擦角的1／2。所建立的模型如圖1所示。

圖1 材料模型圖

對于淤泥、粘土、粉土材料，當(dāng)坡高取值不同時(shí)，其各個(gè)參數(shù)隨之同比例變化。對于砂土材料，由于坡底長度（Left）、下墊層厚度（Depth）以及坡頂長度（Right）對其邊坡安全系數(shù)影響較大，為了消除此影響，這三者分別取固定值30，30，40m。

2 數(shù)值模擬的數(shù)據(jù)分析

設(shè)不考慮剪脹角時(shí)，分析所得邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為F1，考慮剪脹角時(shí)安全系數(shù)為F2，其互差ΔF＝F2－F1，則ΔF為正表明考慮土體剪脹后安全系數(shù)較不考慮時(shí)要高，反之，ΔF為負(fù)表明考慮剪脹后安全系數(shù)較不考慮時(shí)要低。則對得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析后結(jié)果見表2～表5。

表2 剪脹角對粘土邊坡安全系數(shù)的影響

表3 剪脹角對粉質(zhì)粘土邊坡安全系數(shù)的影響

表4 剪脹角對粉土邊坡安全系數(shù)的影響

表5 剪脹角對砂土邊坡安全系數(shù)的影響

由上述表格可以看出：

1）考慮邊坡土體的剪脹性時(shí)，計(jì)算所得邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)一般高于不考慮剪脹時(shí)的安全系數(shù)。因此在邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)分析時(shí)應(yīng)該考慮剪脹的作用，這具有積極意義。

2）對于粘土和粉質(zhì)粘土邊坡，隨著坡高的增大，剪脹角對邊坡安全系數(shù)的影響呈增大的趨勢。因此，對于坡高較大的粘土和粉質(zhì)粘土邊坡更應(yīng)該考慮剪脹角的影響。

3）對于粉土或砂土邊坡，隨著坡高的增大，剪脹角對邊坡安全系數(shù)的影響呈降低的趨勢。

因此，對于坡高較小的粘土和粉質(zhì)粘土邊坡更應(yīng)該考慮剪脹角的影響。

3 工程應(yīng)用

秀嶼疏港公路為福建省莆田市重點(diǎn)工程，公路二期設(shè)計(jì)路幅為18m雙向四車道二級公路，遠(yuǎn)期道路建設(shè)用地紅線控制60m，道路功能為客貨混行公路，設(shè)計(jì)行車速度為60km／h。該公路有近4km路段經(jīng)過沿海灘涂軟土地基上，且部分路段填方達(dá)5～7m，屬于軟土地基上的高填方路堤。原設(shè)計(jì)由福建省某勘察設(shè)計(jì)院承擔(dān)，在較深厚軟土地基路段原設(shè)計(jì)單位采用在軟土路堤段堆載塑料排水板處理方法，設(shè)計(jì)計(jì)算中采用了北京理正軟土地基堤壩設(shè)計(jì)軟件，填土路堤總沉降按經(jīng)驗(yàn)系數(shù)分層總和法計(jì)算，主固結(jié)沉降采用e－p曲線法計(jì)算，路面超載（車輛荷載）按均布荷載考慮，路堤穩(wěn)定計(jì)算采用的是有效固結(jié)應(yīng)力法，是按基于圓弧滑動(dòng)假設(shè)的極限平衡法進(jìn)行分析的。由于該公路的建設(shè)單位莆田市秀嶼區(qū)交通建設(shè)投資有限公司對原設(shè)計(jì)方路堤及其反壓護(hù)道占用土地過多存在質(zhì)疑，筆者參與了對原設(shè)計(jì)軟基處理路段的計(jì)算校核和優(yōu)化設(shè)計(jì)工作，文中以該公路K5＋530～5＋600橫斷面為例進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算分析。

原設(shè)計(jì)單位設(shè)計(jì)該里程處路堤橫斷面如圖2所示。

圖2 設(shè)計(jì)計(jì)算橫斷面

土工參數(shù)見表6。

表6 設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)取值表

對原設(shè)計(jì)計(jì)算橫斷面進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，如圖3所示。

圖3 原設(shè)計(jì)斷面剪應(yīng)變增量等值云

可以看出，在軟土地基上拋填塊石本身是不穩(wěn)定的，其拋填過程中將出現(xiàn)連續(xù)貫通的塑性區(qū)，有向外側(cè)滑移的趨勢，這是由于拋石沒有粘聚強(qiáng)度的緣故。為保持拋填塊石自身的穩(wěn)定，在拋填石的表面及路堤坡面均需用漿砌塊石護(hù)面，護(hù)面垂直厚度按0.5m考慮。

從上面的計(jì)算校核可知，反壓護(hù)道設(shè)得過寬，過于保守，優(yōu)化設(shè)計(jì)中，采用數(shù)值模擬試算法確定所需反壓護(hù)道的填筑寬度，為滿足設(shè)計(jì)穩(wěn)定安全系數(shù)不低于1.20的要求，確定初步優(yōu)化的設(shè)計(jì)橫斷面（即橫斷面左右兩側(cè)在一級平臺(tái)處各縮減9m）如圖4所示。

圖4 初步優(yōu)化的的橫斷面

由于工程勘查資料沒有給出各個(gè)參數(shù)的剪脹角，文中取其摩擦角的1／2進(jìn)行分析。對其進(jìn)行數(shù)值分析可知，在考慮和不考慮剪脹角的影響情況下，該初步優(yōu)化的安全系數(shù)分別為1.25和1.28，如圖5和圖6所示。

圖5 不考慮剪脹角時(shí)初步優(yōu)化設(shè)計(jì)斷面最大剪應(yīng)變增量等值云

圖6 考慮剪脹角時(shí)初步優(yōu)化設(shè)計(jì)斷面最大剪應(yīng)變增量等值云

考慮剪脹角后斷面的安全系數(shù)又相對提高了一些。為了達(dá)到優(yōu)化目的，進(jìn)一步降低工程費(fèi)用，再次對該橫斷面進(jìn)行優(yōu)化，即橫斷面左右兩側(cè)在一級平臺(tái)處再各縮減0.5m。再對其進(jìn)行數(shù)值分析可知其安全系數(shù)為1.25，符合建設(shè)單位的要求，如圖7所示。

圖7 考慮剪脹角時(shí)最終優(yōu)化設(shè)計(jì)斷面最大剪應(yīng)變速率等值云

該工程現(xiàn)已完工并通車，從工程完工后監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，路基的變形一直在允許范圍之內(nèi)，現(xiàn)已基本穩(wěn)定。由此說明，考慮剪脹角的作用并對其優(yōu)化設(shè)計(jì)是可行的。

4 結(jié)論與建議

文中通過數(shù)值模擬試驗(yàn)分析了剪脹角對不同類型土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響，并對莆田市秀嶼疏港公路沿海灘軟土路堤進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用。文中研究得到以下結(jié)論及建議：

1）邊坡土體的類型不同，土體的剪脹性對邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的影響不同，但其對穩(wěn)定性的影響大多是有利的。隨著邊坡坡高的增加，對于粘土或粉質(zhì)粘土邊坡，其有利的作用隨之增強(qiáng)，而對于粉土或砂土邊坡，其有利的作用隨之減弱。

2）通過對莆田市秀嶼疏港公路沿海灘軟土路堤的實(shí)例分析可以看出，適當(dāng)考慮剪脹角對坡體穩(wěn)定的影響不僅符合工程實(shí)際，也可達(dá)到降低工程造價(jià)的目的。為了方便工程上的應(yīng)用，在上述數(shù)值模擬分析以及工程的實(shí)際優(yōu)化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上認(rèn)為：對于土質(zhì)材料以粘土或粉質(zhì)粘土為主的邊坡，考慮剪脹角后的安全系數(shù)可在其原不考慮的基礎(chǔ)上增加0.03；而對于土質(zhì)材料以粉土或砂土為主的邊坡，考慮剪脹角后的安全系數(shù)可在其原不考慮的基礎(chǔ)上增加0.02。

3）文中研究結(jié)論主要是從對均質(zhì)土邊坡的數(shù)值模擬分析得出的，對于實(shí)際工程中非均質(zhì)成層土邊坡，由于剪脹性的考慮對不同土體的穩(wěn)定性影響規(guī)律可能不同，最終對整個(gè)邊坡土體穩(wěn)定性分析的影響如何也是值得研究的一個(gè)問題，將對其進(jìn)行進(jìn)一步研究。

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