綜合內(nèi)摩擦角法在邊坡坡率優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

在公路、鐵路及市政道路路塹設(shè)計(jì)時(shí)，坡率法是最常用的方法，確定合理坡率是該法最為關(guān)鍵的過程：坡率過陡，會(huì)導(dǎo)致邊坡巖土體垮塌，嚴(yán)重者甚至?xí)纬苫拢黄侣蔬^緩，會(huì)造成土石方開挖數(shù)量增大，投資大量增加。對(duì)于地層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、巖土體性質(zhì)變化不大且較均勻的土質(zhì)或巖質(zhì)邊坡的整體穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)時(shí)，最常用、最基本的方法就是巖土體綜合內(nèi)摩擦角φd法。本文就該法在四川廣南高速公路廣元連接線（萬源至龍?zhí)抖危㎏0+000～K0+200段左側(cè)路塹邊坡坡率優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)說明。

工點(diǎn)概況

該工點(diǎn)處于廣南高速公路廣元連接線萬源至龍?zhí)抖?，本?xiàng)目于2013年5月開工，2014年底交工，路線全長(zhǎng)11.31km，采用二級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)時(shí)速為60km，路基寬度12m，公路-Ⅰ級(jí)荷載標(biāo)準(zhǔn)。本文所介紹的邊坡位于該段公路K0+000～K0+200段左側(cè)的土質(zhì)路塹上，設(shè)計(jì)為全斷面開挖，設(shè)計(jì)挖深最大達(dá)22m,橫斷面為三級(jí)邊坡，平臺(tái)寬度2m，最初設(shè)計(jì)坡比為第一級(jí)1∶1、第二級(jí) 1∶1.25、第三級(jí) 1∶1.50。路基開挖工作于2013年6月初開始，2014年5月初邊坡坡面及坡口平臺(tái)地帶出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

場(chǎng)地工程地質(zhì)條件

該路段處于四川盆地北部弧形山脈北東弧向東南弧過渡的山間河谷部位，位于河流右岸一級(jí)階地后緣與坡地過渡地帶，其原始地形為緩坡臺(tái)地，地表受農(nóng)耕活動(dòng)影響呈梯坎狀；斜坡坡向約277°，坡度約10°。場(chǎng)地西端約120m處附近有季節(jié)性小河自南向北流過。

本區(qū)斷裂構(gòu)造不發(fā)育，場(chǎng)地及其附近無自然滑坡、崩塌、泥石流及采空區(qū)分布；巖層具單斜構(gòu)造特征，地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，屬于地殼活動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定區(qū)；地震設(shè)防烈度為Ⅶ度，峰值加速度為0.10g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.40s。

場(chǎng)地地下水賦存于沖洪積形成的卵石土內(nèi)，水位埋深低于路面標(biāo)高約8.50m,補(bǔ)給來源主要為河水，其次為大氣降雨，水量較豐富，滲透系數(shù)為80m/d～85m/d。

據(jù)地質(zhì)勘察資料可知，場(chǎng)地內(nèi)主要為崩坡積含碎塊石粉質(zhì)黏土，厚約15m～17m，可塑至硬塑，中壓縮性，含約10%～20%砂、泥巖碎塊石，為非膨脹性土壤，土質(zhì)較均勻；該層之下為沖洪積稍密狀卵石土，厚約1m～2m?；鶐r為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組巖層，巖性為泥巖夾厚層或薄層泥質(zhì)砂巖，埋深17m～18m，基巖面坡度約5°～6°，其強(qiáng)風(fēng)化層厚約1.50m～2.0m；巖層產(chǎn)狀155°∠13°，巖層逆坡向產(chǎn)出。

表1 粉質(zhì)黏土物理力學(xué)性質(zhì)統(tǒng)計(jì)表

據(jù)原位測(cè)試、室內(nèi)試驗(yàn)資料可知，場(chǎng)地巖土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

綜合內(nèi)摩擦角φd法應(yīng)用

綜合內(nèi)摩擦角φd亦稱等效內(nèi)摩擦角，該法適用于巖土體性質(zhì)變化不大、分布較均勻的土質(zhì)或巖質(zhì)邊坡的整體穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)，屬于定性判斷的范疇。由于此段路塹邊坡全斷面呈現(xiàn)土質(zhì)較均勻、厚度大、基巖面緩傾、無不良結(jié)構(gòu)面分布的基本特征，符合綜合內(nèi)摩擦角φd法的使用條件，綜合內(nèi)摩擦角Φd的計(jì)算公式推導(dǎo)如下：

因τ=σ＊tan(φ)+c=σ＊tan(φd)，則 tan(φd)=tan(φ)+c/σ

因 σ=0.5＊γ＊h＊cos(θ)，則 φd=atan(tan(φ)+2＊c/（γ＊h＊cos(θ)）)

式中：τ——剪應(yīng)力，σ——正應(yīng)力，γ——容重（kN/m3）；c——黏聚力（KPa），φ——內(nèi)摩擦角（度）；θ——邊坡破裂角，為45°+φ/2；h——邊坡最大高度，一般不得超過25m。

φd值計(jì)算結(jié)果，對(duì)于軟巖、極軟巖時(shí)因巖體的流變效應(yīng)影響應(yīng)對(duì)φd值進(jìn)行適當(dāng)折減。

穩(wěn)定性判定標(biāo)準(zhǔn)如下：當(dāng)θ=φd時(shí)，邊坡巖土體處于極限平衡狀態(tài)；當(dāng)θ＜φd時(shí)，邊坡巖土體處于整體穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)θ＞φd時(shí)，邊坡巖土體處于整體非穩(wěn)定狀態(tài)。

將γ=21.18kN/m3、h=22m、c=33.50kPa、φ=12.20 °帶入公式計(jì)算，可知該段土質(zhì)路塹邊坡綜合內(nèi)摩擦角φd=19.90°。顯然，要保證該路塹邊坡在施工或使用過程中不發(fā)生開裂或巖土體坍塌，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使路塹邊坡坡角不大于綜合內(nèi)摩擦角φd=19.90°。

該段土質(zhì)路塹初擬設(shè)計(jì)情況為：設(shè)計(jì)挖深最大達(dá)22m，橫斷面為3級(jí)邊坡形式，第一級(jí)1∶1、第二級(jí)1∶1.25、第三級(jí)1∶1.50，每級(jí)平臺(tái)寬度2m，人工邊坡綜合坡比為1∶1.45，路塹邊坡整體坡度為35°，明顯大于土體綜合內(nèi)摩擦角。項(xiàng)目開工后，按此設(shè)計(jì)方案開挖路基，半年后邊坡坡面及坡口地帶出現(xiàn)開裂、局部巖土體滑塌現(xiàn)象。后對(duì)該段路塹邊坡進(jìn)行了較詳實(shí)的巖土施工勘察，在準(zhǔn)確掌握了主要巖土層物理力學(xué)參數(shù)后，采用slide6.0法、綜合內(nèi)摩擦角法對(duì)路塹邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性綜合分析，得知該段土質(zhì)路塹邊坡變形基本為開挖坡比過大造成淺層滑塌。并且，結(jié)合場(chǎng)地地形地質(zhì)條件及21號(hào)規(guī)劃道路設(shè)計(jì)情況，對(duì)抗滑樁加固方案與坡率法路塹方案進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。結(jié)果顯示，鑒于21號(hào)規(guī)劃道路路基將存在土石方開挖情況，只要坡頂不存在較大規(guī)模的堆載、嚴(yán)重的施工破壞與擾動(dòng)，坡體整體較穩(wěn)定。

因此本著節(jié)約投資、施工方便、技術(shù)可靠的原則最終選擇按綜合內(nèi)摩擦角φd=20°進(jìn)一步放緩坡比，并調(diào)整了邊坡各級(jí)坡率及平臺(tái)寬度，業(yè)主按優(yōu)化后的坡率方案進(jìn)行施工，經(jīng)過3年多的使用，效果良好，邊坡穩(wěn)定。

結(jié)語

本文對(duì)廣南高速公路廣元連接線新建工程萬源至龍?zhí)禟0+000～K0+200段左側(cè)路塹邊坡坡率方案，采用巖土體綜合內(nèi)摩擦角法的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作進(jìn)行了介紹與經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。結(jié)果表明，綜合內(nèi)摩擦角法是確定均質(zhì)巖土層路塹邊坡合理坡率較可靠的方法，該法不僅計(jì)算過程簡(jiǎn)單，而且通過此法確定的路塹邊坡的坡率方案具有安全穩(wěn)定系數(shù)高、造價(jià)低及便于實(shí)施的優(yōu)點(diǎn)，能夠達(dá)到工程建設(shè)對(duì)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、安全的綜合要求，可作為同類工程設(shè)計(jì)參考使用。