公路邊坡穩(wěn)定性影響因素分析

彭 勇，潘 瑞

（中國市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，四川 成都610000）

隨著國家“西部大開發(fā)”戰(zhàn)略的大力推進(jìn)和“一帶一路”發(fā)展規(guī)劃的提出，我國基礎(chǔ)交通設(shè)施的投資建設(shè)逐漸推進(jìn)。公路工程作為提高當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)水平的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，其建設(shè)步伐也日益加快[1]。但是由于我國各地區(qū)地形地貌差異較大、水文地質(zhì)條件復(fù)雜等因素的影響，再加上我國人口眾多但耕地較少，在公路規(guī)劃路線時(shí)要遵循盡可能地少占用耕地的原則，這使得公路工程勘察設(shè)計(jì)難度更大，在建設(shè)過程中會(huì)形成大量工程邊坡。裸露的邊坡坡面在短時(shí)強(qiáng)降雨、持續(xù)性降雨、氣候變化、凍融作用等因素干擾下，會(huì)導(dǎo)致沖蝕、剝落、泥石流等邊坡淺層病害，邊坡淺層病害的發(fā)展到一定程度會(huì)影響邊坡的整體穩(wěn)定性，影響公路的正常使用和安全[2]，甚至造成重大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。因此，在公路修建過程中時(shí)，必須針對公路邊坡的安全性展開深入地分析。這樣不僅能更好地保證公路整體項(xiàng)目的建設(shè)水平，還可以為類似公路的建設(shè)理論指導(dǎo)，從而推動(dòng)我國公路建設(shè)水平的快速發(fā)展。

1 公路邊坡失穩(wěn)原因及破壞形態(tài)

1.1 公路邊坡失穩(wěn)原因

造成公路邊坡失穩(wěn)的原因有很多，大部分與當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件、地形地貌有很大的關(guān)系[3]，其中最為主要的有以下幾點(diǎn)：（1）邊坡的巖石節(jié)理較為發(fā)育，同時(shí)又受到風(fēng)化作用的影響，進(jìn)而造成巖石的強(qiáng)度隨著時(shí)間大大降低，各項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)均明顯下降，待到指標(biāo)均降低到維持邊坡穩(wěn)定的最低水平，而造成邊坡的失穩(wěn)。（2）在滑坡地段，未能對巖土體的各項(xiàng)性質(zhì)進(jìn)行深入的分析，在設(shè)計(jì)的過程中依舊采用較大的坡比，而在施工的過程中也未能根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際狀況而及時(shí)地進(jìn)行調(diào)整，依舊按照原來的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行開挖，因而并不能保證邊坡自身的穩(wěn)定性。（3）在邊坡開挖完成之后，并未及時(shí)采取相應(yīng)的有效保護(hù)措施，導(dǎo)致邊坡上的巖土體長期暴露，經(jīng)受陽光和雨水的長期風(fēng)化和沖刷，使得巖土體的各項(xiàng)參數(shù)下降，坡體失穩(wěn)。（4）山區(qū)的降雨量較大，雨水可以沿著邊坡的表面滲入邊坡內(nèi)部。巖土體受到孔隙水的影響，降低了巖土體的強(qiáng)度參數(shù)，增大了邊坡的下滑力，降低了穩(wěn)定性，巖土體也發(fā)生了軟化，降低了邊坡的抗滑力。

1.2 常見的邊坡破壞的形態(tài)

（1）滑坡。滑坡即邊坡的坡體沿著不利結(jié)構(gòu)面或者是軟弱的夾層整體向下滑動(dòng)，從而破壞了路基路面，對行車產(chǎn)生了安全威脅，對經(jīng)濟(jì)也造成了損失。（2）崩塌。崩塌即部分巖土體經(jīng)受日常風(fēng)化在雨水的沖刷下沿著破裂面從邊坡上方崩落而下，堆積在道路中造成交通的中斷，崩塌最大的特點(diǎn)就是具有突發(fā)性。（3）坍塌。坍塌即邊坡表面松散的巖土體在強(qiáng)降雨的作用下被軟化，強(qiáng)度急劇降低從而引起上部邊坡的失穩(wěn)。

2 公路邊坡穩(wěn)定性分析方法

2.1 剛體極限平衡法

剛體極限平衡法是基于剛體極限平衡理論，并假定邊坡沿著滑動(dòng)面出現(xiàn)剛性滑動(dòng)。剛體極限平衡法在求解時(shí)，首先，應(yīng)基于摩爾-庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則，把滑動(dòng)范圍的巖體劃分成若干個(gè)小塊體；其次，根據(jù)巖體塊體的力學(xué)平衡公式來建立方程；最后，根據(jù)此方程求出邊坡的穩(wěn)定系數(shù)。剛體極限平衡法的不同算法假定的前提條件不同，邊坡各塊體的相互作用關(guān)系不同，計(jì)算結(jié)和計(jì)算精確度也略有差異。

（1）簡化Bishop 法。簡化Bishop 法假設(shè)路塹邊坡的滑動(dòng)面為圓弧型，在計(jì)算時(shí)只考慮了各塊體間水平方向的作用力，而沒有考慮其豎直方向的剪切力。與此同時(shí)，簡化Bishop 法忽略巖塊間的豎向作用力也會(huì)存在一定的缺陷，使得計(jì)算精度和計(jì)算準(zhǔn)確性相對不高。

（2）Morgenstern-Prince 法。Morgenstern-Prince法適用于非圓弧滑動(dòng)面的穩(wěn)定性分析，該法相對于剩余推力法具有很大優(yōu)勢，但假定條件較為復(fù)雜，且該方法發(fā)展較慢且在實(shí)際工程的應(yīng)用偏少。

（3）通用條分法。通用條分法在計(jì)算時(shí)假設(shè)邊坡的每一塊體均滿足水平和豎向的靜力平衡和力矩平衡，故也屬于嚴(yán)格的條分法范疇。相對于簡化Bishop 法和Morgenstern-Prince 法而言，通用條分法的計(jì)算體系更加完成，計(jì)算的精確度更符合實(shí)際情況。

2.2 有限元分析法

有限元計(jì)算軟件能夠根據(jù)計(jì)算出的坡體的應(yīng)變場、應(yīng)力場、塑性位移場等參數(shù)的分布情況，得到邊坡潛在滑動(dòng)面的位置和滑動(dòng)趨勢。采用有限元分析法開展邊坡穩(wěn)定性分析時(shí)，關(guān)鍵點(diǎn)在于如何確定邊坡失穩(wěn)破壞的依據(jù)。目前，國內(nèi)外的邊坡失穩(wěn)破壞判別依據(jù)并不統(tǒng)一，但是往往傾向?qū)⑦吰挛灰仆蛔儭⑺苄詤^(qū)分布范圍、計(jì)算是否收斂等信息作為判據(jù)。

3 公路邊坡穩(wěn)定性影響因素

本文依托某公路工程邊坡，使用FLAC3D 軟件對其穩(wěn)定性及影響因素進(jìn)行了分析，研究結(jié)果可應(yīng)用于類似公路邊坡工程。

3.1 工程概況

該公路的某標(biāo)段內(nèi)，工程地質(zhì)條件十分復(fù)雜，存在大量邊坡，且每個(gè)邊坡的差異性也非常大。本文將選取該標(biāo)段內(nèi)某一路塹邊坡對其穩(wěn)定性進(jìn)行分析。由地質(zhì)勘察資料可知，該路塹邊坡從上到下土層分別是強(qiáng)風(fēng)化層、中風(fēng)化層、弱風(fēng)化層。與此同時(shí)，強(qiáng)風(fēng)化層和中風(fēng)化層中間存在軟弱夾層。

3.2 有限元模型建立

為了更好地模擬該工程實(shí)際情況，本文按照勘察資料和邊坡的真實(shí)尺寸建立了三維模型。在輸入各土層的物理力學(xué)參數(shù)之后，運(yùn)用3D 網(wǎng)格劃分模塊對該邊坡模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分時(shí)選擇四面體網(wǎng)格生成器，每個(gè)網(wǎng)格尺寸是1m，總共劃分了9872 個(gè)網(wǎng)格。與此同時(shí)，在邊坡分析的約束模塊對模型的邊界條件進(jìn)行定義，邊坡模型的臨空面均選擇自由邊界條件，側(cè)面進(jìn)行水平位移的約束，底部選擇固定約束條件。邊坡有限元模型詳如圖1 所示。

圖1 邊坡有限元簡化模型

3.3 穩(wěn)定性影響因素分析

為了夠好地評價(jià)邊坡安全系數(shù)隨著改變參數(shù)的變化特征，本文定義了安全系數(shù)增長率的概念。安全系數(shù)增長率定義為不同工況下的邊坡安全系數(shù)與初始狀態(tài)土樣的安全系數(shù)之差和初始狀態(tài)土樣的安全系數(shù)的比值。

（1）開挖坡比的影響。本文在邊坡其它其他參數(shù)均不變的前提下，改變邊坡的開挖坡比，以此來研究開挖坡比對邊坡穩(wěn)定性的影響程度。計(jì)算結(jié)果如圖2 所示。計(jì)算時(shí)是采用自動(dòng)搜索滑動(dòng)面的方法，未指定滑動(dòng)面位置和剪出方向。

圖2 不同坡比下邊坡安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

由計(jì)算結(jié)果可知，三種方法計(jì)算得到的安全系數(shù)基本保持一致，Morgenstern-Prince 法計(jì)算出的安全系數(shù)最大，簡化Bishop 法計(jì)算出的安全系數(shù)最小。隨著邊坡的坡度增加，不同計(jì)算方法下的邊坡安全系數(shù)均降低，且基本保持線性變化趨勢，這說明邊坡坡度越陡，邊坡的穩(wěn)定性越差。值得注意的是，Morgenstern-Prince 法計(jì)算安全系數(shù)時(shí)，開挖坡比從1 ∶1.5 到1 ∶1.75 會(huì)有突增趨勢。

（2）抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響。公路邊坡安全系數(shù)隨抗剪強(qiáng)度參數(shù)的變化規(guī)律如圖3 所示。

圖3 不同抗剪強(qiáng)度參數(shù)下邊坡安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明，三種方法計(jì)算得到的安全系數(shù)隨內(nèi)摩擦角和粘聚力的變化規(guī)律保持一致。隨著巖土體的內(nèi)摩擦角和粘聚力的增加，不同計(jì)算方法下的邊坡安全系數(shù)呈增加趨勢。當(dāng)內(nèi)摩擦角為35°時(shí)，簡化Bishop 法、Morgenstern-Prince 法、通用條分法的安全系數(shù)增長率分別為108%、107%、110%。這說明巖土體的內(nèi)摩擦角對邊坡安全系數(shù)的影響十分明顯。當(dāng)粘聚力為35kPa 時(shí)，簡化Bishop 法、Morgenstern-Prince 法、通用條分法的安全系數(shù)增長率分別為59.4%、56.5%、58.5%。粘聚力對邊坡安全系數(shù)的影響小于內(nèi)摩擦角。

4 結(jié)束語

本文對公路邊坡的失穩(wěn)原因、破壞形態(tài)、計(jì)算理論和影響因素等原因展開了詳細(xì)的分析，主要得到以下幾個(gè)方面的結(jié)論：（1）公路邊坡常見的破壞形式主要有滑坡、崩塌、坍塌三種，其破壞原因主要有節(jié)理裂隙發(fā)育、坡面風(fēng)化和沖刷等原因；（2）目前公路邊坡常用的穩(wěn)定性計(jì)算方法有剛體平衡法和有限元法兩大類，前者包括通用條分法、簡化Bishop 法和Morgenstern-Prince 法而言，其中通用條分法的計(jì)算體系更加完成，計(jì)算的精確度更符合實(shí)際情況；（3）隨著邊坡的坡度增加，邊坡安全系數(shù)均降低，邊坡的穩(wěn)定性越差；（4）公路邊坡的安全系數(shù)隨著粘聚力和內(nèi)摩擦角的增加逐漸基本呈線性增加，但是內(nèi)摩擦角對邊坡穩(wěn)定性的影響較小。