土岩混合边坡的稳定性分析方法的选择

发表时间:2016/3/9   来源:《工程建设标准化》2015年10月供稿   作者:向斌 李猛
[导读] 中国市政工程中南设计研究总院有限公司

(中国市政工程中南设计研究总院有限公司,361015)

【摘  要】结合某工程实例,对土岩混合边坡的稳定性分析方法进行了选择,分别计算了土质边坡、岩质边坡的稳定性,综合评定边坡稳定性,然后采取针对性措施。
【关键词】土质边坡;岩质边坡;稳定性安全系数;挡土墙
【Key word】Soil slope  Rock slope  Stability safety factor  Retaining wall

1.前言:
        边坡根据其组成物质分为土质边坡、岩质边坡及土岩混合边坡,其破坏形态有显著差异,因此计算方法也不尽相同,大量实践证明、土质边坡的破坏面都接近于圆弧形,因此通常采用瑞典条分法、毕肖普条分法(bishop)等计算边坡稳定性;而岩体中往往存在软弱结构面,岩质边坡多沿着某个或某几个软弱结构面滑动,因此采用折线滑动法、三维楔形体法等计算边坡稳定性。
        而对于土岩混合边坡的整体稳定性分析,有可能发生土体沿岩层顶面滑动,也可能发生土、岩体沿深层软弱结构面滑动,因此不能采用单一的计算方法来评定边坡的整体稳定性。本文结合某工程土岩混合边坡实例,对上层土质边坡及下层岩质边坡分别选择了计算方法并进行了计算,根据计算结果综合评定了边坡稳定性。
2.计算方法的选择与比较
        对于土质边坡,常用的瑞典条分法,亦称简单条分法,将圆弧滑动土体竖直条分后,忽略土体之间的作用力进行计算求得整体圆弧滑动的安全系数。此方法计算简单,但由于因忽略了土条之间的作用力,计算安全系数偏小。
        而毕肖普(bishop)条分法将土坡竖直条分后,用抗滑剪切力与土条的下滑力的比值定义安全系数,其仍然基于滑动面为一圆弧这一前提,考虑了土条两侧的作用力,计算结果比较合理,被工程界普遍采用。
        对于单结构面外倾岩质边坡,多采用折线滑动法计算其稳定性;对于两组或多组结构面的交线倾向于临空面的岩质边坡,可采用三维楔形体分割法计算其下滑力。本工程为上层土质边坡、下层岩质边坡,且主要由单层外倾结构面控制,因此采用折线滑动法。
        通过各计算方法比较,本文采用毕肖普(bishop)条分法、折线滑动法计算某工程实例中的土岩混合边坡稳定性系数,评价其安全稳定性。
3.某土岩混合边坡设计整体稳定性分析实例
3.1 工程概况:
        某工程因现状地形起伏大,场平后多个地块四周形成高度不一的边坡,除了部分高陡边坡采用锚杆支护外,大部分边坡拟采用重力式挡土墙支护,挡墙高度多为8~12米。且部分挡墙位于山坡上,墙后边坡与现状山坡形成土岩混合边坡。且坡高一般为7~30m,坡顶及坡脚拟规划作为道路、资源回收整理集散中心、工业固废及医疗垃圾处理厂或工业危废焚烧厂等用地,属较重要建筑物,破坏后果很严重。据《建筑边坡工程技术规范》(GB50330-2002)第1.0.4条及第3.2.2条规定,边坡安全等级按一级考虑。本文选取某典型段挡土墙支护边坡进行稳定性分析计算。
3.2 计算模型及软件选取
        选取本工程某典型段坡面,坡脚采用挡土墙支护,由于大部分挡土墙位于山坡上,除了要考虑墙后边坡的稳定性外,还要考虑挡土墙基础跟随山坡土体一起滑动失稳的可能性。因此模型边界选取的应包含挡土墙前、后整个坡面的土体,典型断面计算模型如图1所示:
       

        图1 典型断面挡土墙边坡计算剖面图

        计算软件选择:常用理正边坡计算软件:土质边坡计算模型中,只考虑了倾斜的土层,不能模拟挡土墙,因此不能准确评价挡土墙基础与整个土层滑动的情况;岩质边坡计算模型中,结构面只能位于临空面,与实际情况有出入,两计算模型都有一定的局限性;而且同一边坡需分别建模,也比较繁琐。本文选用一款评价土质或岩质边坡安全系数二维极限平衡软件slide,对于土岩混合边坡只需要建立同一模型,采用不同的计算方法即可得到不同的稳定性安全系数,而且可以输入包含浆砌石挡土墙在内多种岩土层边界及计算参数。
3.3 岩土参数的选择
        根据本工程提供的地质勘察报告,选取岩土计算参数如表1所示:
        表1 岩、土体计算参数
       
        参数选取说明:粉质粘土②及残积砂质粘性土③在雨季(尤其台风暴雨期间)可能会因地下水上升,使土层处于饱和状态,且残积土③属特殊性土,具有泡水易软化使强度降低的不良特性,故边坡稳定性验算时应按最不利条件考虑,选用了饱和快剪指标。
        全风化花岗岩④、强风化花岗岩⑤1节理、裂隙发育,岩体极破碎,具有浸水易软化使强度降低的特性,属极软岩,本文亦按土层考虑。边坡稳定性验算时也采用饱和快剪指标。
        根据本工程地勘,墙后回填土就地取材,可采用碎石类土回填并分层夯实,填料内摩擦角不小于35°。浆砌石挡土墙抗剪强度参数取值无实验数据,因此只能根据莫尔-库伦公式[4]推导及工程经验综合确定,具体参数详表1所示。
3.4 计算结果
        根据选取参数,建立边坡模型,选取自然工况、暴雨工况及地震工况分别计算其安全系数,计算结果如表2所示,搜索的最危险滑裂面详图1所示。
        表2 典型断面边坡稳定性计算结果
       
        由表2计算结果可知,下层岩质边坡各工况下安全系数大于1.300,满足规范要求;上层土质边坡地震工况下安全系数小于1.300,但大于1.05,处于基本稳定状态,根据计算结果,需对上层土质边坡加强防护。上层土质边坡滑裂面贯穿墙后回填土,因此设计中针对性的采取了防护措施:首先要求回填土采用碎石类土,综合内摩擦角不小于35°,分层压实,压实系数不小于0.94;其次坡体内预埋泄水管,深入土体内不小于5m,纵横间距2.0m;最后坡顶设置截水沟,坡底设置排水沟,坡面采用浆砌片石骨架植物护坡。采取这些措施,可确保土质边坡的稳定安全。
        结论:
        根据以上分析,对于土岩混合边坡应分别计算土质边坡及岩质边坡的稳定性,分别确定最危险滑裂面,根据各自计算结果综合分析,才能采取针对性防治措施。当然计算过程中,模型范围的选取,岩土参数的取值也尤为重要,应尽可能的模拟实际情况,又能留有一定安全余量。
        本文对于边坡滑动都简化为平面问题进行计算,而实际上滑坡体可能是楔形体或更复杂的多面体,因此二维方法有一定的局限性,但可作为评估边坡稳定性的重要参考。
参考文献:
[1]GB 50330-2002 建筑边坡工程技术规范
[2]GB 50007-2011 建筑地基基础设计规范
[3]DL/T 5353-2006 水利水电工程边坡设计规范
[4]土力学(第三版) 中国建筑工业出版社
[5]刘佑荣 唐辉明,岩体力学,化学工业出版社

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