路塹邊坡坡比設(shè)計研究

葉章華,王秋燕

(1.廣東建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院經(jīng)濟管理系;2.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院)

1 邊坡設(shè)計的基本資料

(1)工程地質(zhì)勘察報告。

這是對邊坡進行穩(wěn)定性分析與評價的主要資料,它包括邊坡的地層結(jié)構(gòu),各地層的產(chǎn)狀、停造、巖層的完整及破碎程度、風(fēng)化程度等,覆蓋層厚度及變化情況,可能破裂面(或滑動面)的位置、形態(tài)及潛在變化,地形變化及地貌特征等。

(2)水文條件。

邊坡設(shè)計應(yīng)掌握邊坡地段處地表水及地下水的情況,包括雨季及枯水季節(jié)的地下水位情況,設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)年限內(nèi)的最大降雨量等資料。

(3)地震資料。

邊坡設(shè)計時,應(yīng)查閱國家地震烈度區(qū)劃圖、當(dāng)?shù)卣鹆叶鹊陀?VI度時地震烈度達到 VI度以上(含 VI)度時,應(yīng)計算地震荷載的影響。

(4)土質(zhì)調(diào)查試驗報告。

在進行邊坡設(shè)計時,應(yīng)掌握土層的類別及物理、力學(xué)性質(zhì),它是在進行工程地質(zhì)勘測時通過調(diào)查、鉆(挖)孔采集各土層(地層)的原狀土(巖)樣,并以室內(nèi)或原位試驗方法取得的。各層土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)有粒徑級配、塑液限、天然含水量、土體天然容重、飽和容重、抗剪強度指標(biāo)、滲透系數(shù)、水力坡度、原巖(巖塊)強度,弱面強度(弱面抗剪強度)以及斷層破碎帶強度指標(biāo)以及土(巖)樣柱狀剖面圖等。

(5)相關(guān)工程資料。

邊坡工程的設(shè)計應(yīng)與相關(guān)工程相適應(yīng),盡量不影響相關(guān)工程的使用功能,因此,在設(shè)計前應(yīng)收集相關(guān)工程的總體平面布置圖、縱斷面及橫斷面設(shè)計圖,對于公路邊坡工程還應(yīng)搜集路基設(shè)計表。

(6)同類邊坡工程的經(jīng)驗資料。

邊坡設(shè)計時,在對當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件及降雨情況缺乏把握的情況下,對當(dāng)?shù)赝愡吰鹿こ痰慕?jīng)驗資料,包括邊坡斷面設(shè)計形狀、坡比、臺階高度、臺階寬度、防護結(jié)構(gòu)形式等進行深入細(xì)致的分析研究顯得尤為重要。

(7)邊坡開挖條件及邊坡工程環(huán)境資料。

邊坡開挖條件包括設(shè)計的邊坡高度與坡比,邊坡開挖方式等。邊坡工程設(shè)計同時應(yīng)考慮邊坡工程對周邊環(huán)境的影響,以保護與美化環(huán)境,因此在邊坡設(shè)計前必須收集與邊坡工程有關(guān)的環(huán)境資料。

2 初步設(shè)計

根據(jù)謝強等的研究(文獻 5)成果,邊坡坡度可由巖石回彈值、巖體塊度及地下水折減系數(shù)確定,通過對大量邊坡的統(tǒng)計分析,并進行曲線擬合得到了如下關(guān)系式

式中:θ是邊坡坡度;R是巖石回彈值;D是巖體塊度,cm;γw是地下水折減系數(shù);γh是坡高折減系數(shù)。各符號的取值參考文獻。

3 邊坡破壞模式確定

3.1 常見邊坡破壞模式

巖石邊坡的破壞常見的類型有:(1)平面型破壞;(2)楔形破壞;(3)圓弧破壞;(4)傾倒破壞。

3.2 邊坡破壞模式判別條件

3.2.1 四種破壞模式的赤平投影

利用結(jié)構(gòu)面及其組合的赤平投影表示法確定結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀與兩組結(jié)構(gòu)面的組合交線,具體作法可參照參考文獻。四種破壞模式的赤平投影表示如下,邊坡面可用赤平投影圓弧表示,而節(jié)理面則用它的極點表示。

3.2.2 四種破壞模式判別條件

(1)圓弧型破壞模式。

如圖 1(1),圓弧型破壞的特點是極點分布均勻,有下列條件之一者均可判定為有此類型的滑動:

圖 1 四種破壞模式的赤平投影表示

圖 2 發(fā)生平面破壞的條件

圖 3 發(fā)生楔型破壞的條件

圖 4 發(fā)生傾倒破壞的條件

①均勻松散介質(zhì)、沖積層、大型巖層破碎帶;

②有三組或多組產(chǎn)狀各異的軟弱結(jié)構(gòu)面存在;

③強風(fēng)化、碎裂結(jié)構(gòu)的巖體;

④軟弱面的產(chǎn)狀各異且均不與邊坡面同向;

⑤兩側(cè)面須脫開。

(2)平面破壞模式。

如圖 1(2),平面破模式的特點是極點集中,極點等值線優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面幾乎與邊坡面產(chǎn)狀一致。發(fā)生平面破壞的條件見圖2。

①滑動面的走向必須與坡面平行或接近平行(約在 20°的范圍之內(nèi));

②破壞面必須在邊坡面露出,就是說它的傾角必須小于坡面的傾角,即 ψf＞ψp;

③破壞面的傾角必須大于該面的摩擦角,即 ψf＞ψ;

④巖體中必須存在對于滑動僅有很小阻力的解離面,它規(guī)定了滑動的側(cè)面邊界。另一種可能的情況是,破壞在穿通邊坡的凸出的“鼻部”的破壞平面上發(fā)生。

綜合上述,發(fā)生平面破壞的條件:ψf＞ψp＞ψ,其中,ψf為邊坡角;ψp為滑面角或組合交線傾角;ψ為弱面抗剪角,見圖 3。

(3)楔型破壞模式。

如圖 1(3),楔型破壞的特點是極點等值線優(yōu)勢中心有兩個或兩個以上。像在平面破壞中的情況一樣,發(fā)生楔體破壞的條件由 ψfj＞ψi＞ψ來規(guī)定,其中 ψfj是在正交交線的視圖上測定的坡面傾角,而 ψi為交線的傾角,見圖 4。

(4)傾倒破壞模式。

如圖 1(4),傾倒破壞的特點是優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面走向幾乎與邊坡一致。

如圖 4,一個置于斜面上的巖塊,h代表巖塊高度,b代表底邊長,W代表巖塊重力,Φ為斜面傾角,φ為摩擦角,對這個單一的巖塊而言,發(fā)生滑動與(或)傾倒的條件如下:

①φ＜Φ以及 b/h＞tanφ巖塊是穩(wěn)定的,不滑動也不傾倒;

②φ＞Φ以及 b/h＞tanφ巖塊將滑動,但不傾倒;

③φ＜Φ以及 b/h＜tanφ巖塊將傾倒,但不滑動;

④φ＞Φ以及 b/h＜tanφ巖塊能夠同時滑動和傾倒。

4 繪制諾謨圖

對各種破壞模式進行了各種邊坡高及巖性情況下的穩(wěn)定性計算,繪制了設(shè)計安全系數(shù) K與邊坡高度 H的曲線K=f(H)的諾謨圖,可確定在已知 C、φ值及坡比下安全系數(shù)K與邊坡高度的對立關(guān)系。下面以平面剪切型和圓弧型為例。

諾謨圖的橫坐標(biāo)為邊坡高度H,縱坐標(biāo)為邊坡安全系數(shù)K值,在一定的坡比下,由不同的 C、φ值可給出一系列 K=f(H、C、φ)曲線,該圖的作用主要有以下兩點。

(1)已知滑動類型及坡比值和 C、φ大小 ,求一定邊坡高度H下的邊坡安全系數(shù)大小(如實例 1)。

(2)已知滑動類型和 C、φ值,求在給定的邊坡安全系數(shù)下,當(dāng)坡比為某一設(shè)定值時的對應(yīng)邊坡高度H的值(如實例2)。

圖 5 實例 1求邊坡安全系數(shù)

圖 6 實例 2由安全系數(shù)求邊坡高度

實例 1:已知圓弧型滑動,坡比值為 1∶1.25,C=0.04MPa(40kPa),φ=22°,求當(dāng)H=22m時的安全系數(shù) K的大小。

解:先找到 1∶1.25坡比下的一張諾謨圖,如圖 5所示。

在 H軸上取A點,H=22m,由 A點作平行于K軸的直線交曲線于 B點,K=f(c=0.04,φ=22°,H=22),再由 B點作平行于H軸的直線交 K軸于C點,C點 K=1.38,即為所求。

實例 2:已知圓弧型滑動,C=0.05MPa,φ=20°,求當(dāng) K=1.2時在坡比為 1∶1.25時的邊坡高度 H值。

解:如圖 6所示,在 K軸上取 K=1.2時的點A,由 A點作平行于 H軸直線 AB與 K=f(c=0.05,φ=20°,H)曲線相交于 B點。過 B點作BC平行于 K軸與 H軸相交得 C點,C=28m即H=28m邊坡高度即為所示。也可已知H求合理的坡比。

5 結(jié) 論

經(jīng)過初步設(shè)計,分析邊坡可能產(chǎn)生的破壞模式,再經(jīng)過試驗數(shù)據(jù)進行邊坡穩(wěn)定性分析繪制了安全系數(shù)與邊坡高度的諾謨圖來進行路塹邊坡坡比設(shè)計。彌補通過查設(shè)計規(guī)范與有關(guān)資料所列的坡比推薦值等缺乏定量指標(biāo)來控制的不足,減少設(shè)計者在選擇邊坡坡比時的盲目性。針對具體工程的地質(zhì)條件,可通過相關(guān)實驗取得實驗數(shù)據(jù),再用以上方法進行設(shè)計。

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