某高邊坡安全系數計算及穩定控制研究

趙星 時凱

邊坡穩定性一直是巖土工程領域的一個熱點研究課題,人們通常采用安全系數來評價其穩定性狀態,因其原理簡單,物理意義明確,至今仍為邊坡穩定性分析中最重要的指標和概念。

1 工程概況

擬建高邊坡工程項目是機械制造廠的一部分。機械廠整個場地南高北低,場地占地面積為2萬m2,在機械廠南側是擬建高邊坡,坡頂標高約為9.5 m～40.0m,坡頂是一個小山坡,坡的北側外約7.0m～9.0m是公路,公路標高約為19 m～36.5m。要求支護后坡腳標高為0m。邊坡幾何位置見圖1。

根據巖土工程勘察報告,邊坡支護范圍內地層及力學參數主要為:①素填土及含碎石粉質黏土:黃褐色,紅褐色,一般含5%～10%左右石英巖碎石,局部碎石含量可達45%左右,硬塑～堅硬狀態,干強度高,韌性強。揭露層厚1.9 m～8.0m。C,φ設計值:C=32 kPa,φ=22°。②強風化板巖(Zwhc):灰黃色,碎裂結構,巖體風化節理裂隙發育,巖芯呈碎塊狀,塊狀,個別含薄層中風化夾層,但風化不均勻。揭露層厚14.50m～19.70m。巖體破碎,巖體基本質量等級Ⅴ級。C,φ設計值:C=44 kPa,φ=29°。③中、微風化板巖:灰褐色,灰綠色,塊狀結構,巖體風化節理裂隙較發育,巖芯呈塊狀、短柱狀。揭露層厚14.50m～39.70m。巖體較完整,局部較破碎,巖體基本質量等級Ⅳ級。C,φ設計值:C=64 kPa,φ=35°。

根據勘察報告,該邊坡支護工程開挖范圍內無地下水。

2 極限平衡法下安全系數計算值

2.1 極限平衡法原理及概述

極限平衡方法的基本特點是,將邊坡視為剛體,只考慮靜力平衡條件和土的摩爾—庫侖破壞準則。也就是說,通過分析土體在破壞時的力學平衡來求得問題的解。但在大多數情況下,通過這些條件建立的方程組是靜不定的。極限平衡方法處理是對某些多余的未知量作一定簡化假定,使問題變得靜定可解。目前國內外常用的極限平衡法主要有Fellenius法、簡化Bishop法、Morgenstern-Price法、Spencer(1967年,1973年)法、Sarma(1973年)法、Janbu(1973年)法和國內常用的推力傳遞法等,現對這些方法作一概述。

1)簡化Bishop法。該法也只適用于圓弧滑動面。與瑞典圓弧法相比,它是在不考慮條塊間切向力的前提下,滿足力的多邊形閉合條件。也就是說,隱含著條塊間水平力的作用,雖然在它的計算公式中水平作用力并未出現。很多工程計算表明,該法與滿足全部靜力平衡條件的方法,如Janbu法相比,結果甚為接近。由于計算過程不很復雜,精度也比較高,所以,該方法是目前工程中很常用的一種方法。2)Fellenius法。Fellenius法又稱瑞典圓弧法,假定滑動面為圓弧,是條分法中最古老而又最簡單的方法。由于不考慮條間力的作用,嚴格地說,對每個土條力的平衡條件是不完全滿足的,對土條本身的力矩平衡也不滿足,僅能滿足整個滑動土體的整體力矩平衡條件。由此產生的誤差,一般使求出的穩定系數偏低10%左右,而且這種誤差隨著滑動面圓心角和孔隙壓力的增大而增大。3)Morgenstern-Price法。Morgenstern-Price法適用于任意形狀的滑動面,滿足所有的極限平衡條件,其對多余未知數的假定并不是任意的,符合巖土的力學特性,是極限平衡法理論體系中的一種嚴格方法。它在數值計算中具有極好的收斂特性,因此被認為是對土坡進行極限平衡分析計算最一般的方法。

2.2 極限平衡法下安全系數計算值

根據圖1,運用邊坡計算軟件進行了安全系數計算,采用圓弧滑動面搜索,經多次試算,選取安全系數為0.979作為邊坡的臨界穩定狀態,安全系數最小的圓弧面滑體出口端接近坡底,滑體入口端接近公路旁。可能的滑動面主要都集中在這一帶。

3 強度折減法

3.1 強度折減法原理

強度折減技術是利用折減系數F調整土體強度指標 C,φ:C′=C/F,φ′=arctan(tanφ/F),通過不斷增加 F值,進行有限元反分析,直到計算不收斂,并將此時的折減系數作為安全系數,它能夠體現土體的漸進破壞過程。

3.2 強度折減法下安全系數計算值

應用FLAC3D軟件對擬建邊坡進行了強度分析,圍巖物理力學參數參照工程地質條件,由結果可知安全系數約為1.1。

強度折減法計算結果表明,邊坡安全系數1.1作為邊坡的臨界穩定狀態,安全系數最小的圓弧面滑體出口端接近坡底,滑體入口端接近公路旁。這與極限平衡法計算結果是一致的,強調了邊坡可能的滑動面主要都集中在坡底——公路滑裂帶。

4 邊坡穩定控制建議

4.1 高邊坡設計方案

高邊坡設計采用放坡聯合錨索支護方式,采用1∶0.4放坡開挖。分五級自上而下開挖,各級間設置3.0m寬平臺。道路標高以上部分采用放坡,道路標高以下部分自上而下打入12排～14排預應力錨索,錨索長度10m～29m,錨索采用3束或兩束1×7-15.2-1860鋼絞線,水平間距 2.5m,豎向間距 2.5m,坡面采用鋼筋混凝土面墻,厚300mm,采用雙向HRB335鋼筋網 Ф 12@200×200,坡面噴射C30混凝土。坡腳設置一個集水溝,坡頂設置一個攔水帶。

4.2 高邊坡監測及工程驗證

高邊坡監測主要采用位移監測為主,在公路附近布設了一系列表面位移監測點,監測結果區域穩定,最大位移為-15 mm,說明采用以上支護方案能確保工程安全。

5 結語

1)采用極限平衡法及強度折減法計算邊坡安全系數是可行的。2)極限平衡法及強度折減法計算結果表明,此邊坡安全系數遠遠低于規范安全系數1.3的要求,且巖體滑裂面主要集中在深部,圓弧面滑體出口端接近坡底,滑體入口端接近公路旁。建議施工期間監測布控主要設置在出口、入口段。3)工程實踐表明,聯合錨索支護方式能有效確保高邊坡安全穩定。

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