剪脹角對土質邊坡穩定安全系數的影響

陳忠源

（福州外語外貿學院，福建 福州 350202）

0 引 言

巖土體的剪脹性是指巖土體在剪切屈服過程中體積會增大或縮小的特性。材料在剪切過程中體積變化率可以用剪脹角來表示。一般來說，對于密實性砂性土或超固結粘土，在剪切過程中會表現出剪脹性，而對于松砂或正常固結土，在剪切過程中會表現出剪縮性。在有限元強度折減系數法中，巖土材料的抗剪強度參數c，φ，Ψ和所遵循的屈服準則是影響安全系數的主要因素［1－3］。因此，是否以及如何考慮土體的剪脹角對邊坡穩定的影響，對于合理進行邊坡的設計，更為科學嚴密地進行邊坡穩定性分析和失穩預測，具有重要的理論和現實意義。

對于剪脹角，國內外學者做了很多的研究。張魯渝［4－6］等建議采用非關聯流動準則（Φ≠Q）來考慮剪脹性對邊坡穩定安全系數的影響。張培文［7］認為，安全系數隨剪脹角的增大而增大，在考慮剪脹性時，采用不同的屈服準則對邊坡的安全系數是有很顯著的影響的。孫偉社［8］認為，剪脹角對沉降和水平位移影響不大，對塑性應變和塑性區范圍有明顯的影響。曹婷［9］認為，在實際工程中宜對分層邊坡整體的剪脹角進行折減并慎重取值。康亞明［10］建議，對于松散質土（欠固結土）采用非關聯的法則，而對于一般砂土和粘土（正常固結土），應對剪脹角進行折減，并取內摩擦角的1／3～1／2。

但是，大部分學者的研究均基于理論或數值模擬層面，工程上的實際應用實踐較少。因此，文中在前人的研究成果基礎上，利用FLAC數值分析軟件，通過一系列的數值模擬探討了邊坡土體的剪脹性對邊坡穩定分析中的安全系數的影響，同時，將它成功應用于福建省莆田市秀嶼疏港公路沿海灘涂軟土地基上的高填方路堤邊坡優化設計計算。

1 數值分析模型的選取

研究了不同類型的土體材料在不同的坡高下剪脹角對邊坡穩定性的影響。這幾種土體材料分別為粘土、粉質粘土、粉土以及砂土，它們的物理力學參數采用FLAC軟件內置的土體材料參數，具體見表1（坡度取1∶1.5，坡角33.7°）。

表1 土體材料物理力學性質表

剪脹角值按康亞明［10］建議，取其內摩擦角的1／2。所建立的模型如圖1所示。

圖1 材料模型圖

對于淤泥、粘土、粉土材料，當坡高取值不同時，其各個參數隨之同比例變化。對于砂土材料，由于坡底長度（Left）、下墊層厚度（Depth）以及坡頂長度（Right）對其邊坡安全系數影響較大，為了消除此影響，這三者分別取固定值30，30，40m。

2 數值模擬的數據分析

設不考慮剪脹角時，分析所得邊坡穩定安全系數為F1，考慮剪脹角時安全系數為F2，其互差ΔF＝F2－F1，則ΔF為正表明考慮土體剪脹后安全系數較不考慮時要高，反之，ΔF為負表明考慮剪脹后安全系數較不考慮時要低。則對得出的數據進行整理分析后結果見表2～表5。

表2 剪脹角對粘土邊坡安全系數的影響

表3 剪脹角對粉質粘土邊坡安全系數的影響

表4 剪脹角對粉土邊坡安全系數的影響

表5 剪脹角對砂土邊坡安全系數的影響

由上述表格可以看出：

1）考慮邊坡土體的剪脹性時，計算所得邊坡的穩定安全系數一般高于不考慮剪脹時的安全系數。因此在邊坡穩定安全系數分析時應該考慮剪脹的作用，這具有積極意義。

2）對于粘土和粉質粘土邊坡，隨著坡高的增大，剪脹角對邊坡安全系數的影響呈增大的趨勢。因此，對于坡高較大的粘土和粉質粘土邊坡更應該考慮剪脹角的影響。

3）對于粉土或砂土邊坡，隨著坡高的增大，剪脹角對邊坡安全系數的影響呈降低的趨勢。

因此，對于坡高較小的粘土和粉質粘土邊坡更應該考慮剪脹角的影響。

3 工程應用

秀嶼疏港公路為福建省莆田市重點工程，公路二期設計路幅為18m雙向四車道二級公路，遠期道路建設用地紅線控制60m，道路功能為客貨混行公路，設計行車速度為60km／h。該公路有近4km路段經過沿海灘涂軟土地基上，且部分路段填方達5～7m，屬于軟土地基上的高填方路堤。原設計由福建省某勘察設計院承擔，在較深厚軟土地基路段原設計單位采用在軟土路堤段堆載塑料排水板處理方法，設計計算中采用了北京理正軟土地基堤壩設計軟件，填土路堤總沉降按經驗系數分層總和法計算，主固結沉降采用e－p曲線法計算，路面超載（車輛荷載）按均布荷載考慮，路堤穩定計算采用的是有效固結應力法，是按基于圓弧滑動假設的極限平衡法進行分析的。由于該公路的建設單位莆田市秀嶼區交通建設投資有限公司對原設計方路堤及其反壓護道占用土地過多存在質疑，筆者參與了對原設計軟基處理路段的計算校核和優化設計工作，文中以該公路K5＋530～5＋600橫斷面為例進行優化設計計算分析。

原設計單位設計該里程處路堤橫斷面如圖2所示。

圖2 設計計算橫斷面

土工參數見表6。

表6 設計計算參數取值表

對原設計計算橫斷面進行了數值模擬分析，如圖3所示。

圖3 原設計斷面剪應變增量等值云

可以看出，在軟土地基上拋填塊石本身是不穩定的，其拋填過程中將出現連續貫通的塑性區，有向外側滑移的趨勢，這是由于拋石沒有粘聚強度的緣故。為保持拋填塊石自身的穩定，在拋填石的表面及路堤坡面均需用漿砌塊石護面，護面垂直厚度按0.5m考慮。

從上面的計算校核可知，反壓護道設得過寬，過于保守，優化設計中，采用數值模擬試算法確定所需反壓護道的填筑寬度，為滿足設計穩定安全系數不低于1.20的要求，確定初步優化的設計橫斷面（即橫斷面左右兩側在一級平臺處各縮減9m）如圖4所示。

圖4 初步優化的的橫斷面

由于工程勘查資料沒有給出各個參數的剪脹角，文中取其摩擦角的1／2進行分析。對其進行數值分析可知，在考慮和不考慮剪脹角的影響情況下，該初步優化的安全系數分別為1.25和1.28，如圖5和圖6所示。

圖5 不考慮剪脹角時初步優化設計斷面最大剪應變增量等值云

圖6 考慮剪脹角時初步優化設計斷面最大剪應變增量等值云

考慮剪脹角后斷面的安全系數又相對提高了一些。為了達到優化目的，進一步降低工程費用，再次對該橫斷面進行優化，即橫斷面左右兩側在一級平臺處再各縮減0.5m。再對其進行數值分析可知其安全系數為1.25，符合建設單位的要求，如圖7所示。

圖7 考慮剪脹角時最終優化設計斷面最大剪應變速率等值云

該工程現已完工并通車，從工程完工后監測數據來看，路基的變形一直在允許范圍之內，現已基本穩定。由此說明，考慮剪脹角的作用并對其優化設計是可行的。

4 結論與建議

文中通過數值模擬試驗分析了剪脹角對不同類型土質邊坡穩定性的影響，并對莆田市秀嶼疏港公路沿海灘軟土路堤進行了優化設計應用。文中研究得到以下結論及建議：

1）邊坡土體的類型不同，土體的剪脹性對邊坡穩定安全系數的影響不同，但其對穩定性的影響大多是有利的。隨著邊坡坡高的增加，對于粘土或粉質粘土邊坡，其有利的作用隨之增強，而對于粉土或砂土邊坡，其有利的作用隨之減弱。

2）通過對莆田市秀嶼疏港公路沿海灘軟土路堤的實例分析可以看出，適當考慮剪脹角對坡體穩定的影響不僅符合工程實際，也可達到降低工程造價的目的。為了方便工程上的應用，在上述數值模擬分析以及工程的實際優化設計基礎上認為：對于土質材料以粘土或粉質粘土為主的邊坡，考慮剪脹角后的安全系數可在其原不考慮的基礎上增加0.03；而對于土質材料以粉土或砂土為主的邊坡，考慮剪脹角后的安全系數可在其原不考慮的基礎上增加0.02。

3）文中研究結論主要是從對均質土邊坡的數值模擬分析得出的，對于實際工程中非均質成層土邊坡，由于剪脹性的考慮對不同土體的穩定性影響規律可能不同，最終對整個邊坡土體穩定性分析的影響如何也是值得研究的一個問題，將對其進行進一步研究。

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