重慶地區邊坡設計中下滑推力計算常見問題探討

張文正，薛尚鈴，周海鷹

（中冶賽迪工程技術股份有限公司，重慶 400013）

0 引言

隨著城市化進程的加快，土地資源愈加緊張。重慶作為典型的山區超級大都市，越來越多的工程修建于斜坡地帶，邊坡工程的數量、高度、難度、規模等也位于全國前列[1]。由于巖土工程的不確定性，很多邊坡工程在修建中或使用中出現了一定的安全事故。為了避免邊坡安全事故的產生，設計階段的準確把握，邊坡破壞模式的充分分析、土壓力或下滑力的準確計算，以及支擋結構的合理選用等顯得至關重要[2]。本文列舉了重慶地區折線滑動及平面滑動下滑推力計算中的幾種常見問題，供設計人員在實際工程中參考。

1 下滑推力計算常見問題探討

1.1 折線滑動滑面轉折點傾角差大于10°

《建筑邊坡工程技術規范》（GB 50330-2013）的第5.2.4條文說明：沿土巖結合面破壞的折線滑動，計算下滑推力時，滑面轉折點處兩傾角差值大于10°時，應對滑面進行尖角消除，否則計算的下滑力誤差過大[3]。

1.1.1 誤差偏大原因分析[2]

圖1 不平衡推力計算簡圖

如圖1所示的不平衡推力簡圖，假定坡體從上向下滑動，土條i-1傳給土條i的力為Pi-1，該力對土條i來說，一方面使土條產生向下的下滑力，該力的大小為Pi-1cos(θi-1-θi)，另一方面使土條產生正壓力，增加土條i的抗滑力，該力的大小為：

其中Fs為坡體的穩定系數，φ為滑面的內摩擦角。因此Pi-1對土條i產生的綜合下滑力為△TFi-1,其表達式如下：

分析該式可得出如下結論：

（1）θi-1-θi＞0時，土條i-1的推力增加了土條i的正壓力，增加了抗滑力；

（2）θi-1-θi＝0時，土條i-1的推力不增加土條i的正壓力，不增加抗滑力；

（3）θi-1-θi＜0時，土條i-1的推力減小了土條i的正壓力，降低了抗滑力。若以θi-1-θi＝0時的穩定系數作為基準，那么當θi-1-θi＞0時，分析得到的穩定系數一般偏大，當θi-1-θi＜0時，分析得到的穩定系數偏小。對于一般滑坡來說，絕大部分的θi-1-θi＞0，因此其穩定系數偏大,為了滿足工程設計計算的精度要求，需要兩折線滑動面的傾角差值控制在10°之內。

1.1.2 計算示例

某折線滑動邊坡如圖2，滑面粘聚力C＝20kPa，內摩擦角Φ=10°，各滑傾角分別為40°、30°、10°。 根據下滑推力隱式解法，當安全系數取1.35時，下滑推力為535kN。對第二與第三條塊間的尖角進行消除，重新劃分條塊如圖3，當安全系數取1.35時，計算下滑推力為589kN。兩種情況計算的下滑推力誤差達10.1%。

圖2 尖角消除前條塊劃分

圖3 尖角消除后條塊劃分

表1、表2分別為尖角消除前和尖角消除后的下滑推力計算。

表1 尖角消除前下滑推力計算

表2 尖角消除后下滑推力計算

1.2 土巖結合面折線滑動時地下水考慮不充分

重慶地區的水文地質條件較為簡單，地下水多為松散巖類孔隙水及基巖裂隙水。沿江岸的土質滑坡、崩積坡和人工堆積層透水性強，地下水的動態變化受降雨及兩江水位變化的影響很大，在枯水期內不含水或水位埋深大，洪水期時接受降雨及江水補給，堆積體大部分處于飽水狀態[4]。強降雨下的斜坡體，一部分雨水浸入巖土體，直至巖土體飽和形成地下滲流；另一部分雨水來不及入滲，在坡體表面產生坡面徑流。雨水入滲后，軟化巖土體，有效自重減小，抗剪強度降低，在動水壓力（滲透力）的共同參與下大大降低坡體穩定性[5]。暴雨工況下土巖結合面滑動的邊坡，上部土體有可能會完全飽和，坡面產生徑流。此種情況下許多設計人員簡單考慮土體的飽和重度，對抗剪強度進行一定的折減，計算時未考慮條塊的水壓力。

1.2.1 規范公式討論

我們先看下《建筑邊坡工程技術規范》（GB 50330—2013）A.0.3，如圖1。

式中：

Pn——第n條塊剩余下滑力；

Pi——第i計算條塊剩余下滑力；

Ti——第i計算條塊下滑力；

Ri——第i計算條塊抗滑力；

ψi-1——第i計算條塊對第i+1條塊的傳遞系數；

G——滑體單位寬度重量；

Gb——滑體單位寬度豎向附加荷載；

Q——滑體單位寬度水平荷載；

U——滑面單位寬度總水壓力。

公式中取整個條塊作為分析對象，地下水的影響通過條塊的底部水壓力U來體現。在不考慮水平力的情況下，我們來看剩余下滑力的另一種表達方式[6]，如圖4。該表達式是把土骨架作為分析對象。

邊坡穩定性分析時可以把土骨架作為分析對象，也可以把包括水在內的浸水土體作為研究對象，兩種方法本質上是一致的。關鍵在于實際工程中應根據實際情況進行分析，充分研究地下水的影響程度，采用合適的計算方法。

圖4 考慮地下水浸潤線的下滑推力計算簡圖

式中：

Ast——浸潤線以上條塊面積；

Ab——浸潤線以下條塊面積；

γst——滑體天然重度；

γb——滑體飽和重度；

γu——滑體浮重度。

1.2.2 計算示例

某建筑邊坡如圖5所示，采用坡率1∶1開挖，坡面設置長3.0～3.5m土釘進行支護。邊坡開挖過程中幾天連續暴雨，導致坡頂出現寬度達8cm長度數十米的裂縫，邊坡處于不穩定狀態?；泼娣圪|粘土參數為：天然參數C值取16kPa，Φ值取9°，飽和參數C值取10.8kPa，Φ值為5.4°。地勘單位計算書時未考慮水壓力，土體采用飽和重度，計算出下滑推力為555.5kN。此時因連降暴雨，滑體厚度不大，土體完全飽和，雨水沿坡面徑流，計算時應計入地下水的影響，采用有效應力法利用建議的下滑推力的表達式，重新計算出下滑力為733.3kN。

表3、表4分別為未考慮地下水壓力時和考慮地下水壓力時下滑力計算表格。

1.3 順層巖質邊坡平面滑動下滑力計算問題

對沿外傾結構面滑動的巖質邊坡，誤用折線滑面傳遞系數穩定性計算法，而未用主動土壓力計算公式進行比較計算。

圖5 下滑推力計算簡圖

表3 未考慮地下水壓力時下滑力計算表格

表4 考慮地下水壓力時下滑力計算表格

例：如圖6所示，某順層巖質邊坡高10m，巖層傾角60°，巖體重度25kN/m3,巖層面粘聚力C＝30kPa，內摩擦角Φ＝15°。 邊坡安全等級為一級。利用《建筑邊坡工程技術規范》（GB 50330-2013）6.3.1： 得到土壓力水平分力E＝249.6kN/m；利用《建筑邊坡工程技術規范》（GB 50330-2013）A.0.3： 得到剩余下滑力水平分力E＝（625.7 -443.3/1.35）×COS60＝148.7kN/m。支擋結構設計計算時應取二者計算的大值。

圖6 巖質順層邊坡簡圖

2 結語

（1）土巖結合面破壞的折線滑動，計算下滑推力時，滑面轉折點處兩傾角差值大于10°時，應對滑面進行尖角消除，否則計算的下滑力誤差過大，影響結構安全。

（2）暴雨工況下計算下滑力時不能簡單取飽和工況對抗剪強度進行折減，當滑坡體厚度不大時，連續降雨作用下加上巖體內部滲出的地下水，滑體很容易達到飽和，坡面產生徑流，此種情況下計算下滑力時應考慮地下水壓力。

（3）對沿外傾結構面滑動的巖質邊坡，應當采用《建筑邊坡工程技術規范》（GB 50330-2013）6.3.1與附錄A.0.3分別計算土壓力，取不利值進行設計。

責任編輯：劉艷萍

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