泥巖層公路邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

王鵬

摘要：指出了新疆天山是一個(gè)地震活躍的地區(qū)，且公路某些邊坡會(huì)受到低強(qiáng)度泥巖的影響。為確保泥巖下的公路邊坡安全，對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值評(píng)估，分析了物理力學(xué)性質(zhì)和坡角對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響。通過對(duì)不同角度的斜坡的靈敏度分析，認(rèn)為斜坡的穩(wěn)定性對(duì)泥巖的內(nèi)聚力比對(duì)材料密度和內(nèi)部摩擦角更敏感。分別在靜力條件和地震條件下，總結(jié)了不同坡角和內(nèi)聚力作用下的安全系數(shù)（Fs），繪制了安全系數(shù)等高線圖來表示穩(wěn)定邊界，并對(duì)靜力條件和地震條件進(jìn)行了比較。

關(guān)鍵詞：邊坡穩(wěn)定性;數(shù)值評(píng)估;敏感性分析;擬靜力分析;泥巖

中圖分類號(hào)：TU411文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9944（2019）14-0259-03

1引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和“一帶一路”倡議的實(shí)施，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度逐步加大，尤其是公路建設(shè)步伐明顯加快，公路建設(shè)已逐漸向西部高地震烈度、地質(zhì)條件較差的地區(qū)推進(jìn)，西部山區(qū)公路具有線路長、邊坡數(shù)量多、邊坡工點(diǎn)資料匱乏、施工工期緊短等特點(diǎn)。因此對(duì)公路邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行快速且準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)顯得尤為重要。

邊坡穩(wěn)定性分析方法大致可分為兩類：即定性分析法和定量分析法。其中定性分析法即通過實(shí)地工程地質(zhì)勘察，對(duì)邊坡失穩(wěn)的主要因素、可能的破壞形式、易變形地質(zhì)體的成因和演化史進(jìn)行分析，從而給出被評(píng)價(jià)邊坡的一個(gè)穩(wěn)定性狀況及其可能發(fā)展趨勢(shì)的定性說明和解釋。定性分析法具有能夠快速對(duì)邊坡的穩(wěn)定狀況及其發(fā)展趨勢(shì)做出評(píng)價(jià)的優(yōu)點(diǎn)，但也存在一定的缺陷，在對(duì)邊坡穩(wěn)定進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)人為主觀因素太多。近些年來，隨著計(jì)算方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，定量分析法中的數(shù)值分析方法被廣泛應(yīng)用于工程實(shí)例中，數(shù)值分析方法能彌補(bǔ)剛體極限平衡法不能求出巖土體應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系以及與實(shí)際工作狀態(tài)不完全相符的不足，且計(jì)算結(jié)果較精確。

然而，眾多學(xué)者在運(yùn)用不同的數(shù)值分析方法分析邊坡的穩(wěn)定性時(shí)，對(duì)于材料特性、坡角和地震效應(yīng)等因素的組合沒有足夠的考慮。本文對(duì)不同因素對(duì)邊坡穩(wěn)定性的綜合影響進(jìn)行闡明。

2工程實(shí)例

2.1工程簡介

本文研究區(qū)域位于新疆天山地區(qū)，分析路段為WYSJ-1合同段，總體呈現(xiàn)東北一西南走向，該路段為連接天山南北的縱向大通道，線路位于高海拔和高地震烈度地區(qū)，且低強(qiáng)度泥巖分布廣泛，在該地區(qū)常發(fā)生震級(jí)較大的地震，震級(jí)大于⁶0的強(qiáng)震動(dòng)可引發(fā)大面積分布的滑坡。低強(qiáng)度的泥巖材料和地震都可能導(dǎo)致滑坡的形成。因此，評(píng)估該路段的邊坡穩(wěn)定性是必要的。

2.2邊坡材料的巖土特性

滑坡是否會(huì)發(fā)生受許多因素的影響，其中之一是邊坡材料的巖土特性，從鉆孔記錄中可以看出，該公路邊坡為強(qiáng)度較低的泥巖，具體參數(shù)如表1所示，這可能是邊坡發(fā)育的主要因素。所研究邊坡未風(fēng)化泥巖強(qiáng)度特征值：內(nèi)摩擦角為25°～30°，粘聚力為25kPa。風(fēng)化層泥巖強(qiáng)度特征值：內(nèi)摩擦角為26°～28°，內(nèi)粘聚力為10kPa。

3物理力學(xué)參數(shù)的靈敏度分析

利用極限平衡法，在GeoStudio軟件中考慮10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°這8種不同坡角的簡單邊坡模型如圖1所示。靈敏度分析可以確定邊坡穩(wěn)定性對(duì)哪個(gè)參數(shù)更敏感。在GeoStudio軟件中的SLOPE/w可以指定材料參數(shù)的取值范圍，并在使用每個(gè)參數(shù)值時(shí)自動(dòng)計(jì)算安全系數(shù)。材料特性是已知的：容重為18～20kN/m³，粘聚力為10～25kPa，內(nèi)摩擦角為25～30°。使用Morgenstern—Price方法進(jìn)行靈敏度分析。Mor-genstern-Price方法同時(shí)考慮了力和力矩的平衡，比Bishop法等極限平衡方法更為嚴(yán)格。

將靈敏度分析中的所有材料物理力學(xué)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化為介于0.0～1.0之間的值。0.0表示最低值，1.0表示最高值。對(duì)于本文，0.0表示粘聚力為10kPa且內(nèi)摩擦角為25°。1.0表示粘聚力為25kPa且內(nèi)摩擦角為30°。靈敏度圖（圖2）顯示了不同參數(shù)值下的計(jì)算安全系數(shù)。交叉點(diǎn)表示使用所有參數(shù)平均值（表1）時(shí)的安全系數(shù)。8個(gè)靈敏度圖的結(jié)果表明：安全系數(shù)對(duì)粘聚力最敏感，對(duì)材料容重最不敏感。因此，材料粘聚力被作為特別考慮的影響因素用于進(jìn)一步的邊坡穩(wěn)定性分析。

4安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

關(guān)于地震效應(yīng)，應(yīng)用偽靜力分析來揭示產(chǎn)生慣性力的地震震動(dòng)加速度的影響。在Geo-Studio軟件的極限平衡法中，這些力作用于每個(gè)單元質(zhì)心的水平和垂直方向。本文只考慮水平慣性力，并將其作為每個(gè)單元上的水平力，地震系數(shù)取0.05。

通過建模分別研究了坡角、泥巖粘聚力和地震效應(yīng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。根據(jù)坡角（10°～80°）和泥巖粘聚力（10～25kPa）的變化計(jì)算邊坡的安全系數(shù)（Fs）。模型所用的容重和內(nèi)摩擦角參數(shù)分別為其對(duì)應(yīng)的平均值：容重=19kN/m²，內(nèi)摩擦角=27.5°。分別對(duì)邊坡進(jìn)行了靜力分析和偽靜力分析。

根據(jù)安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果，繪制安全系數(shù)等值線圖如圖3所示。從圖3中可以看出，當(dāng)粘聚力小于12kPa時(shí)，泥巖邊坡的安全系數(shù)小于1.0;當(dāng)坡角大于75。時(shí)，泥巖邊坡的安全系數(shù)也小于1.0。在工程實(shí)踐中，安全系數(shù)值小于1.2被視為是不穩(wěn)定的，因此，由圖3可知，當(dāng)泥巖粘聚力大于16kPa或坡角小于60。時(shí)可認(rèn)為邊坡是穩(wěn)定的。

考慮地震因素的安全系數(shù)等值線圖如圖4所示。與靜態(tài)條件相比，斜坡更容易失穩(wěn)破壞。當(dāng)粘聚力小于13kPa時(shí)，邊坡的安全系數(shù)小于1.0。當(dāng)坡角大于65。時(shí)，粘聚力小于13kPa的泥巖邊坡的安全系數(shù)小于1.0。結(jié)合安全系數(shù)等值線圖表明，在地震條件下，坡度變得更加不穩(wěn)定。

總的來說，安全系數(shù)等值線圖表明：隨著粘聚力的增加和坡角的減小，邊坡變得更加穩(wěn)定。這些等高線圖可以方便地反映實(shí)際施工情況，有助于了解邊坡穩(wěn)定情況。

5結(jié)語

通過對(duì)邊坡材料物理力學(xué)參數(shù)的敏感性分析以及不同因素組合下的安全系數(shù)計(jì)算得到以下結(jié)論。

（1）邊坡安全系數(shù)對(duì)粘聚力最敏感，對(duì)材料容重和內(nèi)摩擦角較不敏感，因此在進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析時(shí)，要著重考慮粘聚力對(duì)安全系數(shù)的影響。

（2）與靜態(tài)條件相比，在地震條件下，坡度變得更加不穩(wěn)定。隨著粘聚力的減小和坡角的增加，邊坡變得更加不穩(wěn)定。