公路路基邊坡穩(wěn)定性的影響因素分析

（江西理工大學(xué) 建筑與測繪工程學(xué)院，江西 贛州 341000）

0 引言

影響邊坡穩(wěn)定性的原因是多方面的，可分為自然因素和人為因素，邊坡的穩(wěn)定與否是各類因素一同作用的結(jié)果，任何一個因素的變化都有可能改變邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)[1]。

影響路基邊坡穩(wěn)定性的自然因素主要為：巖性、巖土體結(jié)構(gòu)、地表水、地下水流、地殼震動等，除了這些影響因素外，還有氣候、地貌、風(fēng)化作用等自然因素。在眾多的自然因素中，其中水被認(rèn)為是引發(fā)邊坡失穩(wěn)的主要原因，它無疑是影響路塹邊坡穩(wěn)定性和填土邊坡穩(wěn)定性的主要因素，包括“內(nèi)部”和“外部”邊坡的破壞，因此，水是評價邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。在無粘性土中，水對土體內(nèi)摩擦角沒有影響，對地下水位以下無粘性土壤的影響是降低土顆粒間的有效應(yīng)力，從而降低摩阻力。地下水位隨季節(jié)性波動通常不會影響土壤顆粒孔隙間的含水量或黏聚力，除非外力（例如打樁）破壞顆粒結(jié)構(gòu)，否則土壤顆粒之間的吸力會阻止水分的吸收，但是，某些粘土礦物會與水發(fā)生反應(yīng)，并引起粘土質(zhì)量與體積變化，吸收水分的增加是粘性土強(qiáng)度下降的主要因素，粘土礦物吸收的水分會引起土體含水量增加，從而降低粘性土的黏聚力，如果粘土礦物恰好是膨脹土（如蒙脫石），這些效應(yīng)就會被放大。盡管許多自然因素可能人為沒法控制和改動，不過我們可以預(yù)先判斷分析并加以防范，為保證邊坡的穩(wěn)定性，保障人民群眾的財(cái)產(chǎn)和生命安全做貢獻(xiàn)。

影響路基邊坡穩(wěn)定性的人為因素主要為：削坡、坡頂加載、開挖、爆破、加固等，其中開挖可分為邊坡開挖和地下開挖，邊坡的開挖對邊坡穩(wěn)定性的影響主要表現(xiàn)在邊坡坡高與坡比，坡高越高，坡比就越大（邊坡角越陡）；地下開挖主要是礦山的開采和修建鐵路、公路隧道等，它會引起的地面滑動和邊坡失穩(wěn)[2]。

影響路基邊坡穩(wěn)定性因素除了自然因素和人為因素外，在對路基邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析時，不同的物理力學(xué)參數(shù)在很大程度上會影響邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)，如土體的彈性模量、泊松比、黏聚力、內(nèi)摩擦角等[3]，陳建東[4]采用FLAC3D 軟件對路堤邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，在其它的幾何物理力學(xué)參數(shù)不變的情況下，通過改變土體彈性模量E 值的大小，計(jì)算得到的安全系數(shù)為一個定值，表明彈性模量不影響邊坡的穩(wěn)定性。匡林[5]采用有限元軟件Ansys 中的三種方法分別對邊坡進(jìn)行分析，通過三種方法的計(jì)算結(jié)果可以得到，彈性模量、泊松比對邊坡穩(wěn)定性影響都極小，但黏聚力與內(nèi)摩擦角對其影響較大。由于應(yīng)用范圍、假設(shè)、計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)以及其他人為因素的影響，同一模型不同的方法計(jì)算得到的結(jié)果也有所差別，不同分析方法具有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，適用范圍也不一樣，在實(shí)際工程應(yīng)用中，需要根據(jù)邊坡巖土體地質(zhì)條件和滑動面的形狀綜合考慮以選擇適合的分析方法。

1 邊坡穩(wěn)定性分析方法

邊坡穩(wěn)定性分析方法的種類很多，目前常用的方法主要為極限平衡法和有限元法。極限平衡法經(jīng)多年的發(fā)展，基礎(chǔ)理論已很完善，下面簡單介紹幾種常用的極限平衡法：

1.1 瑞典圓弧法

瑞典圓弧法假設(shè)土體內(nèi)摩擦角等于零，即cτ= ，換言之，當(dāng)摩擦角等于零時，有效應(yīng)力則變?yōu)榱悖瑥亩辜羟袕?qiáng)度等于土體的黏聚力。瑞典圓弧法假定一個圓形破壞面，并利用圓形幾何和靜力學(xué)分析應(yīng)力與強(qiáng)度參數(shù)，將邊坡滑動力矩與抗滑力矩進(jìn)行比較，若是抗滑力大于滑動力，則判定邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

1.2 簡化Bishop 法

改進(jìn)的Bishop 法與普通的條分法略有差別，因?yàn)榧僭O(shè)相鄰?fù)翖l之間的相互作用力是共線的，條間剪切力為零，該方法是由畢肖普提出，條間法向力的約束使之成為超靜定問題，因此，必須采用迭代法求解安全系數(shù)，該方法已被證明算出的安全系數(shù)值誤差是正確值的百分之以內(nèi)。

1.3 簡化Janbu 法

分析非圓形滑動面的困難在于，難以找到多個分力作用于其中的一點(diǎn)，因此，用于圓形滑動面力矩平衡方法不再適用，Janbu 選擇在隨后的分析中使用力平衡方法。

2 影響路基邊坡穩(wěn)定性相關(guān)因素分析

2.1 計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)

選擇一個路堤邊坡作為算例，該路堤高H=10m，假定邊坡為一個均質(zhì)土坡，模型相關(guān)計(jì)算尺寸如圖1所示，單位為m，邊坡力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖1 邊坡模型

表1 力學(xué)參數(shù)表

分析過程中采用單一變量的控制原則，即僅改變表1中某個材料力學(xué)特性參數(shù)，而其它參數(shù)值保持不變。所要分析的影響因素包括：黏聚力、內(nèi)摩擦角及分析方法的選取。運(yùn)用同濟(jì)曙光邊坡穩(wěn)定性分析軟件，采用總應(yīng)力模式，計(jì)算出邊坡穩(wěn)定系數(shù)。

2.2 黏聚力對路基邊坡安全系數(shù)的影響

黏聚力是物質(zhì)（體）分子或顆粒間黏結(jié)凝聚之力，是土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)之一，為了討論黏聚力對邊坡穩(wěn)定性的影響，在表1中其它基本力學(xué)參數(shù)不變情況下，考慮的黏聚力分別為：12、14、16、18、20kPa，分析得到邊坡安全系數(shù)Fs隨黏聚力c 的變化情況如表2所示。

表2 不同黏聚力c 下邊坡的安全系數(shù)Fs值

從表2可以看出，黏聚力的改變對安全系數(shù)影響顯著，隨著黏聚力的增大，安全系數(shù)也跟著增大，其原因主要是土體的黏聚力增大，路基邊坡的應(yīng)力、應(yīng)變和位移的減小，邊坡的抗剪強(qiáng)度也越高，這使得邊坡的抗滑能力隨之提升，從而使得邊坡更加穩(wěn)定，邊坡安全系數(shù)就越大。在對路基邊坡進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工中，應(yīng)根據(jù)土體黏聚力的變化采取相應(yīng)的設(shè)計(jì)和工程舉措。

2.3 內(nèi)摩擦角對路基邊坡安全系數(shù)的影響

內(nèi)摩擦角是土或巖石的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)之一，反映土或巖石內(nèi)部各顆粒之間摩擦力的大小。為了討論內(nèi)摩擦角對邊坡穩(wěn)定性的影響，在表1中其它基本力學(xué)參數(shù)不變情況下，考慮的內(nèi)摩擦角分別為：13、15、17、19、21°，計(jì)算得到路基邊坡安全系數(shù)Fs隨內(nèi)摩擦角φ的變化情況如表3所示。

表3 不同內(nèi)摩擦角 φ下邊坡的安全系數(shù)Fs值

由表3可以看出，內(nèi)摩擦角對路基邊坡安全系數(shù)影響較大，隨著內(nèi)摩擦角的增大，安全系數(shù)也隨之增加。

3 結(jié)論

通過對影響路基邊坡穩(wěn)定性的因素進(jìn)行了總結(jié)和歸納，采用同濟(jì)曙光邊坡穩(wěn)定性分析軟件，著重分析了土體的黏聚力、內(nèi)摩擦角以及分析方法的選取等因素對路基邊坡穩(wěn)定性的影響，得到，以上四種計(jì)算方法中，采用簡化Janbu 法計(jì)算得到的安全系數(shù)最小，傳遞系數(shù)法算出的安全系數(shù)最大；黏聚力和內(nèi)摩擦角對邊坡的穩(wěn)定性影響都較大。