地震區路基邊坡穩定性與填料特性的研究

【摘 要】JTG B02-2013《公路工程抗震規范》對路基限高有明確規定，但路基邊坡穩定性不僅受高度影響，更與填料性質密切相關，填料性質對破壞模式影響巨大，以簡單的填料分類對震區邊坡進行高度限制，并不能完全有效進行邊坡穩定性判定。路基限高規定中填料分類僅為兩種，未對其具體性質做出要求，而天然填料性質差異大，為合理使用限高規定，本文采用理正和GEO5軟件，對不同地震力作用下的代表性細粒土和粗粒土路基邊坡，進行穩定性分析，探討地震（非浸水）地區適用高度限值規定的邊坡填料性質要求。計算分析得知，地震（非浸水）地區路基高度限值規定下，不同道路等級和地震動峰值加速度時，細粒土填料有材料性質要求，需合理選擇填料；而粗粒土填料無進一步性質要求，規范允許的天然粗粒土填料均可采用。

【關鍵詞】道路工程； 邊坡穩定性； 細粒土邊坡； 粗粒土邊坡

【中圖分類號】U416.1+4【文獻標志碼】A

0 引言

邊坡穩定性問題是巖土工程界的經典問題之一，評價方法大體可以分為：定性分析方法，定量分析方法，不確定性分析方法。邊坡的穩定受很多因素的影響，如降雨、地震、人工開挖、各種荷載作用、巖土體工程性質等，而降雨和地震則是最主要也是較為常見的兩個因素，學者們進行了大量研究［1-5］。

地震地區邊坡除了基于工程地質調查、烈度和地震動參數評價法外，主要還是采用定量分析法進行工程設計，主要分為擬靜力法，Newmark滑塊分析法、數值分析法、模型試驗法以及多種方法相結合的綜合法［6］。

其他學者研究得知，地震區巖土邊坡填料性質對破壞模式也影響巨大，且分析時宜充分考慮動力效應，若采用靜力分析法，應選取動力參數，若采用完全動力分析法則可采用邊坡的巖土靜力參數［7］。巖土體的強度在震動過程中會有所衰減，而目前的方法大多沒有考慮巖土體強度的減小［6］。總的說來，不論何種方法，是否考慮動應力，邊坡穩定性分析結論很大程度上依賴于巖土材料參數取值的可靠性，對經驗判斷要求較高［8-11］。

公路工程設計中多采用靜力法進行抗震穩定性驗算，填料性質參數的取值對穩定性判定起關鍵作用，而以簡單的填料分類對震區邊坡進行高度限制，并不能完全有效進行邊坡穩定性判定。盡管目前我國的抗震設計規范存在一定不足，但從實際情況看，按照規范設計的公路在一定程度上經受了地震的考驗［12］，故遵循規范進行設計，深入理解各項規定尤為必要。

1 地震區路基填料分類及邊坡高度限值規定

JTG D30-2015《公路路基設計規范》［13］和JTG B02-2013《公路工程抗震規范》［14］分別對路基穩定性判斷、路基限高做出了規定，JTG B02-2013《公路工程抗震規范》將地震（非浸水）地區填料分為兩大類，一類為巖塊和細粒土，另一類為粗粒土。

按地質分類，細粒土和粗粒土的區分主要以顆粒粒徑大小及其占比為指標［15］，不論細粒土還是粗粒土的內摩擦角和粘聚力的范圍比較寬泛，不同取值對邊坡穩定性影響較大，本文對地震（非浸水）地區適應于高度限值規定的邊坡，探討其對填料性質的要求。

JTG B02-2013《公路工程抗震規范》［14］，對路基限高規定如表1所示。

2 邊坡穩定性計算模型及方法介紹

2.1 建模邊界條件

2.1.1 關于道路等級

高速公路、一級公路及二級公路除了道路寬度外，抗震重要性修正系數、計算水平地震力時的綜合影響系數及邊坡抗震穩定系數要求的取值一致，經計算對比，路幅較寬時，車輛附加荷載不變的情況下，破裂面位置不受道路寬度影響，計算穩定系數結果相同，故高速公路、一級公路及二級公路穩定性分析取同一種寬度建模。

三、四級公路由于動峰值加速度小于0.4g時，規范未要求對其進行路基抗震穩定性驗算，且三、四級公路抗震重要性修正系數和邊坡抗震穩定性系數要求與高等級公路不同，無法根據穩定性分析結果對比進行填土材料性質研究，故本文不對三、四級公路進行單獨分析。

2.1.2 關于填料分類

填料內摩擦角和粘聚力取值范圍很廣，同一類填料的內摩擦角和粘聚力共同決定填料性質，直接影響邊坡穩定性。基于隨機相應面法和薩瑪法的邊坡可靠度分析也同時表明邊坡安全系數與內摩擦角和粘聚力密切相關，尤其是粘聚力影響明顯［16］。粗粒填料除了材料本身性質外，級配不良會造成不易壓實［17］ ，從而導致綜合內摩擦角不足。本文據表1，考慮細粒土和粗粒土特性，探討其滿足穩定性要求所需具有的內摩擦角和粘聚力。

2.1.3 主要計算參數取值

分析時主要計算參數取值見表2。

2.2 穩定性分析方法簡介

邊坡穩定性分析時，使用的計算軟件為理正和GEO5，采用常用圓弧滑動或折線滑動法進行對比計算：

（1）細粒土邊坡穩定采用圓弧滑動法（畢曉普法）。

（2）粗粒土邊坡采用圓弧滑動法（畢曉普法）和折線滑動法（不平衡推力法（隱式）、摩根斯坦法等）。

3 路基邊坡穩定性與填料性質的關系

3.1 細粒土路基邊坡穩定性與填料性質的關系

3.1.1 細粒土填料計算參數

擬定三種細粒土，計算參數見表3。

3.1.2 細粒土邊坡穩定性計算結果

細粒土邊坡穩定性計算采用圓弧滑動法計算，滑動破裂面形式見圖1。

圖1 細粒土邊坡滑動破裂面示意地震地區細粒土填筑路基限高均小于20 m，按規范規定，僅考慮水平地震作用力，由于理正軟件無法選擇單向地震作用力，故計算結果為同時考慮水平和豎向地震力作用，而GEO5計算時，則按規范規定僅考慮水平地震力。邊坡穩定性計算結果見表4。

3.1.3 細粒土邊坡的填料性質要求

對比表1和表4得出，按規范中路基高度限值進行設計時，細粒土路基填筑材料應符合表5，以滿足邊坡穩定性要求。

3.2 粗粒土路基邊坡穩定性與填料性質的關系

3.2.1 粗粒土填料參數

本文采用常用綜合內摩擦角35°和40°的代表性粗粒土填料［18］進行穩定性分析。

雖然合格的天然粗粒土填料粘聚力不可能為0，但從填料性質研究角度，仍然將c值為0時的填料進行了穩定性計算，填料參數取值見表6。

當c值為0時，采用理正軟件計算（表7），不論圓弧滑動法還是直線滑動法，均呈現穩定系數與填土高度關系較小，且邊坡均無法滿足穩定系數安全性要求。

而采用GEO5軟件計算（表8）時，不論圓弧滑動法還是折線滑動法計算，均有計算滑面位置不穩定的情況，計算結果由于局部失穩搜索位置的隨機性，造成穩定性系數不規律。由于折線滑動法使用薩瑪法、簡布法或摩根斯坦法出現較多無法計算滑動面傾角的情況，故表8僅羅列圓弧滑動法（畢曉普法）和折線滑動采用不平衡推力法（隱式）的計算結果。

水平和豎向地震作用力下，粘聚力為0的特殊粗粒土路基邊坡采用圓弧滑動法和折線（直線）滑動法計算后，理正軟件計算結果（表7）表明穩定系數與填土高度相關性極小，而GEO5軟件計算結果（表8）表明，邊坡呈現局部失穩情況，且失穩位置有一定隨機性。

進一步計算可知，當c大于0時，理正計算結果呈現與填土高度相關的規律性，GEO5計算形成圓弧或折線滑動面（圖2和圖3）。而天然填筑材料除了極細砂或者潔凈度較高的細砂外，c值均不為0，抗震規范要求不可使用極細砂和細砂填筑，故實際工程中，地震地區粗粒土路基邊坡可采用圓弧或折線滑動法進行穩定性計算。

3.2.2 代表性粗粒土路基邊坡穩定性分析

本文對代表性粗粒土填料（綜合內摩擦角35°和40°）的邊坡（填土高度2～12 m），進行穩定性分析，根據填高不同，按土體抗剪強度相等的原理［15、18］反推φ、c值，統計出在不同動峰值加速度作用下，不同φ、c值時滿足邊坡穩定性要求的規范限值邊坡高度，以滿足穩定條件時c值為最小，進行列表，結果見表9和表10。

3.2.3 粗粒土邊坡的填料性質要求

對比表1和表9、表10得出，高速公路、一級公路和二級公路，要求穩定系數K≥1.1，設計時取規范中路基高度限值時，粗粒土路基填筑材料性質應滿足表11要求，否則應降低路基高度、放緩坡率或加固邊坡處理。

4 結束語

地震（非浸水）地區的填方邊坡，由于地震力作用，JTG B02-2013《公路工程抗震規范》［14］路基高度限值條件下的邊坡，需對填筑材料進行合理選擇。

4.1 細粒土填筑材料

高速公路、一級公路地震動峰值加速度0.3g時要求選擇φ和c均不小于20且其中之一數值不小于25的填料，動峰值加速度0.4g時選擇φ和c均不小于20的填料。

二級公路動峰值加速度0.3g時無限高規定，按實際填料性質進行穩定性分析；動峰值加速度0.4g時，需采用φ不小于25°且c不小于20 kPa的填料。

不滿足條件的細粒土填筑的邊坡應根據高度進行穩定性分析，不能直接套用規范中高度限值規定。

4.2 粗粒土填筑材料

天然粗粒土填料的粘聚力（細砂、極細砂除外）均能達到5 kPa，故可以認為選擇規范規定的粗粒土填料在路基高度限值內設計時無進一步材料性質要求。

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［作者簡介］王蓉（1977—），女，碩士， 高級工程師，從事路基、路面專業設計工作；甘善杰（1965—），男，碩士， 教授級高級工程師，從事路基、路面專業設計工作。