祝方才;刘佳鹏;刘增杰
【摘 要】基于仿真软件Geo-Slop,应用Morgenstern-Price法、Spencer法、Janbu法和Bishop法,分别对深圳外环高速公路某路堑边坡在天然状态和饱和状态下进行稳定性分析,计算得到最危险滑裂面以及相应的边坡安全系数.同时,根据现场调查,基于不平衡推力法分析出边坡最可能的滑裂面,并计算得到沿该滑裂面的安全稳定系数.通过数值分析和现场调查结果对比,得出以下结论:坡体在天然状态的安全系数大于1.0,接近1.2,边坡是稳定的,而在饱和状态下其安全系数小于1.0,坡体不稳定;数值计算分析得到的滑裂面位置与现场调查分析得出的滑裂面的位置一致,证明了结果的可靠性;最后,考虑到该地区雨水多发,坡体在饱和状态下安全系数小于1.0,建议及时对坡体进行支护,防止边坡失稳.
负债率【期刊名称】《湖南工业大学学报》
【年(卷),期】2019(033)002
练月琴>新乡学院学报【总页数】5页(P1-5)
范文同【关键词】Morgenstern-Price法;Spencer法;Janbu法;Bishop法;不平衡推力法;边坡稳定性
【作 者】祝方才;刘佳鹏;刘增杰
【作者单位】湖南工业大学 土木工程学院,湖南 株洲 412007;湖南工业大学 土木工程学院,湖南 株洲 412007;湖南工业大学 土木工程学院,湖南 株洲 412007
【正文语种】中 文
【中图分类】TU457
0 引言
随着我国国民经济的迅猛发展，基础设施建设大力推进，建设过程中形成了大量边坡，边坡稳定性分析成为岩土工程中的一项重要研究课题。边坡稳定分析的方法有很多，主要包括强度折减法和极限平衡分析法。极限平衡分析法主要包括Spencer 法、Janbu法、Bishop法及不平衡推力法，该方法计算简单，经过工程检验，因而至今仍然是应用最广的一种方法；强度折减法不用事先假定滑裂面的位置便能得出边坡的变形、安全系数及滑裂
面等工程所需参数值，然而其缺少统一的边坡极限破坏判断标准，因而该方法在实际工程中应用较少[1]。
本文以某工程实际路堑边坡为研究背景，考虑到实际发生滑坡通常在降雨后土体达饱和状态，因此考虑了天然和饱和两种工况，分别采用工程上常用的几种边坡稳定方法，计算了边坡的安全稳定系数、滑裂面的位置及形状、剪出口的位置，同时讨论了上述几种边坡稳定分析方法的优缺点，为工程实际应用中选择边坡稳定评价方法提供参考，也为边坡是否需要支护和支护后的安全性评价提供可靠的选择依据。
1 几种极限平衡分析法及其不足
不平衡推力法[2-3]是针对滑裂面为折线的条件下提出的，它假定条间力的作用方向与上一条块的滑裂面方向平行。该方法是我国工程技术人员创造的一种实用滑坡稳定分析方法，由于计算简单，而且能够为滑坡治理提供设计推力和安全稳定系数，在我国水利部、铁路部门得到了广泛的应用，国家规范和行业规范都将其列为推荐方法使用。目前的一些研究表明，不平衡推力法的分析结果在某些情况下会产生较大误差，且计算结果偏于不安全。如果在这种情况下仍然采用不平衡推力法进行分析，将给工程带来隐患，危及国家财产和
人民的生命安全。
Morgenstern-Price 法假定两相邻土条的法向条间力和切向条间力之间存在一对水平方向的坐标函数关系，使用条分法对滑动岩土体进行受力分析，针对的是人为假定的土体极限平衡条件，不能提供边坡位移信息，且需要事先假定若干个滑动面[4]。
Spencer 法[5]假定相邻土条之间的法向条间力和切向条间力之间有固定的常数关系，采用土条分析法对法边坡进行稳定分析，该方法需要事先假定滑裂面来确定最危险滑裂面和最小安全系数。该方法虽然满足力矩平衡条件和竖直方向上力的平衡，但不满足水平方向上力的平衡；另一方面，当滑裂面顶部不存在侧向力时，该方法计算出来的安全系数值的精度较低，会给工程带来安全隐患[6]。
Janbu 法[7]假定整个滑裂面的安全系数一致，滑裂面的位置已事先假定，土条上所有垂直荷载的合力作用线和滑裂面的交点与滑裂面的法向反力作用于同一点，可采用此方法求出一般情况下土坡稳定安全系数和滑裂面上的应力分布。Janbu 法最突出的缺点是不易收敛，特别是条数超过20 时，几乎不能得到收敛的解答[8]。
Bishop 法[9]假定土坡稳定是一个平面应变问题，其根本原理是圆弧滑动面分析，且以库伦强度理论为基础。该方法首先假定稳定系数K，然后反算稳定系数计算值F，重复计算至K 与F 之间的相对误差在规定的范围内。Bishop 法的不足之处在于不考虑土条之间的作用力，与水平力间的夹角为0，忽略成对条间力产生的力矩，因而忽略了土体内部应力分布的真实情况[10]。
2 算例分析
2.1 工程概况
项目位于深圳国际低碳城的北侧山区，场地所在位置为丘陵地区，如图1所示。
根据现场岩性鉴定和勘察报告，结合室内土工试验及现场标准贯入试验成果，地层岩性主要为燕山晚期花岗岩，其强度高，属坚硬岩，风化厚度不一，基岩局部裸露，局部见球状风化孤石出露，钻孔揭露局部有孤石发育。局部风化层较厚的岩石遇水易软化崩解，边坡开挖易发生崩塌、水土流失等不良地质现象。现状边坡路面设计标高67.84～68.29 m，最大挖方高度为29.46 m。设计分三级开挖，分级坡高10 m，分级平台宽2 m；边坡剖面如 图2所 示，本研究针对未支护开挖情况下边坡的安全稳定系数进行讨论。 图1 边坡全貌Fig.1 A physical picture of the slope
图2 边坡剖面图Fig.2 A profile map of the slope
2.2 两种方法的安全稳定性系数计算
本工程岩土层物理力学参数经现场岩性鉴定，结合土工试验及标准贯入试验成果取值如表1所示。
23mm航炮表1 模型参数选取表Table1 Model parameter selection table名 称粉质黏土全风化花岗岩强风化花岗岩中风化花岗岩微风化花岗岩重度/(kN·m-3) 黏聚力/kPa 内摩擦角/(°)天然18 20 22 23 24饱和19 21 23 24 25天然00 018 00 025 00 028 20 000 50 000饱和00 016 00 022 00 024 10 000 30 000天然20 23 25 35 40饱和18 20 23 30 35
2.2.1 不平衡推力法稳定性计算
1）沿不同风化界面的滑动破坏
根据边坡设计的开挖情况，开挖范围主要位于全风化～强风化花岗岩体，在坡脚部位达中
风化和微风化岩面。通过现场勘察分析得出，滑动面位于强风化和中风化交界面处。滑坡后缘可能依附于现场测量得到的一组陡立结构面（128°∠78.5°）生成。边坡的破坏模式为开挖引起沿强风化和中风化的岩体交界面滑动。中国公众科技网
2）沿组合结构面的楔形滑动
根据地勘报告孔内摄像成果分析，边坡体内存在多组优势结构面，在这些优势结构面组合作用下，可能形成沿组合结构面的楔形体滑动，如图3所示。从图3可以看出：B8 补G4_X1 与B8 补G4_X3、B8补G4_X3 与B8 补G4_X5、B8 补G4_X1 与B8 补G4_X5 组成的楔形体均处于滑动区，对“左开挖面”为顺倾不利楔形体，破坏模式为楔形滑动破坏。
图3 优势结构面组合作用形成的楔形滑动Fig.3 Wedge-shaped sliding caused by the combinated action of dominant structure planes
通过上述分析，推测该路堑边坡开挖后的破坏模式主要有两种：第一种为沿不同风化界面的滑动破坏，可能表现为滑动规模较大的整体性滑动；第二种为沿组合结构面的楔形体滑动，表现为开挖后局部的掉块、碎落等破坏。因此，本研究对上述两个指定滑动面破坏计
算采用不平衡推力法计算，结果如表2～3所示。由表格计算可得边坡在天然和饱和状态下的安全稳定系数分别为1.280 和0.930。
表2 沿第1 层滑动面滑动（天然状态）的计算结果Table2 Calculation results of slide along the sliding surface of first slip layer (natural condition)条块编号稳定系数1 2 3 4条块面积/m2 09.83 68.05 82.24 40.98重度/(kN·m-3)23.00 23.00 23.00 23.00条块重/(kN·m-1)0 217.36 1 497.10 1 809.28 0 901.56滑面倾角/(°)79.00 31.00 31.00 31.00滑面长度/m 10.36 7.24 9.31 6.54黏聚力/kPa 25.00 25.00 25.00 25.00内摩擦角/(°)28.00 28.00 28.00 28.00传递系数0.00 0.27 1.00 1.00剩余下滑力/kN 0 30.08 0 591.04 1 365.77 1 751.81 1.280
表3 沿第1 层滑动面滑动（饱和状态）的计算结果Table3 Calculation results of slide the sliding surface along the first layer (saturated condition)条块编号稳定系数1 2 3 4条块面积/m2 10.64 68.05 82.24 40.98重度/(kN·m-3)24.00 24.00 24.00 24.00条块重/(kN·m-1)0 235.853 1 633.200 1 973.700 0 983.498滑面倾角/(°)79.00 31.00 31.00 31.00滑面长度/m 10.36 07.24 09.31 06.54黏聚力/kPa 23.00 23.00 23.00 23.00内摩擦角/(°)24.00 24.00 24.
00 24.00传递系数0.00 0.37 1.00 1.00剩余下滑力/kN 00 32.81 0 711.46 1 556.62 1 977.76 0.930
2.2.2 边坡稳定性计算
应用边坡稳定性分析软件Geo-Slop 分别采用内嵌Morgenstern-Price 法、Spencer 法、Janbu 法、Bishop法对边坡进行了数值模拟，得到边坡在天然和暴雨两种工况下的边坡稳定安全系数、滑裂面的位置及形状、剪出口的位置，计算结果如图4所示。
图4 不同工况下4 种边坡稳定计算方法的计算结果Fig.4 Computational results of four slope stability calculation methods under different working conditions
当边坡处于天然状态或饱和状态下时，边坡的安全系数值差值小于较大值的1%，因此，由于选择计算方法造成的误差可忽略不计；另一方面，边坡处于天然状态和暴雨工况下的最危险滑裂面均位于半土半岩状的强风化花岗岩层中，各种边坡稳定分析方法得到的滑裂面形状相差不大，滑裂面都呈圆弧状沿边坡横向发展，且饱和状态下，滑裂面横向发展更明显，滑块体积呈现出增大的趋势；滑坡剪出口位于第一级边坡中部强风化与中风化交界面附近，且天然和饱和状态下边坡的剪出口位置基本无差别。
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