路堑边坡坡比设计研究

叶章华,王秋燕

(1.广东建筑职业技术学院经济管理系;2.华南理工大学土木与交通学院)

1 边坡设计的基本资料

(1)工程地质勘察报告。

这是对边坡进行稳定性分析与评价的主要资料,它包括边坡的地层结构,各地层的产状、停造、岩层的完整及破碎程度、风化程度等,覆盖层厚度及变化情况,可能破裂面(或滑动面)的位置、形态及潜在变化,地形变化及地貌特征等。

(2)水文条件。

边坡设计应掌握边坡地段处地表水及地下水的情况,包括雨季及枯水季节的地下水位情况,设计标准年限内的最大降雨量等资料。

(3)地震资料。

边坡设计时,应查阅国家地震烈度区划图、当地震烈度低于 VI度时地震烈度达到 VI度以上(含 VI)度时,应计算地震荷载的影响。

(4)土质调查试验报告。

在进行边坡设计时,应掌握土层的类别及物理、力学性质,它是在进行工程地质勘测时通过调查、钻(挖)孔采集各土层(地层)的原状土(岩)样,并以室内或原位试验方法取得的。各层土的物理力学性质指标有粒径级配、塑液限、天然含水量、土体天然容重、饱和容重、抗剪强度指标、渗透系数、水力坡度、原岩(岩块)强度,弱面强度(弱面抗剪强度)以及断层破碎带强度指标以及土(岩)样柱状剖面图等。

(5)相关工程资料。

边坡工程的设计应与相关工程相适应,尽量不影响相关工程的使用功能,因此,在设计前应收集相关工程的总体平面布置图、纵断面及横断面设计图,对于公路边坡工程还应搜集路基设计表。

(6)同类边坡工程的经验资料。

边坡设计时,在对当地的地质条件及降雨情况缺乏把握的情况下,对当地同类边坡工程的经验资料,包括边坡断面设计形状、坡比、台阶高度、台阶宽度、防护结构形式等进行深入细致的分析研究显得尤为重要。

(7)边坡开挖条件及边坡工程环境资料。

边坡开挖条件包括设计的边坡高度与坡比,边坡开挖方式等。边坡工程设计同时应考虑边坡工程对周边环境的影响,以保护与美化环境,因此在边坡设计前必须收集与边坡工程有关的环境资料。

2 初步设计

根据谢强等的研究(文献 5)成果,边坡坡度可由岩石回弹值、岩体块度及地下水折减系数确定,通过对大量边坡的统计分析,并进行曲线拟合得到了如下关系式

式中:θ是边坡坡度;R是岩石回弹值;D是岩体块度,cm;γw是地下水折减系数;γh是坡高折减系数。各符号的取值参考文献。

3 边坡破坏模式确定

3.1 常见边坡破坏模式

岩石边坡的破坏常见的类型有:(1)平面型破坏;(2)楔形破坏;(3)圆弧破坏;(4)倾倒破坏。

3.2 边坡破坏模式判别条件

3.2.1 四种破坏模式的赤平投影

利用结构面及其组合的赤平投影表示法确定结构面产状与两组结构面的组合交线,具体作法可参照参考文献。四种破坏模式的赤平投影表示如下,边坡面可用赤平投影圆弧表示,而节理面则用它的极点表示。

3.2.2 四种破坏模式判别条件

(1)圆弧型破坏模式。

如图 1(1),圆弧型破坏的特点是极点分布均匀,有下列条件之一者均可判定为有此类型的滑动:

图 1 四种破坏模式的赤平投影表示

图 2 发生平面破坏的条件

图 3 发生楔型破坏的条件

图 4 发生倾倒破坏的条件

①均匀松散介质、冲积层、大型岩层破碎带;

②有三组或多组产状各异的软弱结构面存在;

③强风化、碎裂结构的岩体;

④软弱面的产状各异且均不与边坡面同向;

⑤两侧面须脱开。

(2)平面破坏模式。

如图 1(2),平面破模式的特点是极点集中,极点等值线优势结构面几乎与边坡面产状一致。发生平面破坏的条件见图2。

①滑动面的走向必须与坡面平行或接近平行(约在 20°的范围之内);

②破坏面必须在边坡面露出,就是说它的倾角必须小于坡面的倾角,即 ψf＞ψp;

③破坏面的倾角必须大于该面的摩擦角,即 ψf＞ψ;

④岩体中必须存在对于滑动仅有很小阻力的解离面,它规定了滑动的侧面边界。另一种可能的情况是,破坏在穿通边坡的凸出的“鼻部”的破坏平面上发生。

综合上述,发生平面破坏的条件:ψf＞ψp＞ψ,其中,ψf为边坡角;ψp为滑面角或组合交线倾角;ψ为弱面抗剪角,见图 3。

(3)楔型破坏模式。

如图 1(3),楔型破坏的特点是极点等值线优势中心有两个或两个以上。像在平面破坏中的情况一样,发生楔体破坏的条件由 ψfj＞ψi＞ψ来规定,其中 ψfj是在正交交线的视图上测定的坡面倾角,而 ψi为交线的倾角,见图 4。

(4)倾倒破坏模式。

如图 1(4),倾倒破坏的特点是优势结构面走向几乎与边坡一致。

如图 4,一个置于斜面上的岩块,h代表岩块高度,b代表底边长,W代表岩块重力,Φ为斜面倾角,φ为摩擦角,对这个单一的岩块而言,发生滑动与(或)倾倒的条件如下:

①φ＜Φ以及 b/h＞tanφ岩块是稳定的,不滑动也不倾倒;

②φ＞Φ以及 b/h＞tanφ岩块将滑动,但不倾倒;

③φ＜Φ以及 b/h＜tanφ岩块将倾倒,但不滑动;

④φ＞Φ以及 b/h＜tanφ岩块能够同时滑动和倾倒。

4 绘制诺谟图

对各种破坏模式进行了各种边坡高及岩性情况下的稳定性计算,绘制了设计安全系数 K与边坡高度 H的曲线K=f(H)的诺谟图,可确定在已知 C、φ值及坡比下安全系数K与边坡高度的对立关系。下面以平面剪切型和圆弧型为例。

诺谟图的横坐标为边坡高度H,纵坐标为边坡安全系数K值,在一定的坡比下,由不同的 C、φ值可给出一系列 K=f(H、C、φ)曲线,该图的作用主要有以下两点。

(1)已知滑动类型及坡比值和 C、φ大小 ,求一定边坡高度H下的边坡安全系数大小(如实例 1)。

(2)已知滑动类型和 C、φ值,求在给定的边坡安全系数下,当坡比为某一设定值时的对应边坡高度H的值(如实例2)。

图 5 实例 1求边坡安全系数

图 6 实例 2由安全系数求边坡高度

实例 1:已知圆弧型滑动,坡比值为 1∶1.25,C=0.04MPa(40kPa),φ=22°,求当H=22m时的安全系数 K的大小。

解:先找到 1∶1.25坡比下的一张诺谟图,如图 5所示。

在 H轴上取A点,H=22m,由 A点作平行于K轴的直线交曲线于 B点,K=f(c=0.04,φ=22°,H=22),再由 B点作平行于H轴的直线交 K轴于C点,C点 K=1.38,即为所求。

实例 2:已知圆弧型滑动,C=0.05MPa,φ=20°,求当 K=1.2时在坡比为 1∶1.25时的边坡高度 H值。

解:如图 6所示,在 K轴上取 K=1.2时的点A,由 A点作平行于 H轴直线 AB与 K=f(c=0.05,φ=20°,H)曲线相交于 B点。过 B点作BC平行于 K轴与 H轴相交得 C点,C=28m即H=28m边坡高度即为所示。也可已知H求合理的坡比。

5 结 论

经过初步设计,分析边坡可能产生的破坏模式,再经过试验数据进行边坡稳定性分析绘制了安全系数与边坡高度的诺谟图来进行路堑边坡坡比设计。弥补通过查设计规范与有关资料所列的坡比推荐值等缺乏定量指标来控制的不足,减少设计者在选择边坡坡比时的盲目性。针对具体工程的地质条件,可通过相关实验取得实验数据,再用以上方法进行设计。

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