土质临时边坡设计细部优化

乐生耀路永卫田华（天津市水利勘测设计院 天津 300204）

土质临时边坡的设计主要是在与主体结构相适应且满足施工要求的情况下，确定土坡断面形式。其设计计算较为简单，又受主体结构制约。从津塘地区工程情况来看，只要降水效果理想，开挖深度8 m以内，边坡的稳定性是有保证的，并且临时土坡坡面设计时可以从技术经济角度优化。

1 优化坡面线

1.1 工程实例

地勘描述如下：某输水管线工程，边坡土质由壤土、粘土组成，为粘性土均一结构边坡，临时边坡开挖深度约为8.0 m，开挖深度较大，建议4 m左右增设一级马道。临时边坡坡比为水上1:1.5～1:2.0，水下1:2.0～1:2.5。地下水水位较高，存在于粘土和壤土中，为防止基坑边坡在地下水作用下产生塑流变形，致使边坡失稳，建议工程施工时先进行降水，然后再进行基坑开挖。若进行了有效降水，边坡可适当变陡。土体物理力学指标建议值见表1。

表1 土体物理力学指标建议值表

1.2 优化前设计

依据地勘资料，要求工程施工前先进行20 d左右降水，边坡于挖深4 m处设置2 m宽马道，由于地勘提供了水上水下的建议坡比，通过降水的折减，取用马道以下坡比1:1.25，马道以上坡比1:1。稳定计算时，坡顶附加20 KPa施工荷载，考虑2 m的安全距离，马道处增加5 KPa活荷载。采用简化毕肖普法计算，自动搜索圆心坐标，考虑地下水稳定渗流作用。

为方便比较，坡面均取坡脚坐标（0，0）；坡顶坐标（11，8）。计算简图与结果如图1：

图1 坡面计算简图

计算得，滑动安全系数K=1.193>1.05，满足要求。

1.3 优化坡比设计

上述计算过程及方法并无问题，实际设计中亦可根据上述计算结果进行设计。下面改变坡面形式，仍然在挖深4 m处设置2 m宽马道，只是改变上下坡比，将马道以上坡比变为1:1.25，马道以下变为1:1。重新计算，计算简图如图2所示。

图2 坡比改变后计算简图

计算得滑动安全系数K=1.218>1.05，满足要求。

从计算结果可以看出坡面线2要比坡面线1偏于安全，可是将两坡面线首尾重合放置后（见图3）发现，坡面1要比坡面2多挖阴影部分的土方。多挖了土方，滑动安全系数却降低了，是否由于坡面线1的失稳使局部抗滑稳定破坏？针对这个疑问，我们假定坡面1和坡面2处于同样的c=15，φ=20的均质土体中，容重按19 kN/m3计，其他条件不变，重新计算坡面1、坡面2的滑动安全系数。经计算，坡面1的K=1.277，而坡面2的K=1.305。计算简图分别见图4、图5。坡面2的滑动安全系数仍然比坡面1大。

图3 两坡面线首尾重合放置

图4 坡面1计算简图

图5 坡面2计算简图

为了解决这个疑问，我们首先从使用的计算程序着眼，程序的计算方法为简化毕肖普法，属于条分法的一种，其原理是先假定一个滑动面的形状和位置（考虑最可能出现的滑动面），分析这个面上的滑动力与抗滑力，如果抗滑力或力矩大于滑动力或力矩有一定的安全系数，那么这个滑面就不可能发生，或者说这个滑动面的滑动安全系数很高。表面上看，坡面1比坡面2减少了阴影部分面积土体的下滑力矩，理应比坡面2滑动安全系数高才对。

图6 两坡面滑弧的圆心及滑动面

我们将两坡面滑弧的圆心及滑动面在同一坐标中绘制出来（见图6），发现坡面1虽然比坡面2多挖了图3中阴影部分的土体，却致使坡面1的最不利滑弧向土坡外侧移动，从两个滑动体的比较来看，坡面1比坡面2在靠近圆心侧多挖了部分土方（图3阴影部分），而远离圆心侧增加了部分土方（图4两圆弧间部分），经计算，两部分土方体积相当，多挖的土方并没能有效减少滑动面上的滑动力。可见计算结果确实无误。

通过计算，图3中阴影部分面积为4 m2，这表明单侧坡面2每沿米比坡面1少挖4 m3土方，假设开挖断面底宽10 m，则坡面2比坡面1形成的基槽节省了近5%的土方。

随后我们又计算了将马道高程变到挖深2 m、3 m、5 m处，保持马道以下坡比1:1，马道以上坡比1:1.25，以及无马道的情况，计算安全系数分别为1.207、1.218、1.205、1.171。最终采用将马道置于挖深3 m处，马道上1:1.25，马道下1:1，既偏于安全又减少工程量的开挖方案。

2 优化细部结构

2.1 失稳分析

土质边坡的破坏总离不开水的作用，降水良好的土质边坡也容易受到气象变化的破坏，如降雨、冰冻等。在津塘地区冻土深度为0.7 m，对开挖回填周期短的临时边坡几乎没有影响，最大的破坏就来自降水，无论是何种降水均增大了滑动体的自重，雨水侵入使土体的抗剪强度降低，力学性质变差，雨水还会从坡面、坡顶的薄弱处渗入土坡内，带走细颗粒，使滑动体更加不稳定，甚至出现新的滑动面，在坡面的设计上减少水的作用是优化的重点。

2.2 细部设计

针对降水我们一般遵循两个原则：一是防止坡顶的水顺坡流下或下渗；二是降在坡面的水要尽快汇集以便排出。

这就要求坡顶靠近边坡一侧要稍高一点，且应将坡顶做成一定的坡度，使水流能向远离边坡的方向迅速流走，马道也要做成一定坡度，坡度方向与坡顶相反，尽量减少降水滞留。但在马道处尽量不设排水沟，那样增加了下渗的风险。雨季不宜使用塑料布将坡面全部覆盖，覆盖以后，边坡的变形、失稳前出现的裂缝等均无法观测，大大增加了安全隐患。

土质边坡破坏方式为圆弧滑动破坏，在边坡设计时应当充分考虑其破坏形式，将滑动体重心下移，有效减少滑动力矩，减少降水的破坏，能做到既经济又安全。■