貴州紅粘土邊坡適用防護(hù)類型及合理坡率
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陳南 周勇 吳立堅(jiān)
(1．交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究所北京 100086；
2．貴州高速公路開發(fā)總公司 貴陽550000)
摘要 針對(duì)紅粘土邊坡適用防護(hù)類型及合理坡率的技術(shù)問題，采用簡(jiǎn)化Bishop法分析了高度在30 m以下的無防護(hù)邊坡的安全坡率，對(duì)貴州省內(nèi)多條公路紅粘土邊坡破壞情況進(jìn)行了系統(tǒng)調(diào)研，對(duì)不同防護(hù)類型及坡率條件下邊坡破壞情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，確定了貴州紅粘土邊坡適用防護(hù)類型及對(duì)應(yīng)的合理坡率。
關(guān)鍵詞 邊坡防護(hù) 紅粘土 合理坡率簡(jiǎn)化Bishop法 骨架防護(hù) 護(hù)面墻防護(hù)
我國(guó)西南地區(qū)紅粘土分布廣泛，公路建設(shè)中存在大量的紅粘土挖方邊坡。紅粘土邊坡在自然環(huán)境中容易出現(xiàn)“漸進(jìn)式”的溜塌、坍塌等破壞，對(duì)道路施工及運(yùn)營(yíng)安全造成不利影響。因此，對(duì)紅粘土邊坡必須采取合理的穩(wěn)定及防護(hù)措施。紅粘土邊坡防護(hù)工程中，防護(hù)類型及坡率是工程人員最為關(guān)心的2個(gè)技術(shù)問題。防護(hù)過強(qiáng)則不經(jīng)濟(jì)，坡率太緩則征地比較麻煩；反之，又不能確保邊坡的穩(wěn)定安全性（見圖1）。因此，需要對(duì)紅粘土邊坡適用防護(hù)類型及合理坡率開展研究。
吳有林根據(jù)紅粘土的室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果以及紅粘土的一般特性，對(duì)路基和邊坡分別提出了相應(yīng)的治理、防護(hù)措施。張漣英等在工程調(diào)查的基礎(chǔ)上，分析了紅粘土路塹邊坡的坍塌破壞機(jī)理，得出了適合貴州高速公路紅粘土邊坡的穩(wěn)定計(jì)算方法，并結(jié)合貴州高速公路的特點(diǎn)提出了高速公路紅粘土邊坡的防護(hù)設(shè)計(jì)比選方案，但對(duì)設(shè)計(jì)方案中防護(hù)類型及坡率的適用性并沒有進(jìn)行驗(yàn)證。王宏祥對(duì)幾種傳統(tǒng)的邊坡防護(hù)技術(shù)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，分析了各種支擋結(jié)構(gòu)形式、坡面防護(hù)的影響因素與加固作用機(jī)理，評(píng)估了現(xiàn)有防護(hù)方案對(duì)紅粘土邊坡的適用條件，但并沒有分析每一種防護(hù)措施條件下紅粘土邊坡的安全坡率。
確定防護(hù)類型及合理坡率是制定紅粘土邊坡防護(hù)策略的關(guān)鍵。本文針對(duì)貴州境內(nèi)多條公路的紅粘土邊坡，采用理論計(jì)算結(jié)合工程驗(yàn)證的方法，確定紅粘土邊坡適用防護(hù)措施及合理坡率，從而為紅粘土地區(qū)邊坡防護(hù)工程提供依據(jù)。
1 無防護(hù)邊坡安全坡率分析
不采取任何防護(hù)措施的紅粘土邊坡在自然環(huán)境的擾動(dòng)下極易發(fā)生失穩(wěn)坍塌破壞。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，無防護(hù)邊坡需要采用較緩的坡率才能保證其整體穩(wěn)定性。本文首先分析無防護(hù)紅粘土邊坡的安全坡率。
簡(jiǎn)化Bishop法是工程上應(yīng)用最廣泛的圓弧滑動(dòng)極限平衡法，它假定滑裂面是圓柱面（剖面假設(shè)是圓�。┎⑶覘l間力的方向?yàn)樗椒较颍瑢⒒瑒?dòng)面以上的土體分成若干豎直土條后，可通過垂直方向力的平衡求條底反力，通過對(duì)同一點(diǎn)的力矩平衡求解安全系數(shù)。定義安全系數(shù)F。為滑動(dòng)面上抗剪強(qiáng)度與實(shí)際產(chǎn)生的剪應(yīng)力的比值，則安全系數(shù)的計(jì)算式為：
式中：F。為安全系數(shù)；c為粘聚力，妒內(nèi)摩擦角；6：為土條寬度；W：為土條自重。
紅粘土邊坡的失穩(wěn)破壞通常是環(huán)境因素影響下邊坡一定深度范圍內(nèi)土體的工程特性（含水率變化、裂隙發(fā)育等）變化造成的。在Bishop法計(jì)算過程中如果采用地質(zhì)勘測(cè)資料提供的紅粘土天然狀態(tài)下的強(qiáng)度參數(shù)是不合理的。這是因?yàn)榻涤昙皾B透作用會(huì)引起淺層土體含水率增加，土體容重因此會(huì)發(fā)生急劇變化，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性造成較大影響，因而必須考慮降雨人滲對(duì)土體自重W，的影響�；诒Ｊ卦瓌t本文將環(huán)境影響深度范圍內(nèi)的土體容重均取為飽和容重y，，即
采用文獻(xiàn)[5]提出的擾動(dòng)紅粘土內(nèi)摩擦角、粘聚力與含水率的關(guān)系式，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)邊坡土體含水率統(tǒng)計(jì)最大值w。，計(jì)算出實(shí)際的c。及伽值作為Bishop法計(jì)算中的強(qiáng)度參數(shù)，安全系數(shù)計(jì)算式為
然后，按照以下步驟確定紅粘土邊坡的安全坡率：①假定紅粘土邊坡處于破壞狀態(tài)，滑動(dòng)面位于環(huán)境影響深度H范圍以內(nèi)，本文根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果，將H取為3 m;②假定滑體與邊坡的連接作用完全喪失，然后將滑體與坡面之間的摩擦角夠設(shè)為定值，使得計(jì)算出的安全系數(shù)F較小(F<1)，此時(shí)滑體與坡面之間還存在粘合作用；③逐步增加粘結(jié)力c值，采用本文提出的改進(jìn)Bishop法計(jì)算安全系數(shù)，直至得到的安全系數(shù)F—1時(shí)，認(rèn)為獲得的強(qiáng)度指標(biāo)為邊坡破壞時(shí)的實(shí)際強(qiáng)度指標(biāo)；④逐步減緩邊坡的坡率，采用步驟③獲取的強(qiáng)度參數(shù)計(jì)算安全系數(shù)，直至達(dá)到規(guī)范中規(guī)定的F=l. 25時(shí)得到的坡率即為最小安全坡率。
貴州紅粘土邊坡高度一般不大，30 m以上的高大邊坡數(shù)量較少，本文將邊坡高度假設(shè)為30m，坡比為1：0.7，摩擦角設(shè)定為29。，計(jì)算邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)等于1時(shí)對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度指標(biāo)，見表1。邊坡穩(wěn)定系數(shù)等于1時(shí)，對(duì)應(yīng)的滑裂面位置見圖2。
根據(jù)以上計(jì)算確定的強(qiáng)度參數(shù)為cp= 29。，c-11. 48 kPa，然后計(jì)算不同坡率對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)，見表2。安全系數(shù)與坡率（坡度）之間的關(guān)系見圖3。根據(jù)兩者的關(guān)系可以近似得到安全系數(shù)達(dá)到規(guī)范規(guī)定的F=l. 25時(shí)的坡率為1：1. 73。
從安全系數(shù)與坡率的關(guān)系可以看出，隨著坡率的減緩，邊坡安全系數(shù)逐步提高；當(dāng)安全系數(shù)F=l. 25時(shí)，對(duì)應(yīng)的坡率(1：1.73)即為高度在30m以下無防護(hù)邊坡的安全坡率。
2不同防護(hù)措施邊坡的適用坡率分析
以上分析了高度在30 m以內(nèi)的紅粘土邊坡的安全坡率，實(shí)際上除了坡率、坡高的因素以外，紅粘土邊坡穩(wěn)定安全性還與坡面防護(hù)的強(qiáng)弱密切相關(guān)。目前，貴州最常用的紅粘土邊坡防護(hù)類型主要有各類生物防護(hù)、各類骨架防護(hù)、各類護(hù)面墻防護(hù)以及各類擋墻結(jié)構(gòu)。為了綜合分析坡率、防護(hù)類型與邊坡穩(wěn)定安全性的關(guān)系，本文對(duì)貴州省境內(nèi)的銅大路、凱麻高速、凱麻市政路、凱羊高速、廈蓉線丹寨連接線、廈蓉線水都高速、晴興高速、汕昆線板江高速以及在建的余凱、凱羊高速共計(jì)94處紅粘土邊坡破壞情況進(jìn)行了系統(tǒng)調(diào)研，對(duì)不同防護(hù)類型及坡率條件下邊坡破壞情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。由于沖刷、剝落、輕度溜方等表層破壞一般不會(huì)對(duì)工程造成顯著影響，因此本文統(tǒng)計(jì)中所指的邊坡破壞主要是指滑坡、坍塌等局部失穩(wěn)破壞。
2.1 無防護(hù)邊坡適用坡率
本次調(diào)研共有11處無防護(hù)邊坡，不同坡率邊坡及破壞邊坡數(shù)的比例關(guān)系見圖4。
從圖中可以看出，11處無防護(hù)邊坡有7處發(fā)生了失穩(wěn)破壞。坡率在1：0.5～11之間的裸坡有2處，均發(fā)生了破壞；坡率在1：1～1：1.5之間的有8處，其中5處發(fā)生了破壞；坡率在1：1.5以上的有1處，未發(fā)生破壞。調(diào)研結(jié)果說明，本文對(duì)無防護(hù)邊坡安全坡率的計(jì)算結(jié)果是合理的。工程中對(duì)紅粘土邊坡進(jìn)行防護(hù)治理是必要的，建議無防護(hù)邊坡的坡率應(yīng)當(dāng)盡量放緩至1：1. 73以上。
2.2生物防護(hù)邊坡適用坡率
生物防護(hù)的邊坡共27處，其中14處發(fā)生破壞，邊坡坡率與破壞所占比例關(guān)系見圖5。
從圖中可以看出，坡率在1:0.5～1：1之間的有6處，其中5處發(fā)生了破壞；坡率在1：1～1:1.5之間的有19處，其中8處發(fā)生了破壞；坡率在1：1.5以上的有2處，其中1處發(fā)生破壞。調(diào)研說明，生物防護(hù)對(duì)提高邊坡穩(wěn)定性的作用十分有限，對(duì)紅粘土覆蓋較厚的生物防護(hù)邊坡建議同樣應(yīng)當(dāng)放緩至1：1. 73以上。
2.3 骨架類防護(hù)邊坡適用坡率
采用骨架防護(hù)（基本配合生物防護(hù)）的邊坡總共有18處，發(fā)生破壞的僅有2處。坡率為1：0.5～1：1的邊坡有4處，其中2處發(fā)生破壞；坡率緩于1：1的有14處，基本沒有發(fā)生破壞，見圖6。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，坡率陡于1：1時(shí)即便采用骨架護(hù)坡的方式仍然不能保證紅粘土邊坡的穩(wěn)定安全，因此骨架防護(hù)邊坡的適用坡率應(yīng)當(dāng)緩于1:1。
2.4護(hù)面墻類防護(hù)邊坡適用坡率
采用護(hù)面墻防護(hù)類型的邊坡共有23處，其中破壞的僅1處。坡率為1:0.5～1：1之間的護(hù)面墻防護(hù)邊坡有8處，其中1處坍塌破壞；而坡率緩于1:1的邊坡共有15處，無1處發(fā)生破壞，見圖7。從分析結(jié)果可見，護(hù)面墻類防護(hù)對(duì)于提高紅粘土邊坡穩(wěn)定安全性的效果非常好；當(dāng)邊坡坡率陡于1：1時(shí)而又不具備支擋加固條件時(shí)，建議采用滿鋪式護(hù)面墻進(jìn)行防護(hù)。但是，必須指出的是護(hù)面墻防護(hù)對(duì)公路沿線的環(huán)境破壞非常大，建議工程中盡量少用、慎用，應(yīng)當(dāng)首先考慮對(duì)環(huán)境影響較小的防護(hù)類型（例如骨架十生物），并且設(shè)置合理的坡率，保證邊坡的穩(wěn)定安全性。
f
3結(jié)論
(1)從安全系數(shù)與坡率的關(guān)系可以看出，隨著坡率的減緩，無防護(hù)邊坡的安全系數(shù)逐步提高；當(dāng)安全系數(shù)F=1. 25時(shí)，對(duì)應(yīng)的坡率(1：1.73)即為高度在30 m以下無防護(hù)邊坡的安全坡率。
(2)調(diào)研結(jié)果說明，工程中對(duì)紅粘土邊坡進(jìn)行合理的防護(hù)治理是必要的，無防護(hù)邊坡的坡率應(yīng)當(dāng)盡量放緩至1：1. 73以上；生物防護(hù)對(duì)提高邊坡穩(wěn)定性的作用十分有限，紅粘土覆蓋較厚的生物防護(hù)邊坡同樣建議應(yīng)當(dāng)放緩至1：1. 73以上。
(3)從破壞情況看，紅粘土邊坡骨架類防護(hù)的效果較好，坡率緩于1：1時(shí)基本可以確保邊坡的穩(wěn)定安全性，因此骨架防護(hù)邊坡的適用坡率應(yīng)當(dāng)緩于1:1。
(4)護(hù)面墻類防護(hù)對(duì)于提高紅粘土邊坡穩(wěn)定安全性的效果非常好；當(dāng)邊坡坡率陡于1:1時(shí)而又不具備支擋加固條件時(shí)，建議采用滿鋪式護(hù)面墻進(jìn)行防護(hù)。但是，工程中應(yīng)當(dāng)首先考慮對(duì)環(huán)境影響較小的防護(hù)類型（例如，骨架十生物）,并且設(shè)置合理的坡率，保證邊坡的穩(wěn)定安全性。
