土质边坡防护研究

土质边坡防护研究

土质边坡防护研究吴茂华（武汉市公路勘察设计院湖北武汉430051）0引言随着国民经济的发展，大量铁路、公路、水利、矿山、城镇等设施的修建，特别是在丘陵和山区建设中，人类工程活动中开挖和堆填的边坡数量越来越多，高度越来越大，同时边坡在演变过程中也将发生不同形式和规模的变形与破坏，如滑坡和崩塌等。边坡稳定问题也备受国内外专家的关注，一旦处理不当形成滑坡，轻则阻塞交通或影响工程进度，重则危及生命和工程存亡，因此边坡的稳定分析及防护设计在工程领域内至关重要[1]。土坡稳定是土力学的基本课题之一，是岩土工程的一个重要研究内容[2]。近年来，如何对土质边坡进行综合防护倍受工程技术人员的重视。1土质边坡失稳的机理分析土坡的失稳一般是指土方边坡在一定范围内整体沿某一滑动面向下或向外移动而丧失其稳定性，从某种意义上说是作用于滑坡这一系统下的下滑力（滑动力）超过滑床的抗滑力（阻滑力）的结果。下滑力主要来自滑坡体重力沿滑动面的下滑分力，它和滑坡体物质的容重和滑体厚度（h）及滑面倾角（）有关，此外，还有静水压力、动水压力和地震力等附加力。抗滑力主要为滑动面（带）土的粘结力和摩擦力，此外，还有滑体两侧不动体的阻滑力[3]。边坡失稳往往是在外界不利因素影响下触发和加剧的。这些外界因素往往导致土体剪应力的增加或抗剪强度的降低，使土体中剪应力大于土的强度而造成滑动失稳。造成边坡土体中剪应力增加的主要因素有：坡顶堆载，行车、基坑边坡太陡、开挖深度过大、土体遇水自重增加、地下水的渗流产生动水压力；土体竖向裂缝积水产生侧向静水压力等。引起土体抗剪强度降低的主要因素有：土质本身较差、土体被水浸润泡软、受气候影响和风化作用使土质松软，开裂、饱和的细砂和粉砂因受振动而液化等。2土质边坡的稳定性计算土坡稳定分析常用的方法有极限平衡法、滑移线场法、极限分析法等。当滑移面为简单平面时，静力平衡计算可采用解析法计算，著名的库伦公式就是一例。当滑移面为一圆弧、对数螺线、折线或任意曲线时，通常采用条分法。条分法计算简单，根据假设条件与应用的方程不同，条分法分为非严格条分法与严格条分法。非严格条分法由于假定不同而形成各种方法，有瑞典法、简化Bishop法、简化Janbu法、罗厄法、Sarmar(Ⅰ)、不平衡推力法（传递系数法）。其中不平衡推力法是我国工程技术人员从大量的实践经验中总结出一种适用的滑坡稳定分析方法，该方法不仅计算简单，而且能够为滑坡治理提供设计推力，因此在交通、水利等工程中得到了广泛应用。其计算公式如式1、2所示：=+--（1）=-(2)式中：、—第i和i-1滑块剩余下滑力（kN/m）；—稳定系数；—第i滑块的自重力（kN/m）;、—第i和第i-1滑块对应滑面的倾角（°）；—第i滑块滑面内摩擦角（°）；—第i滑块滑面岩土粘聚力（kN/m）；—第i滑块滑面长度（m）;—6 传递系数。当滑坡体最后一个条块的剩余下滑力小于或等于0时，滑坡稳定；大于0时，滑坡不稳定。此值可作为设计支挡工程结构所承受的推力[4]。3.挡土墙防护土质边坡的实例分析3.1土质边坡的防护原理为保证公路的正常使用，确保行车安全，美化环境，减少公路的养护量，公路边坡的防护和治理正日益受到人们的重视，已成为公路设计和施工中与路基主体工程并重的问题[5]。公路边坡的防治主要从两方面着手：一方面进行边坡工程治理，切断滑坡灾害的发生；另一方面进行边坡的监测，形成边坡工程的预报系统，减少边坡滑塌与滑坡造成的灾害损失[6]。公路边坡防护按照材料种类分为三类：植物防护与绿化、圬工防护和综合防护；按功能可划分为坡面防护、冲刷防护、支挡工程三类。其中，支挡工程用于防止路基变形或支挡路基土体，以保证路基稳定性。常用的类型有各种挡土墙及其他有承重作用的构造物。3.2挡土墙防护工程计算分析实例青郑高速是武汉市7条快速出城公路之一,是连通江夏与咸宁的出城道路。K7+700分离式立交桥位于武汉市青菱至郑店快速出口高速公路测设中心。该分离式立交桥为跨乡间简易路而设，属剥蚀垄岗地貌，地形略有起伏，桥址两侧多为种植地。桥址区岩土层在勘探深度范围内，主要由第四系全新统填土层，第四系上更新统冲、洪积层，第四系残积层，及下伏志留系（k）风化灰岩组成。自今年6～7月间受强降雨影响，该处土壤含水量增高，土质疏松，发生滑塌现象。治理该处滑坡，拟采用图1所示的挡墙进行防护，具体计算内容如下：3.2.1滑坡剩余下滑力计算根据式（1）和（2）计算剩余下滑力见表1：表1剩余下滑力计算（安全系数Fs=1.2）块段面积S（m）重度（kN）滑动面倾角抗剪强度下滑力阻滑力传递系数剩余下滑力C(kPa)11.401969.33901624.8032.68222.12123.6481959.49801681.51911.17370.34638.1511949.453016186.95232.388154.56448.1511939.084016249.68242.448207.23356.2631930.672016266.17238.265227.90665.2181923.507016265.66834.218231.45074.21561916.715016250.55127.639222.9113.2.2抗滑挡土墙尺寸拟定根据《路基手册》中挡土墙的几种截面形式，初步拟定青郑高速K7+700处边坡加固工程的挡土墙如下图所示：6 图1挡土墙截面设计3.2.3基本参数计算根据表1的结果，剩余下滑力大小为222.911kN，方向与水平成17°夹角，作用点在位于墙后滑坡体1/2高位置。土压力计算中，墙前被动土压力采用朗金土压力理论计算；墙后主动土压力按库伦土压力理论计算，然后与滑坡推力比较，取大者进行计算。①挡墙重量断面面积S=8.12216m2G=8.1221623=186.80968kN②前趾填土重量=0.5（1+1.14）190.7=14.231kN③后趾填土重量=2.70.819=41.04kN④滑坡推力：P=222.911kN=Pcos17°=213.17kN=Psin17°=65.17kN⑤墙前被动土压力（朗金土压力理论计算）：=tg(45°+)=tg(45°+)=3===82.365kN⑥墙后主动土压力（库伦土压力理论计算）：=30°，==15°，=11.3°，=45°，算得=0.333==27.49kN=59.65kN===53.47kN6 ===26.43kN由上计算可知，应按滑坡推力来设计挡土墙，以上计算数据见表2表2断面参数一览表编号项目作用力（kN）力臂(m)弯矩(MN·m)备注水平向竖向1挡墙0186.809682.01939377.2415997稳定力矩2前趾填土014.230.535767.62386483后趾填土041.043.14128.86564墙前被动土压力82.36501.35764111.82201865下滑力222.91103.058681.6618383.2.4稳定性验算表3挡土墙抗滑动和抗倾覆的稳定系数荷载情况验算项目稳定系数荷载组合Ⅰ、Ⅱ抗滑动1.3抗倾覆1.5荷载组合Ⅲ抗滑动1.3抗倾覆1.3施工阶段验算抗滑动1.2抗倾覆1.2挡土墙抗滑动和抗倾覆的稳定系数要求如表3所示。①.抗滑稳定性验算按未设倾斜基底验算时，===1.107<1.3不满足要求。按设倾斜基底验算时，===1.555>1.3满足要求。②.抗倾覆稳定验算==6 ==1.256>1.2故满足要求。③.基底应力及合力偏心距验算将竖向力和水平方向力分别按倾斜基底的法向分解：=cos11.3°+sin11.3°=301.29354+25.63=326.92kN倾斜基底法向力对墙趾的力臂为：===0.534m倾斜基底的合力偏心距为=-=1.236m,<=0.885==230.88kPa<=250kPa.==-46.18kPa,故满足要求。4.结论青郑高速K7+700处滑坡处理采用的挡土墙设计应按照滑坡剩余下滑力的结果进行设计；挡土墙抗滑动和抗倾覆的计算结果显示挡土墙未设倾斜基底时，不能满足实际要求，实际工程挡土墙需设置倾斜基底，基底应力及合力偏心距验算结果显示加设倾斜基底的挡土墙能够满足规范要求。6 姓名：吴茂华性别：男籍贯：湖北武汉身份证号：420116198202280452学历：硕士联系电话：15926322570邮箱：254451192@qq.com工作单位：武汉市公路勘察设计院详细地址：湖北省武汉市黄孝河路47号武汉信息中心武汉市公路勘察设计院邮编：4300526