边坡讲义03坡率法与减重设计.doc

第3章 坡率法与减重设计 3.1 概 述 3.1.1坡率法与减重的概念 在边坡设计中，如果通过控制边坡的高度和坡度而无须对边坡进行整体加固就能使边坡达到自身稳定的边坡设计方法，通常称之为坡率法；坡率法是通过控制望坡的高度和坡度，使边坡对所有可能的潜在滑动面的下滑力和阻滑力处于安全的平衡状态。一般的简单岩土边坡非滑坡，如果不受场地限制，总可以满足边坡稳定的要求，在公路边坡处理中被大量采用，工程中又称为削坡或刷坡，如图3.1所示。 减重的概念是针对滑坡处治而提出的，它是减轻滑坡致滑段的滑体超重部分，以减小滑体的下落力，使滑坡趋于稳定，显然它与坡率法有着本质的区别，不同于一般的边坡削坡，因为减重的目的是使滑坡稳定，赦减去的土体位于滑坡的致滑段一般在、滑坡的上部，如图3.2所示，如果误将滑坡下部的阻滑部分削去，将进一步加剧滑坡的发展。在滑坡处治技术中，与减载相对应的另一种技术是堆载阻滑技术，它是通过在滑坡的阻滑段一般在滑坡的下部堆载来提高滑坡的阻滑力以使滑坡处于稳定的方法，如图3.3所示。这两种方法都是公路滑坡处理中最直接、最有效的方法，在公路滑坡处治中被广泛采用。 3.1.2坡率法与减重的适用范围 坡率法是一种比较经济、施工方便人工边坡的处理方法，在公路路堑边坡、填方路堤边坡中广泛使用，适用于岩层、塑性粘土和良好的砂性土中，并要求地下水位较低，放坡开挖时有足够的场地。坡率法可分别与砂袋堆码、锚钉边坡、锚板支护等方法联合应用，形成组合边坡。例如当不具备全高放坡时，上段可采用坡率法，下段可采用土钉墙、喷锚、挡土墙等方法以稳定边坡。 由于减重是在滑坡后缘挖除一定数量的滑体而使滑坡稳定下来，因而它适用于推动式滑坡或由塌落形成的滑坡，并且滑床上陡下缓，滑坡后缘及两侧的地层稳定，不致因刷方而引起滑坡向后或向两侧发展。与减重相对应的堆载阻滑技术则主要适用于牵引式滑坡，同时应注意堆载不要引起次一级的滑面。 在一般情况下，滑坡减重和堆载阻滑都只能减小滑体的下滑力或增大阻滑力，不能改变其下滑的趋势，因此它们常与其他整治措施配合使用。 3.2坡率法的设计 3.2.1设计的内容与一般规定 坡率法设计边坡主要是在保证边坡稳定的条件下确定边坡的形状和坡度。其设计内容包括确定边坡的形状、确定边坡的坡度、设计坡面防护和边坡稳定性验算。但在进行设计之前必须查明边坡的工程地质条件，包括边坡岩土名称性质、各种软弱结构面的产状、地质构造、岩土风化或密实程度、地下水、地表水、当地地质条件相似的自然极限山坡或人工边坡。 边坡的形式一般可以分为四种直线形图3.4a、上陡下缓折线形图3.4b、上缓下陡折线形图3.4c和台阶形图3.4d。直线形边坡一般适用于均质或薄层互层且高度较小的边坡；如果边坡较高或由多层土组成而上部岩土层的稳定性较下部好时，可采用上陡下缓的折线形边坡；若上部为覆盖层或稳定性较下部岩土层差时，宜采用上缓下陡的折线形边坡；当边坡由多层土组成或边坡高度很大时，可在边坡中部或岩土层界面处设置不小于1.Om宽的平台，形成台阶式边坡。台阶形边坡稳定性较好，但相应的土石方量较大。 边坡的坡度的确定可以根据岩石性质、工程地质和水文地质条件、施工方法、边坡的高度等因素，对照当地自然极限边坡或人工边坡的坡度确定；对于土质均匀的边坡，可采用力学检验法或稳定性验算法进行确定。 边坡的防护主要是针对容易风化剥落或破碎程度较为严重的坡面，应当考虑坡面的防护措施，以防止各种自然应力对边坡的破坏作用，以保证边坡的稳定性。设计中应注意边坡的防护与边坡环境美化相结合。 边坡水系应因势利导保持畅通，稳定边坡应采取保护措施，防止土体流失、岩层风化及环境恶化造成边坡稳定性降低。对于土质边坡或易软化的岩质边坡，坡顶应作成向外倾斜的不渗水地面，坡底应做不漏水的排水沟和集水井，以便及时排除积水。 受外倾软弱结构面影响、稳定性较差的岩块应加锚杆处理；永久性边坡坡面应采用锚喷、锚钉等构造措施。 3.2.2岩质边坡的削坡坡率 对于岩质边坡，在坡体整体稳定的条件下，要选择合理的允许坡率，应根据岩性、地质构造、岩石风化破碎程度、边坡高度、地下水及地面水等因数，结合实际经验按照工程类比的原则，并参考该地区已有的稳定边坡的坡率综合分析确定。当无外倾结构面时，可参考表31进行确定。 表3.1中岩石风化破碎程度按表3.2进行划分。 若边坡所在地层具有明显的倾斜结构面如层面、节理面、断层面和其他软弱面，且倾向边坡外侧，则此结构面的倾斜坡度及其面上的单位粘聚力和摩擦力的大小将影响边坡的稳定性。此时应通过稳定性计算来确定边坡的坡率，必要时应采取其他相应的加固措施。根据调查统计资料表明，当滑动面为如下几种情况时，边坡仅在重力作用下，软弱面的倾角大于其摩擦角而小于边坡角时是最危险的软弱面 1粘土岩、粘土页岩、泥质灰岩、泥质板岩等泥化层面时，滑动倾角为9～l2； 2砂岩层面或砾岩层面时，滑动倾角大于30～35； 3无泥质充填物的结构面时，滑动倾角为30～75 大多变化于35～60范围。 在讲行稳定性计算时如没有试验数据，可参考表3.3及表3.4中的数值． 注；本表是根据相当数量的现场试验，沿软弱面施加剪力所得的岩体软弱面峰值抗剪强度资料而综合得出的。 3.2.3土质边坡的削坡坡率 对于土质边坡，在确定坡率时应根据边坡的高度、土的湿度、密实程度、地下水、地面水的情况、土的成因类型及生成时代等因数，并参考同类土的稳定坡率进行确定。 1.一般土质边坡 对于一般较好的均质土可参考表3.5进行设计。但如果边坡高度大于8m、或土层中地下水发育且不易排除、或土层为软质土、或有堆积荷载时，应通过边坡稳定计算来确定土坡率。 2.土囱堆积俸迈圾 对于土石混合堆积体边坡，一般采用与天然安息角相应的边坡坡率如表3.6所示；但对于已稳定的堆积体可根据其胶结和密实程度采用较陡的边坡坡度。如果边坡中出现松散夹层，应进行适当的防护。边坡高度超过20m，应分台阶进行放坡。在堆积体中开挖后形成的边坡应特别注意剩余土体的稳定性，必要时可放缓边坡或清除全部剩余土体。因挖方破坏了原堆积体的平衡条件，堆积体可能沿接触面滑动。 3.膨胀土边坡 由于膨胀土工程性质特殊而复杂，使膨胀土地区的边坡变形破坏受多种因素的影响，往往对建筑工程的潜在破坏十分严重。因此在进行边坡设计前，应充分进行工程地质调查、既有建筑物调查，并收集当地气象资料，然后在此基础上确定经济合理的边坡形式和坡率。 实践证明，膨胀土边坡坡度的确定，是一个比较复杂的工程地质问题，对于这类边坡的设计，目前尚无成熟的理论与方法。现场调查表明，无论公路、铁路或渠道膨胀土边坡，坡度在12～l3的边坡，仍表现出普遍不稳定性，甚至有的铁路路堑及渠道膨胀土边坡，坡度缓至15～18，也不一定完全稳定。特别是在边坡土体结构与环境地质条件比较复杂的地区，或分布有软弱夹层如灰白色、灰绿色强膨胀土，边坡稳定问题更为复杂。膨胀土边坡的破坏，有位于坡脚的，也有位于坡腰与堑顶的，与一般粘性土边坡的破坏完全不同。因此，在膨胀土路堑边坡设计中，目前仍然以工程地质比拟法为主，必要时再进行力学分析检算边坡稳定性。 工程地质比拟法，是以同类膨胀土边坡，在相同或相似工程地质、水文地质及环境地质条件下的稳定性为参照系，对比拟设计边坡的上述条件，参照稳定程度最佳的边坡进行设计的一种方法。因为自然界是千变万化的，在进行对比分析时一定要收集足够的第一手资料，并充分掌握已有膨胀土边坡的历史和现状，切不可简单照搬。表3.7是根据实践经验得出的边坡设计参考值。 4.黄土边坡 黄土是第四纪的一种特殊堆积物。主要特征是颜色以黄色为主，有灰黄、褐黄等色，含有大量粉粒，一般在55％以上，孔隙比在1左右，垂直节理发育，具有湿陷性、溶蚀性、易冲刷和各向异性等工程特性。广泛分布于我国北纬34～45之间的干旱和半干旱地区。目前黄土边坡的设计主要以工程地质比拟法为主，力学分析验算为辅。表3.8为各类黄土边坡设计参考值。 注①当边坡高度20m时，宜考虑进行力学验算； ②本表所替供的参考值，系指一般均质土，并无不良水文地质及工程地质现象时的坡度值。 3.2.4边坡稳定性验算 1.岩质边坡的稳定性验算 对采用坡率法设计的岩质边坡应进行稳定性验算，验算的方法应根据结构面情况确定，如无外倾结构面可直接按平面滑动面进行验算。如有不利结构面，还应对结构面进行验算，但在验算时强度参数指标应取结构面的c、值。下面分别就平面破坏和楔形破坏的稳定性介绍验算过程。 1平面破坏的稳定性验算 假设边坡上的变形岩体为单一的层状结构，如图3.5所示，岩体在自重作用下的稳定性系数为 3.1 式中W变形岩体的重力，； h滑动面上变形岩体的高度； α滑动面的倾角； L滑动面的长度； γ岩体的容重； c、滑动面的内摩擦角和粘聚力。 对于无不利结构面的岩石边坡，c、值取岩体的c、值；对于结构面的验算取结构面的c、值；根据两者比较，以稳定性系数最小者控制设计。 由式3.1可以求得直立边坡的极限变形体高度，如图3.6所示，设单一倾斜结构面的直立边坡，设稳定性系数为K1，则有 3.2 倾斜边坡求算变形体高度的公式与直立边坡完全一样，所不同的是直立边坡的极限高度Hv恒等于变形体高度hv，而倾斜边坡Hv≠hv,如图3.7所示。其岩体的极限稳定坡角βv，可根据已求得的hvHv的数值通过作图求得，也可按下述公式来求取图3.8 3.3 式中H边坡高度； h变形岩体的高度； m边坡坡率，mtgβ； β边坡的坡角； 当确定边坡坡角为β或坡率为m时，则可用式3.3求极限边坡高度H；反之，当坡高为H时，则边坡保持极限稳定状态的最大边坡坡角的正切为 3.4 或3.5 2边坡楔形破坏的仿平面处理 当楔形岩体由两个结构面所构成，两个结构面为预测的滑动面，边坡为直立平顶的边坡时如图3.9所示，可得 楔形体的体积 楔形体的重力 两个结构面的面积 又令BDL，设两结构面的值相等，cl和c2分别为两结构面的单位粘聚力，且断面是三角形，按“仿平面”问题来处理，则岩体的稳定系数为 3.6 当K1，即在极限平衡条件下，则 3.7 式中，L、及h0、h1、h2等数据可依三角关系求得。 式3.6和3.7是边坡由两个结构面所构成的楔形岩体滑动，求稳定系数及极限变形高度的普遍公式。虽然它由直立平顶边坡推导求得，但也适用于倾斜边坡，既适用于两个结构面为预测的滑动面，也适用于一个面为预测的滑动面，另一个面为直立面，该面垂直于滑动面，即两个面的交角等于90的特例。 3边坡楔形破坏的立体处理 楔体破坏，按立体问题来分析时，应求出作用于相交面A及B的法向反力RA和RB，如图3.10所示。图中ζ为楔形体的张角，θ为楔形体张角的平分线距水平线的夹角，这都是按沿交线的视图而言。 为了求RA和RB，在顺交线的视图上对力作水平方向和垂直方向的分解，得 3.8 3.9 解RA和RB，并相加得 3.10 在式3.6中，将Wcosα改用式3.10之值代替，则式3.6及3.7将变成 3.11 3.12 从式3.11及3.12考察及增大，甚至可增大1～2倍时，亦即摩擦力部分增大，因而按式3.11及3.12计算的K及Hvhv之值，均与按式3.6及3.7计算的有相当差异。 以上只是考虑了岩体的边坡上的重力作用。实际上，除重力作用外，还有地下水、地震及其他作用力等。因此在分析边坡稳定性时，还应注意各种附加力作用的影响，以及由于水的作用使滑动面或充填物的力学强度降低而导致边坡发生变形的可能性。 4具有张节理和静水压力的边坡稳定性验算 存在于边坡的张节理，对边坡的稳定性有很大的影响。特别是在暴雨情况下，由于张节理底部排水不畅，张节理可能临时充水达一定高度，沿张节理及滑动面产生静水压力，使滑动力突然增大，这往往是暴雨后容易产生滑动的重要原因。张节理的位置，有两种情况一是张节理在坡顶上；另一是张节理在坡上。此时作如下假定 ①滑动面及张节理的走向平行坡面； ②张节理是直立的，深度为Z，其中充水深度为ZW。 ③沿张节理的底进入滑动面并沿滑动面渗透，在大气压下沿坡面的滑动面出露处流出。 在张节理中和沿滑动面由于存在着地下水而引起的水压分布如图3.11所示。 ④W滑动块的重力、U滑动面上水压所产生的上举力和V张节理中的水压力三力均通过滑体重心来作用，也就是假定没有使岩块旋转的力矩，所以破坏仅是滑动。 ⑤考虑单位长度的岩块，并假定有节理面存在，所以破坏的侧面边界对滑动没有阻力。 稳定系数等于总抗滑力与总滑动力之比，即 3.13 式中各参数由图3.11可得 3.14 3.15 3.16 当张节理在坡顶上时 3.17 当张节理在坡面上时 3.18 式中，γ，γW为岩体、水的容重，W为张节理以下部分的岩块重力张节理以上部分重力不计。 2.碎石边坡的稳定性验算 在有剪切试验结果或有较可靠的经验数据时，可用圆弧或直线滑动面法验算边坡的稳定性。对于疏松的碎石土边坡，宜用直线滑动面法，此时边坡的最小稳定系数，可按下述方法求得。 如图3.12所示，土楔ABCD沿假定的破裂面AD滑动，其稳定系数K按下式计算 3.19 由，令，则有 3.20 式中W土楔ABD的重力； α破裂面的倾角； β边坡的坡度角； γ边坡土体容重； H边坡竖向高度； f边坡土体内摩擦系数，ftg； c边坡土体的粘聚力； L破裂面的长度。 按微分方法，可以求得K为最小时的边坡破裂角 3.21 代人3.20式，得到最小稳定性系数 3.22 验算时，Kmin不应小于规范规定的值。 3.膨胀土边坡稳定性验算 膨胀土边坡稳定性力学分析，至今还是一个正在研究的课题，现有各种力学分析与计算方法还不够完善。这里给出在进行边坡稳定性分析时，应当考虑的几个重要问题 1膨胀土坡变形破坏的类型较多，但剥落、冲蚀、泥流以及溜塌，均属于边坡表层变形破坏，一般不涉及边坡的整体稳定性，只需加强相应的边坡防护措施，即可防止此类病害的发生，故一般不作为边坡设计的依据。 2膨胀土边坡变形破坏类型中，影响边坡稳定性的主要是坍滑和滑坡。调查表明，边坡坍滑与滑坡的破裂面形状，主要受膨胀土体裂隙结构面控制，后壁受高倾角近垂直裂隙影响，呈陡直状；前缘受缓倾角近水平裂隙影响，呈平缓状；中部接近圆弧状。 3膨胀土边坡稳定性大多与土体的各种界面密切相关，如土的风化带界面、不同性质土层界面、胀缩效应层界面、软弱夹层界面等，因此，在边坡稳定性分析中应充分考虑各种界面效应的作用。 4膨胀土边坡开挖，由于一部分超固结应力释放而产生卸荷膨胀，同时土中裂隙发展，表面水下渗，导致土体吸水膨胀，因而在堑坡内产生相应的膨胀力。实测表明，水平方向的膨胀力较大，对边坡的稳定产生不利影响，设计中应予以考虑。 5膨胀土的多裂隙结构和湿胀干缩的特殊工程性质，使边坡的剪切破坏有多种形式。例如，滑裂面完全与裂隙面一致的裂面剪切破坏；滑裂面与裂隙面无关的非裂面剪切破坏；滑裂面一部分沿裂隙面，一部分与裂隙无关的综合剪切破坏；边坡表层强风化层的湿胀干缩效应剪切破坏等。 边坡设计必须综合考虑膨胀土的类型、性质，填筑条件，工程措施以及地区气候特点等因素，以使设计更为合理。 4.均质土边坡稳定性验算 对于较均一的土质边坡，根据土层的物理力学参数与水环境条件，采用第二章的圆弧整体急定性分析方法或条分法进行稳定性验算。 3.3滑坡减重的设计 3.3.1一般规定 1滑坡减重设计前必须弄清滑坡的成因和性质，查明滑动面的位置、形状及可能发展的范习，根据稳定滑坡和修建防滑构造物的要求进行设计计算，以决定减重范围。对于小型滑坡可以全部清除。 2滑坡减重的弃土，不能堆置在滑坡的主滑地段，应尽量堆填于滑坡前缘，以便起到堆载阻滑的作用。 3牵引式滑坡或滑带土具有卸载膨胀性质的滑坡，不宜采用滑坡减重的方法。 4滑坡减重之后，应检算滑面从残存滑体的薄弱部分剪出的可能性。 5滑坡减重后的坡面必须注意整平、排水及防渗处理。 3.3.2滑坡超重计算 滑坡超重计算是滑坡减重设计的重要依据，一个滑坡应在什么部位减重，减重多少完全取夹于滑坡超重计算的结果。超重计算在主滑断面上进行，对于大面积的滑坡应取多个纵断面计算。计算方法采用不平衡推力传递系数法。计算步骤如下 1确定潜在滑动面及滑体、滑面的物理力学参数，地下水位； 2确定安全系数五高速、一级公路取l.2～1.3，其他等级公路取l.15～1.2； 3对滑体分条并用传递系数法计算每个土条的下滑力、剩余下滑力； 4根据3的计算结果确定减重的部位和数量。 3.3.3滑坡稳定性验算 在滑坡超重计算后，便可按照计算获得的减重部位和数量对滑坡进行削坡设计，设计中应生意控制滑坡从残存滑体的薄弱部分剪出。为了检验设计是否满足边坡稳定的要求，需要对成重后的滑坡进行稳定性验算。验算所用的力学参数、安全系数、主滑断面、计算方法均与超重计算完全相同；验算时除了验算原滑动面外，还要对滑坡从残存滑体的薄弱部分剪出的可能的潜在滑动面进行验算。当所有验算均满足要求时，可认为滑坡的减重设计可行；否则须重新修改设计或采用其他方案。 在进行滑坡稳定性验算时，滑带岩土抗剪强度指标的选取除采用试验方法外，还应用反分析法和经验数据法加以验证。 主要参考文献 1.交通部第二公路勘察设计院主编．公路设计手册一路基．北京人民交通出版社，1997 2.交通部第二公路勘察设计院主编．公路路基设计规范．北京人民交通出版社，1995 3.中华人民共和国建设部标准．岩土工程勘察规范．北京中国建筑工业出版社，1995 4.重庆市地方标准．建筑边坡支护技术规范．重庆市建设委员会．2001