地區(qū)高速公路沿線邊坡穩(wěn)定性分析
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摘要:山體滑坡是影響高速公路正常運營的主要問題之一。針對上述問題將基于呂梁高速公路處的地貌特征為基礎(chǔ)，利用極限平衡原理探索分析高速公路邊坡的穩(wěn)定特性。研究結(jié)果表明，呂梁山地區(qū)高速公路所處的土質(zhì)邊坡安全系數(shù)相對較低，當(dāng)出現(xiàn)降雨或積雪等問題時，邊坡內(nèi)部水作用力增大從而降低了邊坡的安全系數(shù)，同時邊坡的軟弱帶及可能發(fā)生的滑坡量均會發(fā)生改變。
關(guān)鍵詞:水作用力，軟弱帶，穩(wěn)定特性
引言
近年來隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，呂梁山區(qū)大部分地區(qū)已建成大量的高速公路，為當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展提供了有力的交通保障。但是呂梁山地屬黃土高原，地質(zhì)條件多為松軟巖土，山區(qū)邊坡容易發(fā)生垮塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，而滑坡等是影響高速公路安全運營和修建的主要威脅之一［1］。尤其在降雨、地震等條件下滑坡發(fā)生的幾率更大，因此依據(jù)呂梁山的地質(zhì)及氣象特征研究土質(zhì)邊坡滑坡的影響因素［1，2］，探索滑坡發(fā)生的機(jī)理特征，可為高速公路安全運營及建設(shè)提供理論依據(jù)。針對呂梁高速沿線發(fā)生的滑坡災(zāi)害已有較多的記錄［3］。呂梁高速沿線邊坡地質(zhì)條件、水文條件決定了其滑坡類型及誘發(fā)滑坡的因素。根據(jù)現(xiàn)有的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，滑坡主要發(fā)生在降雨后或者是大型施工的擾動過程中。基于上述現(xiàn)象，可以認(rèn)為呂梁地區(qū)的滑坡主要是由于水壓力的作用、巖土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的力學(xué)參數(shù)軟化以及局部地域擾動造成邊坡內(nèi)部應(yīng)力重新分布導(dǎo)致的滑坡。針對滑坡機(jī)理的研究主要是基于其穩(wěn)定性、滑動面探索，滑坡量的計算。其中計算穩(wěn)定性及安全系數(shù)時采用的最主要方法是sarma法及瑞典圓弧法［4，5］，利用上述兩種方法可以較為精確的得到邊坡的滑動面和安全系數(shù)。目前利用上述幾種方法分析呂梁高速邊坡的穩(wěn)定特性及滑坡發(fā)生的機(jī)理特征較少［6］?；谏鲜鰡栴}本文將針對呂梁高速公路沿線的邊坡結(jié)構(gòu)，基于真實的地質(zhì)條件，水文條件，利用sarma法和瑞典圓弧法探索分析該區(qū)域發(fā)生滑坡的誘發(fā)因素。利用分析結(jié)果進(jìn)一步分析防護(hù)措施對阻止滑坡和減少滑坡量的影響作用。
1基本理論
1．1穩(wěn)定性分析方法
任何一個穩(wěn)定的邊坡結(jié)構(gòu)體，在受到外界擾動，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力會重新分布，當(dāng)結(jié)構(gòu)體內(nèi)部的某一結(jié)構(gòu)面上出現(xiàn)較大剪切力并超過抗剪強(qiáng)度時就會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)面的滑動。而邊坡穩(wěn)定性的求解就是分析抗剪切強(qiáng)度與剪切力之間的關(guān)系。目前較為常用的sarma法，是巖土邊坡穩(wěn)定性分析的最主要方法之一，該方法的基本原理是基于剛體極限平衡方法，利用迭代方法求解抗剪切強(qiáng)度與剪切力之間的比值關(guān)系N，相應(yīng)的關(guān)系式為:其中，σn為滑動面法向應(yīng)力;為滑動面摩擦角;τ為滑動面剪應(yīng)力。在給定某一邊坡的結(jié)構(gòu)下，根據(jù)上述方法即可得到該結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性安全系數(shù)，安全系數(shù)小于1，即可認(rèn)為抗剪強(qiáng)度小于剪切力，此處的結(jié)構(gòu)面就會發(fā)生滑動。根據(jù)規(guī)范要求可知一般的工程邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1．05～1．5。
1．2邊坡滑動面
通常情況下認(rèn)為邊坡發(fā)生滑動時，最危險的滑裂面位于巖土結(jié)構(gòu)的深處，在進(jìn)行平面應(yīng)變問題分析時，滑裂面可以近似為一個圓弧面。因此可以基于極限平衡原理，假設(shè)邊坡會沿著某一圓弧面進(jìn)行滑動，將圓弧面劃分為多個條塊，忽略條塊間的作用力，然后計算圓弧面處的安全系數(shù)，通過不斷調(diào)整圓弧面的位置，可以得到安全系數(shù)最小的滑動面，該面即為該邊坡的最可能滑動面，通過該方法即可得到邊坡結(jié)構(gòu)體的滑裂面和滑坡量大小，如圖1所示為某邊坡計算后的圓弧滑動面顯示。
2高速公路邊坡穩(wěn)定性分析
本文將根據(jù)sarma法和瑞典圓弧法分析高速公路沿線的邊坡穩(wěn)定性及特殊水文地質(zhì)條件改變對邊坡穩(wěn)定性的影響。根據(jù)呂梁山區(qū)邊坡構(gòu)造特性［7］，高速公路所處的邊坡類型從地型特征，地質(zhì)構(gòu)造等方面基本一致，因此本文建立如圖2所示的計算模型，圖中包括了高速公路，擋土墻等構(gòu)造，其中巖土邊坡的巖性類型從上到下依次為①可塑黃土、②稍密硬塑黃土、③堅硬狀亞粘土和⑤硬巖帶。根據(jù)圖2選取合理的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行計算分析，其中主要力學(xué)參數(shù)如表1所示。
3穩(wěn)定性分析
根據(jù)已有文獻(xiàn)可知，呂梁山區(qū)降雨量較大，而且夏季多雨濕潤。依據(jù)上述水文條件，本文的主要研究內(nèi)容分三部分:1)無擋土墻時邊坡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性;2)建立擋土墻時邊坡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定;3)考慮降雨時邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。分析結(jié)果如下:1)無擋土墻時，整個邊坡結(jié)構(gòu)體處于自然狀態(tài)，對于無擋土墻狀態(tài)的邊坡更容易發(fā)生滑坡事件，根據(jù)分析可知，此時上述模型的穩(wěn)定性系數(shù)比較小，只有1．10左右，而且安全系數(shù)最小的滑裂面位于邊坡的深處，如果有特殊情況的擾動發(fā)生，有可能發(fā)生深層滑坡情況，而且滑坡量比較大，分析結(jié)果如圖3a)所示。2)建立擋土墻的邊坡結(jié)構(gòu)，由于擋土墻的建立阻止了深層滑坡的向下運動軌跡，利用圓弧法重新搜索結(jié)構(gòu)體的可能滑裂面，通過分析結(jié)果可以看出，當(dāng)增加擋土墻后滑裂面出現(xiàn)明顯改變，此時通過計算發(fā)現(xiàn)邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1．30左右，而且滑裂面位于結(jié)構(gòu)體的表層，因此如若出現(xiàn)滑坡，滑坡量較小，如圖3b)所示。3)考慮降雨時邊坡的穩(wěn)定性，通過計算發(fā)現(xiàn)，在有擋土墻的情況下，發(fā)生降雨時安全系數(shù)會降低滑坡量會增加。主要原因是發(fā)生降雨時，由于邊坡頂部會存有一定的水量，隨著水的滲透作用，邊坡深層內(nèi)會受到孔隙水壓力的作用，孔隙水壓力將會降低結(jié)構(gòu)體的粘聚力和法向應(yīng)力，從而降低了整體的安全系數(shù)，因此當(dāng)增加水壓力作用時邊坡的安全系數(shù)會降低，滑坡量會增加，分析結(jié)果如圖3c)所示。
4結(jié)語
本文基于sarma法和瑞典圓弧法分析了呂梁高速公路沿線邊坡的穩(wěn)定特性，根據(jù)分析結(jié)果可以得出以下結(jié)論:1)呂梁高速多修建于山區(qū)地帶，該地區(qū)黃土覆蓋較厚，加上多雨性氣象條件，邊坡較為陡峭，穩(wěn)定系數(shù)小，該地區(qū)較為容易發(fā)生深層性滑坡。2)高速公路增加擋土墻可以增加邊坡結(jié)構(gòu)體的安全系數(shù)和減小滑坡量，但是在雨季時，由于孔隙水壓力的作用，邊坡體有可能會發(fā)生安全系數(shù)降低，滑坡量增大的風(fēng)險，因此在雨季時增加防護(hù)和應(yīng)急措施。
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作者：雒昕宇 單位：山西交通控股集團(tuán)有限公司呂梁南高速公路分公司
