土質臨時邊坡設計細部優(yōu)化

樂生耀路永衛(wèi)田華（天津市水利勘測設計院 天津 300204）

土質臨時邊坡的設計主要是在與主體結構相適應且滿足施工要求的情況下，確定土坡斷面形式。其設計計算較為簡單，又受主體結構制約。從津塘地區(qū)工程情況來看，只要降水效果理想，開挖深度8 m以內，邊坡的穩(wěn)定性是有保證的，并且臨時土坡坡面設計時可以從技術經(jīng)濟角度優(yōu)化。

1 優(yōu)化坡面線

1.1 工程實例

地勘描述如下：某輸水管線工程，邊坡土質由壤土、粘土組成，為粘性土均一結構邊坡，臨時邊坡開挖深度約為8.0 m，開挖深度較大，建議4 m左右增設一級馬道。臨時邊坡坡比為水上1:1.5～1:2.0，水下1:2.0～1:2.5。地下水水位較高，存在于粘土和壤土中，為防止基坑邊坡在地下水作用下產生塑流變形，致使邊坡失穩(wěn)，建議工程施工時先進行降水，然后再進行基坑開挖。若進行了有效降水，邊坡可適當變陡。土體物理力學指標建議值見表1。

表1 土體物理力學指標建議值表

1.2 優(yōu)化前設計

依據(jù)地勘資料，要求工程施工前先進行20 d左右降水，邊坡于挖深4 m處設置2 m寬馬道，由于地勘提供了水上水下的建議坡比，通過降水的折減，取用馬道以下坡比1:1.25，馬道以上坡比1:1。穩(wěn)定計算時，坡頂附加20 KPa施工荷載，考慮2 m的安全距離，馬道處增加5 KPa活荷載。采用簡化畢肖普法計算，自動搜索圓心坐標，考慮地下水穩(wěn)定滲流作用。

為方便比較，坡面均取坡腳坐標（0，0）；坡頂坐標（11，8）。計算簡圖與結果如圖1：

圖1 坡面計算簡圖

計算得，滑動安全系數(shù)K=1.193>1.05，滿足要求。

1.3 優(yōu)化坡比設計

上述計算過程及方法并無問題，實際設計中亦可根據(jù)上述計算結果進行設計。下面改變坡面形式，仍然在挖深4 m處設置2 m寬馬道，只是改變上下坡比，將馬道以上坡比變?yōu)?:1.25，馬道以下變?yōu)?:1。重新計算，計算簡圖如圖2所示。

圖2 坡比改變后計算簡圖

計算得滑動安全系數(shù)K=1.218>1.05，滿足要求。

從計算結果可以看出坡面線2要比坡面線1偏于安全，可是將兩坡面線首尾重合放置后（見圖3）發(fā)現(xiàn)，坡面1要比坡面2多挖陰影部分的土方。多挖了土方，滑動安全系數(shù)卻降低了，是否由于坡面線1的失穩(wěn)使局部抗滑穩(wěn)定破壞？針對這個疑問，我們假定坡面1和坡面2處于同樣的c=15，φ=20的均質土體中，容重按19 kN/m3計，其他條件不變，重新計算坡面1、坡面2的滑動安全系數(shù)。經(jīng)計算，坡面1的K=1.277，而坡面2的K=1.305。計算簡圖分別見圖4、圖5。坡面2的滑動安全系數(shù)仍然比坡面1大。

圖3 兩坡面線首尾重合放置

圖4 坡面1計算簡圖

圖5 坡面2計算簡圖

為了解決這個疑問，我們首先從使用的計算程序著眼，程序的計算方法為簡化畢肖普法，屬于條分法的一種，其原理是先假定一個滑動面的形狀和位置（考慮最可能出現(xiàn)的滑動面），分析這個面上的滑動力與抗滑力，如果抗滑力或力矩大于滑動力或力矩有一定的安全系數(shù)，那么這個滑面就不可能發(fā)生，或者說這個滑動面的滑動安全系數(shù)很高。表面上看，坡面1比坡面2減少了陰影部分面積土體的下滑力矩，理應比坡面2滑動安全系數(shù)高才對。

圖6 兩坡面滑弧的圓心及滑動面

我們將兩坡面滑弧的圓心及滑動面在同一坐標中繪制出來（見圖6），發(fā)現(xiàn)坡面1雖然比坡面2多挖了圖3中陰影部分的土體，卻致使坡面1的最不利滑弧向土坡外側移動，從兩個滑動體的比較來看，坡面1比坡面2在靠近圓心側多挖了部分土方（圖3陰影部分），而遠離圓心側增加了部分土方（圖4兩圓弧間部分），經(jīng)計算，兩部分土方體積相當，多挖的土方并沒能有效減少滑動面上的滑動力。可見計算結果確實無誤。

通過計算，圖3中陰影部分面積為4 m2，這表明單側坡面2每沿米比坡面1少挖4 m3土方，假設開挖斷面底寬10 m，則坡面2比坡面1形成的基槽節(jié)省了近5%的土方。

隨后我們又計算了將馬道高程變到挖深2 m、3 m、5 m處，保持馬道以下坡比1:1，馬道以上坡比1:1.25，以及無馬道的情況，計算安全系數(shù)分別為1.207、1.218、1.205、1.171。最終采用將馬道置于挖深3 m處，馬道上1:1.25，馬道下1:1，既偏于安全又減少工程量的開挖方案。

2 優(yōu)化細部結構

2.1 失穩(wěn)分析

土質邊坡的破壞總離不開水的作用，降水良好的土質邊坡也容易受到氣象變化的破壞，如降雨、冰凍等。在津塘地區(qū)凍土深度為0.7 m，對開挖回填周期短的臨時邊坡幾乎沒有影響，最大的破壞就來自降水，無論是何種降水均增大了滑動體的自重，雨水侵入使土體的抗剪強度降低，力學性質變差，雨水還會從坡面、坡頂?shù)谋∪跆帩B入土坡內，帶走細顆粒，使滑動體更加不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)新的滑動面，在坡面的設計上減少水的作用是優(yōu)化的重點。

2.2 細部設計

針對降水我們一般遵循兩個原則：一是防止坡頂?shù)乃樒铝飨禄蛳聺B；二是降在坡面的水要盡快匯集以便排出。

這就要求坡頂靠近邊坡一側要稍高一點，且應將坡頂做成一定的坡度，使水流能向遠離邊坡的方向迅速流走，馬道也要做成一定坡度，坡度方向與坡頂相反，盡量減少降水滯留。但在馬道處盡量不設排水溝，那樣增加了下滲的風險。雨季不宜使用塑料布將坡面全部覆蓋，覆蓋以后，邊坡的變形、失穩(wěn)前出現(xiàn)的裂縫等均無法觀測，大大增加了安全隱患。

土質邊坡破壞方式為圓弧滑動破壞，在邊坡設計時應當充分考慮其破壞形式，將滑動體重心下移，有效減少滑動力矩，減少降水的破壞，能做到既經(jīng)濟又安全。■