瑞典條分法在公路邊坡穩(wěn)定性分析中的應用

肖迎春，周宗紅，王 昌，王海泉，楊昆平(.昆明理工大學國土資源工程學院，云南 昆明 650093；.北京中景恒基建筑裝飾工程有限公司，北京 0005)

瑞典條分法在公路邊坡穩(wěn)定性分析中的應用

肖迎春1，周宗紅1，王 昌1，王海泉1，楊昆平2
(1.昆明理工大學國土資源工程學院，云南 昆明 650093；2.北京中景恒基建筑裝飾工程有限公司，北京 100052)

【摘 要】針對云南省尋甸縣某露天煤礦公路的地質和邊坡現(xiàn)狀，采用《巖土工程系列軟件》中邊坡穩(wěn)定性分析計算程序，運用極限平衡原理的瑞典條分法，對該公路進行邊坡穩(wěn)定性分析，計算其最不利滑動面所在位置、穩(wěn)定安全系數(shù)和抗滑推力，判斷邊坡是否穩(wěn)定，進而提出合理的治理措施，為滑坡治理提供理論依據(jù)。

【關鍵詞】瑞典條分法；公路邊坡； 穩(wěn)定性分析

1　引言

滑坡是指構成斜坡的巖土體沿一定的軟弱面或軟弱帶作整體、緩慢、間歇向下滑動的不良地質現(xiàn)象[1-2]。巖體所受應力不均導致應力集中或產(chǎn)生張應力區(qū)，促使產(chǎn)生新的變形，當應力超過巖體抗剪強度時，巖體破壞導致滑坡[3]。在近百年的滑坡災害研究中，每年都有數(shù)千篇的研究成果及文獻資料，但滑坡災害依然與日俱增[4]。在當今巖土工程中，邊坡穩(wěn)定性問題依然是最為活躍的課題之一[5]。對邊坡進行穩(wěn)定性分析計算是進行邊坡治理的前提，邊坡穩(wěn)定性通常用穩(wěn)定性安全系數(shù)來表示。極限平衡法是基于平衡理論的數(shù)學模型計算分析方法，目前，在工程應用中，一般選擇在某一強度條件下，假定出現(xiàn)滑裂面且形狀為圓弧滑動，滑動體為不變形的剛塑體，運用極限平衡理論進行受力分析，忽略土體應力—應變關系，求得假定滑動面的平均穩(wěn)定性安全系數(shù)[5-7]。

極限平衡原理的瑞典條分法在進行邊坡穩(wěn)定性分析時，忽略相鄰土條間相互作用力的影響。相關經(jīng)驗證明，當條寬不大時，在邊坡穩(wěn)定性分析中，忽略條間力作用對計算結果影響不顯著[8]。瑞典條分法計算出的安全系數(shù)與JanBu法、簡化Bishop法相比較為保守，數(shù)值偏低，但鑒于計算方便，故仍是目前工程中較為常用的方法[9]。

針對云南省尋甸縣某露天煤礦公路的地質條件，運用理正軟件建立計算模型，并采用瑞典條分法對地質邊坡穩(wěn)定性進行分析，充分考慮地震力對其穩(wěn)定性的影響，計算出最不利滑動面所在位置、穩(wěn)定安全系數(shù)和抗滑推力，判斷邊坡穩(wěn)定性，進而提出合理的治理措施，為滑坡治理提供科學的理論依據(jù)。

2　工程背景

滑坡區(qū)位于某煤礦礦部辦公樓北側約30.0m位置處，新建道路右側擋墻周圍，其東南—西北(滑坡主軸)長約50m，西南—東北寬約80.0m?；聟^(qū)總體呈東南—西北向。根據(jù)勘察查明，滑坡滑動(帶)面埋深在2.6～7.5m之間，平均埋深約為4.6m，滑坡后緣張拉裂縫水平距離約在5.0～50.0cm間，平均約為30.0cm；垂直落差在0～120.0cm間，平均約為40.0cm，西南角落差最大。

擬建場地總體屬于中山構造剝蝕地貌單元，溝谷斜坡地形，地勢上呈南高北低，向小河傾斜態(tài)勢。地形平均坡度角15～30°，局部呈陡坎地形，雨季時易形成表土溜滑及淺層滑動。場地最高點約2 165.0m，最低點約2 150.0m，相對高差約15.0m。云南省尋甸縣抗震防裂度為9度。

滑體主剖面地質特征為①層素填土：厚度在0.8m～6.80m之間；②層粉質粘土：厚度在0.90～5.60m之間；②1層卵石：厚度在1.50～4.30m之間；③1層淤泥質土：厚度在0.20～2.30m之間；③層粉質粘土：厚度在0.50～9.80m之間；④層粉質粘土：層頂埋深在9.60～17.20m之間。工程地質坡面圖見圖1。

圖1　工程地質剖面圖

由于暴雨等自然因素影響，該段道路出現(xiàn)了路基下沉，路面破壞變形嚴重，已不能正常使用；道路擋墻損毀嚴重，發(fā)生彎曲變形，產(chǎn)生傾斜，擋墻多處已被錯斷；原始地貌出現(xiàn)鼓脹、鼓張裂縫、地表開裂變形，原始地形坡度變化較大。場地內填土回填時間較短，土體顆粒級配較差，富含孔隙，容易賦存地表水，從而增加了土體自重，降低土體物理力學性質。現(xiàn)用擋墻變形嚴重，力學性質大幅下降，按不利組合考慮，擬建建筑場地土類型為中軟土。該滑坡在前期滑動后，目前處于緩慢蠕動狀態(tài)，在暴雨及其他條件(如地震等)下易加速滑動，故對該邊坡穩(wěn)定性進行定性定量分析，根據(jù)確定的滑動面對滑坡下滑力進行計算，為滑坡治理合理支護提供理論依據(jù)。

3　瑞典條分法原理及應用

瑞典條分法是由瑞典學者W·Fellenius基于瑞典圓弧法提出來的，將假定滑動面上的土體離散成具有垂直邊界的剛體條塊，對作用于土條上的力進行分析，在極限平衡狀態(tài)下，求出穩(wěn)定安全系數(shù)。瑞典條分法忽略相鄰土條間作用力、土體中孔隙水壓力的影響，計算量小，原理簡單，是極限平衡方法中最為簡單、古老、實用的一種分析方法[10]。瑞典條分法的力學模型如圖2所示，推導公式如下。式中：Fs——穩(wěn)定系數(shù)；

圖2　瑞典條分法力學模型

Wi——第i塊段滑體所受的重力(kN/m)；

αi——第i塊段土滑動面法線與豎直線的夾角；

ci——第i塊段土的粘聚力(kPa)；

φi——第i塊段土的內摩擦角(°)；

li——第i塊段滑動面長度(m)；

i ——分析條塊序數(shù)(i =1，2，…，n)；

n ——分塊數(shù)。

在不考慮水壓力作用的情況下，通過理正巖土計算軟件，采用瑞典條分法，對云南省尋甸縣某露天煤礦公路進行邊坡穩(wěn)定性分析計算，自動搜索最危險滑動面，計算下滑力與抗滑力的差值[11]，采用極限平衡法分析最不利滑動面的位置及滑動安全系數(shù)，并與其邊坡穩(wěn)定時的安全系數(shù)值(F =1.20)進行比較。若＞F 值，說明該邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；若＜F 值，則邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，需要采用相應的維護措施，使邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)[12]。

由地質勘探資料以及針對各主要巖土層取樣進行室內土工試驗，得出各層地基土物理力學指標見表1。

表1　各巖土層物理力學指標

3.1 計算模型

計算條件：①滑裂面形狀：圓弧滑動法；②圓弧穩(wěn)定分析方法：瑞典條分法；③土條切向分力與滑動方向反向時當下滑力對待；④圓弧穩(wěn)定計算目標：自動搜索最危險滑裂面，計算安全系數(shù)；⑤條分法的土條寬度：0.50m；⑥搜索時的半徑步長：5.00m；⑦搜索時的圓心步長：5.00m。

3.2 坡面信息

根據(jù)該露天煤礦公路的邊坡實測設定，將邊坡分成14個坡面，通過理正軟件建立模型，并且計算出14個坡面的水平投影和豎直投影，坡面線段具體設定值見表2。

表2　坡面信息

3.3 計算結果

為計算方便，對工程圖進行了鏡像處理，計算結果簡圖如圖3所示。

圖3　最危險滑動面及其安全系數(shù)計算結果圖

計算結果：①最不利滑動面：滑動圓心0.400，45.678m；②滑動半徑45.679m；③滑動安全系數(shù)0.214；④總的下滑力9 048.383kN；⑤總的抗滑力1 932.339kN；⑥土體部分下滑力9 048.383kN；⑦土體部分抗滑力1 932.339kN。

3.4 計算結果分析

根據(jù)相關文獻分析，安全系數(shù)＜1.00屬于不穩(wěn)定狀態(tài)，通過上述分析計算可得，滑動安全系數(shù)為0.214，遠遠無法滿足本滑坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)1.20的要求，由此可知邊坡極易發(fā)生剪切滑移破壞。此外，現(xiàn)場變形跡象和穩(wěn)定性計算均表明，該滑坡在前期滑動后，仍處于緩慢的蠕動滑移狀態(tài)，為防止其進一步擴大，影響上部房屋建筑，應盡早進行治理。

4　結語

(1) 理正巖土計算軟件在進行邊坡穩(wěn)定性分析時更加直觀、快速、有效，采用極限平衡原理的瑞典條分法，能有效計算出最不利滑動面所在位置，提高工作效率，對滑坡的快速有效治理具有深遠的意義。

(2) 在露天礦開采過程中，邊坡的穩(wěn)定性與人們的生活以及礦山生產(chǎn)息息相關。因而制定邊坡監(jiān)管制度，及時發(fā)現(xiàn)邊坡問題，并采取抗滑支擋、土體加固、防滲排水等綜合治理方法，應作為礦山開采及采后維護的一個重要方面。

(3) 針對云南尋甸縣該道路滑坡問題，建議采用抗滑墻進行治理，并將抗滑墻置于原有擋墻位置處。為防止雨季地表水下滲引起新的次生災害，應對場地及周圍的地表做封閉和排水處理，實施坡面夯實防滲，對松散易滲的表面土體整平夯實，同時可以種植草皮，緩解地表水對滑坡體表面的沖刷。嚴禁坡面廢棄物堆積，尤其是廢石，要及時清理堆積物，加強坡面維護與管理。

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The Uses of Swedish Slice Method in Road Slope Stability Analysis

XIAO Ying-chun1, ZHOU Zong-hong1, WANG Chang1, WANG Hai-quan1, YANG Kun-ping2
(1.Faculty of Land and Resource Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China; 2.Beijing Cking Home-key Building Decoration Engineering Co., Ltd., Beijing 100052, China)

Abstract:Based on a new road which located in Xundian county of Yunnan province slop status and the actual geological conditions, the slope stability is analyzed. By using series software of geotechnical engineering, stability safety factor and force of sliding prevention is calculated.So as to judge whether it is stable or not. Reasonable measures is made to provide theoretical basis for Landslide treatment.

Key words:Swedish slice method; road slope; slope stability analysis

【收稿日期】2014-11-20

【文章編號】1007-9386(2015)04-0060-03

【文獻標識碼】A

【中圖分類號】TU43