綜合內摩擦角法在邊坡坡率優化設計中的應用

在公路、鐵路及市政道路路塹設計時，坡率法是最常用的方法，確定合理坡率是該法最為關鍵的過程：坡率過陡，會導致邊坡巖土體垮塌，嚴重者甚至會形成滑坡；坡率過緩，會造成土石方開挖數量增大，投資大量增加。對于地層結構簡單、巖土體性質變化不大且較均勻的土質或巖質邊坡的整體穩定性分析評價時，最常用、最基本的方法就是巖土體綜合內摩擦角φd法。本文就該法在四川廣南高速公路廣元連接線（萬源至龍潭段）K0+000～K0+200段左側路塹邊坡坡率優化設計中的應用進行詳細說明。

工點概況

該工點處于廣南高速公路廣元連接線萬源至龍潭段，本項目于2013年5月開工，2014年底交工，路線全長11.31km，采用二級公路標準建設，設計時速為60km，路基寬度12m，公路-Ⅰ級荷載標準。本文所介紹的邊坡位于該段公路K0+000～K0+200段左側的土質路塹上，設計為全斷面開挖，設計挖深最大達22m,橫斷面為三級邊坡，平臺寬度2m，最初設計坡比為第一級1∶1、第二級 1∶1.25、第三級 1∶1.50。路基開挖工作于2013年6月初開始，2014年5月初邊坡坡面及坡口平臺地帶出現開裂現象。

場地工程地質條件

該路段處于四川盆地北部弧形山脈北東弧向東南弧過渡的山間河谷部位，位于河流右岸一級階地后緣與坡地過渡地帶，其原始地形為緩坡臺地，地表受農耕活動影響呈梯坎狀；斜坡坡向約277°，坡度約10°。場地西端約120m處附近有季節性小河自南向北流過。

本區斷裂構造不發育，場地及其附近無自然滑坡、崩塌、泥石流及采空區分布；巖層具單斜構造特征，地質構造相對簡單，屬于地殼活動相對穩定區；地震設防烈度為Ⅶ度，峰值加速度為0.10g，地震動反應譜特征周期為0.40s。

場地地下水賦存于沖洪積形成的卵石土內，水位埋深低于路面標高約8.50m,補給來源主要為河水，其次為大氣降雨，水量較豐富，滲透系數為80m/d～85m/d。

據地質勘察資料可知，場地內主要為崩坡積含碎塊石粉質黏土，厚約15m～17m，可塑至硬塑，中壓縮性，含約10%～20%砂、泥巖碎塊石，為非膨脹性土壤，土質較均勻；該層之下為沖洪積稍密狀卵石土，厚約1m～2m。基巖為侏羅系中統沙溪廟組巖層，巖性為泥巖夾厚層或薄層泥質砂巖，埋深17m～18m，基巖面坡度約5°～6°，其強風化層厚約1.50m～2.0m；巖層產狀155°∠13°，巖層逆坡向產出。

表1 粉質黏土物理力學性質統計表

據原位測試、室內試驗資料可知，場地巖土層物理力學參數如表1所示。

綜合內摩擦角φd法應用

綜合內摩擦角φd亦稱等效內摩擦角，該法適用于巖土體性質變化不大、分布較均勻的土質或巖質邊坡的整體穩定性分析評價，屬于定性判斷的范疇。由于此段路塹邊坡全斷面呈現土質較均勻、厚度大、基巖面緩傾、無不良結構面分布的基本特征，符合綜合內摩擦角φd法的使用條件，綜合內摩擦角Φd的計算公式推導如下：

因τ=σ＊tan(φ)+c=σ＊tan(φd)，則 tan(φd)=tan(φ)+c/σ

因 σ=0.5＊γ＊h＊cos(θ)，則 φd=atan(tan(φ)+2＊c/（γ＊h＊cos(θ)）)

式中：τ——剪應力，σ——正應力，γ——容重（kN/m3）；c——黏聚力（KPa），φ——內摩擦角（度）；θ——邊坡破裂角，為45°+φ/2；h——邊坡最大高度，一般不得超過25m。

φd值計算結果，對于軟巖、極軟巖時因巖體的流變效應影響應對φd值進行適當折減。

穩定性判定標準如下：當θ=φd時，邊坡巖土體處于極限平衡狀態；當θ＜φd時，邊坡巖土體處于整體穩定狀態；當θ＞φd時，邊坡巖土體處于整體非穩定狀態。

將γ=21.18kN/m3、h=22m、c=33.50kPa、φ=12.20 °帶入公式計算，可知該段土質路塹邊坡綜合內摩擦角φd=19.90°。顯然，要保證該路塹邊坡在施工或使用過程中不發生開裂或巖土體坍塌，設計時應使路塹邊坡坡角不大于綜合內摩擦角φd=19.90°。

該段土質路塹初擬設計情況為：設計挖深最大達22m，橫斷面為3級邊坡形式，第一級1∶1、第二級1∶1.25、第三級1∶1.50，每級平臺寬度2m，人工邊坡綜合坡比為1∶1.45，路塹邊坡整體坡度為35°，明顯大于土體綜合內摩擦角。項目開工后，按此設計方案開挖路基，半年后邊坡坡面及坡口地帶出現開裂、局部巖土體滑塌現象。后對該段路塹邊坡進行了較詳實的巖土施工勘察，在準確掌握了主要巖土層物理力學參數后，采用slide6.0法、綜合內摩擦角法對路塹邊坡進行穩定性綜合分析，得知該段土質路塹邊坡變形基本為開挖坡比過大造成淺層滑塌。并且，結合場地地形地質條件及21號規劃道路設計情況，對抗滑樁加固方案與坡率法路塹方案進行了技術經濟比較。結果顯示，鑒于21號規劃道路路基將存在土石方開挖情況，只要坡頂不存在較大規模的堆載、嚴重的施工破壞與擾動，坡體整體較穩定。

因此本著節約投資、施工方便、技術可靠的原則最終選擇按綜合內摩擦角φd=20°進一步放緩坡比，并調整了邊坡各級坡率及平臺寬度，業主按優化后的坡率方案進行施工，經過3年多的使用，效果良好，邊坡穩定。

結語

本文對廣南高速公路廣元連接線新建工程萬源至龍潭K0+000～K0+200段左側路塹邊坡坡率方案，采用巖土體綜合內摩擦角法的優化設計工作進行了介紹與經驗總結。結果表明，綜合內摩擦角法是確定均質巖土層路塹邊坡合理坡率較可靠的方法，該法不僅計算過程簡單，而且通過此法確定的路塹邊坡的坡率方案具有安全穩定系數高、造價低及便于實施的優點，能夠達到工程建設對技術、經濟、安全的綜合要求，可作為同類工程設計參考使用。