公路路基邊坡穩定性的影響因素分析

（江西理工大學 建筑與測繪工程學院，江西 贛州 341000）

0 引言

影響邊坡穩定性的原因是多方面的，可分為自然因素和人為因素，邊坡的穩定與否是各類因素一同作用的結果，任何一個因素的變化都有可能改變邊坡的穩定狀態[1]。

影響路基邊坡穩定性的自然因素主要為：巖性、巖土體結構、地表水、地下水流、地殼震動等，除了這些影響因素外，還有氣候、地貌、風化作用等自然因素。在眾多的自然因素中，其中水被認為是引發邊坡失穩的主要原因，它無疑是影響路塹邊坡穩定性和填土邊坡穩定性的主要因素，包括“內部”和“外部”邊坡的破壞，因此，水是評價邊坡穩定性的關鍵因素。在無粘性土中，水對土體內摩擦角沒有影響，對地下水位以下無粘性土壤的影響是降低土顆粒間的有效應力，從而降低摩阻力。地下水位隨季節性波動通常不會影響土壤顆?？紫堕g的含水量或黏聚力，除非外力（例如打樁）破壞顆粒結構，否則土壤顆粒之間的吸力會阻止水分的吸收，但是，某些粘土礦物會與水發生反應，并引起粘土質量與體積變化，吸收水分的增加是粘性土強度下降的主要因素，粘土礦物吸收的水分會引起土體含水量增加，從而降低粘性土的黏聚力，如果粘土礦物恰好是膨脹土（如蒙脫石），這些效應就會被放大。盡管許多自然因素可能人為沒法控制和改動，不過我們可以預先判斷分析并加以防范，為保證邊坡的穩定性，保障人民群眾的財產和生命安全做貢獻。

影響路基邊坡穩定性的人為因素主要為：削坡、坡頂加載、開挖、爆破、加固等，其中開挖可分為邊坡開挖和地下開挖，邊坡的開挖對邊坡穩定性的影響主要表現在邊坡坡高與坡比，坡高越高，坡比就越大（邊坡角越陡）；地下開挖主要是礦山的開采和修建鐵路、公路隧道等，它會引起的地面滑動和邊坡失穩[2]。

影響路基邊坡穩定性因素除了自然因素和人為因素外，在對路基邊坡進行穩定性分析時，不同的物理力學參數在很大程度上會影響邊坡穩定性安全系數，如土體的彈性模量、泊松比、黏聚力、內摩擦角等[3]，陳建東[4]采用FLAC3D 軟件對路堤邊坡進行穩定性分析，在其它的幾何物理力學參數不變的情況下，通過改變土體彈性模量E 值的大小，計算得到的安全系數為一個定值，表明彈性模量不影響邊坡的穩定性?？锪諿5]采用有限元軟件Ansys 中的三種方法分別對邊坡進行分析，通過三種方法的計算結果可以得到，彈性模量、泊松比對邊坡穩定性影響都極小，但黏聚力與內摩擦角對其影響較大。由于應用范圍、假設、計算標準以及其他人為因素的影響，同一模型不同的方法計算得到的結果也有所差別，不同分析方法具有自己的優缺點，適用范圍也不一樣，在實際工程應用中，需要根據邊坡巖土體地質條件和滑動面的形狀綜合考慮以選擇適合的分析方法。

1 邊坡穩定性分析方法

邊坡穩定性分析方法的種類很多，目前常用的方法主要為極限平衡法和有限元法。極限平衡法經多年的發展，基礎理論已很完善，下面簡單介紹幾種常用的極限平衡法：

1.1 瑞典圓弧法

瑞典圓弧法假設土體內摩擦角等于零，即cτ= ，換言之，當摩擦角等于零時，有效應力則變為零，從而使剪切強度等于土體的黏聚力。瑞典圓弧法假定一個圓形破壞面，并利用圓形幾何和靜力學分析應力與強度參數，將邊坡滑動力矩與抗滑力矩進行比較，若是抗滑力大于滑動力，則判定邊坡處于穩定狀態。

1.2 簡化Bishop 法

改進的Bishop 法與普通的條分法略有差別，因為假設相鄰土條之間的相互作用力是共線的，條間剪切力為零，該方法是由畢肖普提出，條間法向力的約束使之成為超靜定問題，因此，必須采用迭代法求解安全系數，該方法已被證明算出的安全系數值誤差是正確值的百分之以內。

1.3 簡化Janbu 法

分析非圓形滑動面的困難在于，難以找到多個分力作用于其中的一點，因此，用于圓形滑動面力矩平衡方法不再適用，Janbu 選擇在隨后的分析中使用力平衡方法。

2 影響路基邊坡穩定性相關因素分析

2.1 計算模型及計算參數

選擇一個路堤邊坡作為算例，該路堤高H=10m，假定邊坡為一個均質土坡，模型相關計算尺寸如圖1所示，單位為m，邊坡力學參數如表1所示。

圖1 邊坡模型

表1 力學參數表

分析過程中采用單一變量的控制原則，即僅改變表1中某個材料力學特性參數，而其它參數值保持不變。所要分析的影響因素包括：黏聚力、內摩擦角及分析方法的選取。運用同濟曙光邊坡穩定性分析軟件，采用總應力模式，計算出邊坡穩定系數。

2.2 黏聚力對路基邊坡安全系數的影響

黏聚力是物質（體）分子或顆粒間黏結凝聚之力，是土體的抗剪強度參數之一，為了討論黏聚力對邊坡穩定性的影響，在表1中其它基本力學參數不變情況下，考慮的黏聚力分別為：12、14、16、18、20kPa，分析得到邊坡安全系數Fs隨黏聚力c 的變化情況如表2所示。

表2 不同黏聚力c 下邊坡的安全系數Fs值

從表2可以看出，黏聚力的改變對安全系數影響顯著，隨著黏聚力的增大，安全系數也跟著增大，其原因主要是土體的黏聚力增大，路基邊坡的應力、應變和位移的減小，邊坡的抗剪強度也越高，這使得邊坡的抗滑能力隨之提升，從而使得邊坡更加穩定，邊坡安全系數就越大。在對路基邊坡進行設計和施工中，應根據土體黏聚力的變化采取相應的設計和工程舉措。

2.3 內摩擦角對路基邊坡安全系數的影響

內摩擦角是土或巖石的抗剪強度指標之一，反映土或巖石內部各顆粒之間摩擦力的大小。為了討論內摩擦角對邊坡穩定性的影響，在表1中其它基本力學參數不變情況下，考慮的內摩擦角分別為：13、15、17、19、21°，計算得到路基邊坡安全系數Fs隨內摩擦角φ的變化情況如表3所示。

表3 不同內摩擦角 φ下邊坡的安全系數Fs值

由表3可以看出，內摩擦角對路基邊坡安全系數影響較大，隨著內摩擦角的增大，安全系數也隨之增加。

3 結論

通過對影響路基邊坡穩定性的因素進行了總結和歸納，采用同濟曙光邊坡穩定性分析軟件，著重分析了土體的黏聚力、內摩擦角以及分析方法的選取等因素對路基邊坡穩定性的影響，得到，以上四種計算方法中，采用簡化Janbu 法計算得到的安全系數最小，傳遞系數法算出的安全系數最大；黏聚力和內摩擦角對邊坡的穩定性影響都較大。