建筑邊坡復(fù)雜地面線折線破裂面?zhèn)认驂毫τ嬎惴椒ǖ姆治?/h1>
2022-09-05 01:38:54安義軍
貴州科學(xué) 2022年4期
安義軍
(貴州地礦基礎(chǔ)工程有限公司，貴州 貴陽 550081)
隨著近幾年基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)步伐迅速加快，基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)性規(guī)劃受地形地貌、巖土工程地質(zhì)條件及周邊環(huán)境的控制和影響。部分基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)過程中存在大量切方施工，尤其以巖土組合邊坡在開挖施工過程中導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)特別突出，巖土混合邊坡在地形復(fù)雜、巖土構(gòu)成復(fù)雜的情況下內(nèi)部應(yīng)力分布變得更為復(fù)雜，邊坡失穩(wěn)破壞是一個復(fù)雜的地質(zhì)力學(xué)問題，由邊坡坡體的巖土構(gòu)成、地形地貌、風(fēng)化、水以及外力等因素共同作用或多因素作用，對生命財產(chǎn)安全造成嚴重威脅和嚴重損失，邊坡的失穩(wěn)破壞導(dǎo)致的問題日益突顯。本文以龍里高新區(qū)麥沖工業(yè)地塊場平及道路工程(B地塊南側(cè)邊坡工程)為例[1-2]，針對建筑邊坡復(fù)雜地面線折線破裂面?zhèn)认驂毫τ嬎鉡3-5]進行了詳細論述，其后探討了建筑邊坡復(fù)雜地面線折線破裂面?zhèn)认驂毫τ嬎惴椒ǖ拇_定及選擇。
1 工程地質(zhì)條件
根據(jù)勘察資料場地屬于低中山侵蝕溶蝕溶溶丘谷地地貌，總體地勢北西高南東低，地形地貌復(fù)雜，巖土構(gòu)成復(fù)雜，地形高程1236.5～1275.2 m，相對高差38.70 m，地形平均坡度約30°。因切方形成建筑邊坡最大高度22.0 m，邊坡長度150 m，為巖土混合邊坡，土質(zhì)部分為碎石土，巖質(zhì)部分為中風(fēng)化白云巖，坡頂為林地，坡腳為擬建高層建筑。
巖土構(gòu)成主要為中密碎石土層(Qel+dl)和三疊系關(guān)嶺組(T2g)白云巖。其中：中密碎石土，雜色，中密，主要成分為碎石夾粘土，碎石含量大于50%，碎石粒徑主要為2～10 cm，最大粒徑50 cm，均勻性較好。三疊系關(guān)嶺組(T2g)中風(fēng)化白云巖，白色、紫紅色，薄-中厚層狀，含泥化膜，巖體破碎，巖芯呈砂狀、碎塊狀，微晶結(jié)構(gòu)，隱節(jié)理發(fā)育，局部溶蝕溶孔發(fā)育，巖體基本質(zhì)量等級分類為Ⅳ級。基巖分布連續(xù)，均勻性好，邊坡巖體類型為Ⅳ類。根據(jù)勘察資料巖土參數(shù)見表1。
表1 場地巖土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Physical and mechanical properties of the site
該邊坡高15～22 m，表層分布10～17 m厚中密碎石土，下覆為三疊系關(guān)嶺組(T2g)中風(fēng)化白云巖。中密碎石土擬開挖坡率為1∶0.75(53°)，中風(fēng)化白云巖擬開挖坡率為1∶0.3(73°)，開挖坡向165°，巖層傾向 76°，傾角22°，逆向坡，無外傾結(jié)構(gòu)面。根據(jù)勘察資料巖土設(shè)計代表性剖面見圖1。
圖1 巖土設(shè)計代表性剖面Fig.1 Representative section of the geotechnical design
2 側(cè)壓力與剩余下滑力計算及對比分析
本文分別按照《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330—2013)(后文采用(GB50330—2013)代替)6.2.3式和《貴州建筑巖土工程技術(shù)規(guī)范》(BDJ52/T046—2018)(采用(BDJ52/T046—2018)代替)8.3.5式對建筑邊坡復(fù)雜地面線折線破裂面?zhèn)认驂毫褪Ｓ嘞禄Ψ謩e計算并對比分析。
2.1 上邊坡側(cè)壓力計算
2.1.1 土壓力計算方法
將計算簡圖簡化、等代成符合《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330—2013))6.2.3式土壓力公式前提條件的圖形后計算，本例為6度區(qū)，非超限邊坡，水平地震系數(shù)a=0，地震角ρ=0°。
如圖2所示，附加荷載q=30 kPa、α=126.9°、β=24°.6、δ=25°/2=12.5°、H=10 m，巖土指標(biāo)如圖。代入(GB50330—2013)6.2.3式，結(jié)果為：
圖2 巖土設(shè)計代表性剖面Fig.2 Representative section of the geotechnical design
η=0.045455，
Kq=1.409452，
土壓力系數(shù)Ka=0.2087，
合力Ea=229.56 kN/m，
垂直分力Ey=-94.72 kN/m，
水平分力Ex=209.11 kN/m，
側(cè)壓力均為標(biāo)準值。
2.1.2 剩余下滑力計算方法
按照(BDJ52/T046—2018)8.3.5式計算剩余下滑力，先將附加荷載換算成土柱高，安全系數(shù)取k=1.0(標(biāo)準值，以便與(GB50330—2013)6.2.3式對比)。取θ=(β+φ)/2=(53.1°+25°)/2=39.05°為破裂面，計算剩余下滑力，再在該破裂面兩側(cè)，按一定增量角取破裂面，計算剩余下滑力，得最大剩余下滑力及破裂面，再在該破裂面兩側(cè)，取更小的增量角確定破裂面，計算剩余下滑力，最終找到最大剩余下滑力及破裂面，即圖中破裂角35.4°的破裂面。
圖3 巖土設(shè)計代表性剖面Fig.3 Representative section of the geotechnical design
計算結(jié)果：
設(shè)計安全系數(shù)：K=1，
剩余下滑力隱式法：E(隱)=233.58 kN/m，
水平分力：Ex(隱)=190.37 kN/m。
2.1.3 標(biāo)準值對比分析
(GB50330—2013)6.2.3式計算結(jié)果：
合力Ea=229.56 kN/m，
水平分力Ex=209.11 kN/m。
(BDJ52/T046—2018)8.3.5式計算結(jié)果：
剩余下滑力隱式法：E(隱)=233.58 kN/m，
水平分力：Ex(隱)=190.37 kN/m。
(BDJ52/T046—2018)8.3.5式隱式法的Ex比(GB50330—2013)6.2.3式計算結(jié)果偏小10%。
取安全系數(shù)1.35進行側(cè)壓力設(shè)計值對比：
(GB50330—2013)6.2.3式側(cè)壓力水平分力設(shè)計值Ex=209.11 kN/m×1.35=282.299 kN/m；
(BDJ52/T046—2018)8.3.5式剩余下滑力水平分力隱式法的Ex(隱)=372.2(kN/m)；
經(jīng)比較(BDJ52/T046—2018)8.3.5式剩余下滑力水平分力設(shè)計值比(GB50330—2013)6.2.3式側(cè)壓力水平分力設(shè)計值偏大24.2%。
2.2 下邊坡側(cè)壓力計算
2.2.1 土壓力計算方法
按照(GB50330—2013)6.2.3式，需要將上級邊坡?lián)Q算成附加荷載，根據(jù)(GB50330—2013)附錄B.0.2，換算后計算簡圖如下，主動土壓力系數(shù)ka=0.3533，上級邊坡坡頂處，換算荷載220 kPa，一級邊坡坡頂換算荷載為0 kPa，荷載沿45°+φ/2=70°線向下傳遞，僅在一級邊坡坡腳2.1 m高處，產(chǎn)生0～8.2 kPa的側(cè)壓力，合力為8.61 kN/m。按(GB50330—2013)6.2.3式計算，一級邊坡側(cè)壓力水平分力Ex=94.77 kN/m，總側(cè)壓力水平分力Ex=94.77+8.61=103.38 kN/m。
圖4 巖土設(shè)計代表性剖面Fig.4 Representative section of the geotechnical design
如果偏于保守計算，將上邊坡7.5 m寬0～10 m高巖土換算成平均荷載，則0～7.5 m范圍平均荷載=29.33 kPa，按坡頂水平，荷載29.33 kPa，再計算下邊坡側(cè)壓力，得下級邊坡總側(cè)壓力水平分力Ex=113.3(kN/m)。
2.2.2 剩余下滑力計算方法
按照(BDJ52/T046—2018)8.3.5式，計算剩余下滑力，先將樹木附加荷載換算成土柱高。安全系數(shù)取k=1.0(標(biāo)準值，以便與(GB50330—2013)6.2.3式計算進行對比)。先搜索下邊坡剩余下滑力最大的破裂面，先取θ=(β+φ)/2=(73.3°+50°)/2=61.8°為破裂面，計算剩余下滑力，再在該破裂面兩側(cè)，按一定增量角取破裂面，計算剩余下滑力，得最大剩余下滑力及破裂面，再在該破裂面兩側(cè)，取更小的增量角確定破裂面，計算剩余下滑力，最終找到最大剩余下滑力及破裂面，即圖中破裂角59°的破裂面。
再搜索上邊坡剩余下滑力最大的破裂面，以下邊坡59.1°破裂面的頂點為基點，作θ=(β+φ)/2=(53.1°+25°)/2=39.05°的破裂面，計算剩余下滑力，再在該破裂面兩側(cè)，按一定增量角取破裂面，計算剩余下滑力，得最大剩余下滑力及破裂面，再在該破裂面兩側(cè)，取更小的增量角確定破裂面，計算剩余下滑力，最終找到上邊坡剩余下滑力最大的破裂面，即圖中破裂角39.2°的破裂面。如圖5所示。
圖5 巖土設(shè)計代表性剖面Fig.5 Representative section of the geotechnical design
連接下邊坡和上邊坡剩余下滑力最大的破裂面，圖中59.1°破裂面和39.2°破裂面，計算該破裂體的剩余下滑力，得隱式法剩余下滑力水平分力Ex(隱)=472.16 kN/m。
2.2.3 標(biāo)準值對比分析
(GB50330—2013)6.2.3式計算結(jié)果：
合力Ea=229.56 kN/m，
水平分力Ex=209.11 kN/m；
(DBJ52/T046—2018)8.3.5式計算結(jié)果：
剩余下滑力隱式法：E(隱)=233.58 kN/m，
水平分力：Ex(隱)=190.37 kN/m，
(BDJ52/T046—2018)8.3.5式隱式法的Ex比(GB50330—2013)6.2.3式計算結(jié)果偏小10%。
取安全系數(shù)1.35進行側(cè)壓力設(shè)計值對比：
(GB50330—2013)6.2.3式側(cè)壓力水平分力設(shè)計值Ex=209.11(kN/m)×1.35=282.299 kN/m；
(DBJ52/T046—2018)8.3.5式剩余下滑力水平分力隱式法的Ex(隱)=372.2 kN/m，比《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330—2013)6.2.3式側(cè)壓力水平分力設(shè)計值偏大24.2%。
3 結(jié)論
1)對于上邊坡，采用(GB50330—2013)6.2.3式計算和采用(DBJ52/T046—2018)公式計算，邊坡側(cè)壓力的水平分力標(biāo)準值Ex比較接近，誤差小10%；但設(shè)計值誤差比較大，達24.2%。
2)上邊坡側(cè)壓力的水平分力設(shè)計值誤差大的原因，是由于安全系數(shù)在計算公式中的位置不一樣，為說明清楚，假定A為計算結(jié)果，B為下滑力，C為抗滑力；則安全系數(shù)k在《(GB50330—2013)6.2.3式中，A=K×(B-C)；(DBJ52/T046—2018)8.3.5式中，A=(k×B-C)(顯式法)，A=(B-C/K)(隱式法)，同樣的安全系數(shù)，對兩種計算的放大結(jié)果不一樣。
3)對于下邊坡，側(cè)壓力水平分力采用兩種方法計算的結(jié)果差別非常大，(GB50330—2013)6.2.3式計算Ex=113.3(kN/m)，(DBJ52/T046—2018)8.3.5式計算Ex=472.16 kN/m，主要原因是(GB50330—2013)6.2.3公式計算時，將上邊坡巖土換算成附加荷載產(chǎn)生的誤差，原因是附加荷載的破裂面是鉛垂面，而巖土體的破裂面是斜面，兩者并不對等，將巖土換算成附加荷載后進行計算，漏算很大一塊巖土破裂體，如圖6所示。
圖6 巖土設(shè)計代表性剖面Fig.6 Representative section of the geotechnical design
4)將上邊坡巖土換算成附加荷載，漏算很大一塊巖土破裂體，是不安全的。而采用剩余下滑力公式計算下邊坡側(cè)壓力水平分力，更合理、更安全。
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1 工程地質(zhì)條件
根據(jù)勘察資料場地屬于低中山侵蝕溶蝕溶溶丘谷地地貌，總體地勢北西高南東低，地形地貌復(fù)雜，巖土構(gòu)成復(fù)雜，地形高程1236.5～1275.2 m，相對高差38.70 m，地形平均坡度約30°。因切方形成建筑邊坡最大高度22.0 m，邊坡長度150 m，為巖土混合邊坡，土質(zhì)部分為碎石土，巖質(zhì)部分為中風(fēng)化白云巖，坡頂為林地，坡腳為擬建高層建筑。
巖土構(gòu)成主要為中密碎石土層(Qel+dl)和三疊系關(guān)嶺組(T2g)白云巖。其中：中密碎石土，雜色，中密，主要成分為碎石夾粘土，碎石含量大于50%，碎石粒徑主要為2～10 cm，最大粒徑50 cm，均勻性較好。三疊系關(guān)嶺組(T2g)中風(fēng)化白云巖，白色、紫紅色，薄-中厚層狀，含泥化膜，巖體破碎，巖芯呈砂狀、碎塊狀，微晶結(jié)構(gòu)，隱節(jié)理發(fā)育，局部溶蝕溶孔發(fā)育，巖體基本質(zhì)量等級分類為Ⅳ級。基巖分布連續(xù)，均勻性好，邊坡巖體類型為Ⅳ類。根據(jù)勘察資料巖土參數(shù)見表1。
表1 場地巖土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Physical and mechanical properties of the site
該邊坡高15～22 m，表層分布10～17 m厚中密碎石土，下覆為三疊系關(guān)嶺組(T2g)中風(fēng)化白云巖。中密碎石土擬開挖坡率為1∶0.75(53°)，中風(fēng)化白云巖擬開挖坡率為1∶0.3(73°)，開挖坡向165°，巖層傾向 76°，傾角22°，逆向坡，無外傾結(jié)構(gòu)面。根據(jù)勘察資料巖土設(shè)計代表性剖面見圖1。
圖1 巖土設(shè)計代表性剖面Fig.1 Representative section of the geotechnical design
2 側(cè)壓力與剩余下滑力計算及對比分析
本文分別按照《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330—2013)(后文采用(GB50330—2013)代替)6.2.3式和《貴州建筑巖土工程技術(shù)規(guī)范》(BDJ52/T046—2018)(采用(BDJ52/T046—2018)代替)8.3.5式對建筑邊坡復(fù)雜地面線折線破裂面?zhèn)认驂毫褪Ｓ嘞禄Ψ謩e計算并對比分析。
2.1 上邊坡側(cè)壓力計算
2.1.1 土壓力計算方法
將計算簡圖簡化、等代成符合《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330—2013))6.2.3式土壓力公式前提條件的圖形后計算，本例為6度區(qū)，非超限邊坡，水平地震系數(shù)a=0，地震角ρ=0°。
如圖2所示，附加荷載q=30 kPa、α=126.9°、β=24°.6、δ=25°/2=12.5°、H=10 m，巖土指標(biāo)如圖。代入(GB50330—2013)6.2.3式，結(jié)果為：
圖2 巖土設(shè)計代表性剖面Fig.2 Representative section of the geotechnical design
η=0.045455，
Kq=1.409452，
土壓力系數(shù)Ka=0.2087，
合力Ea=229.56 kN/m，
垂直分力Ey=-94.72 kN/m，
水平分力Ex=209.11 kN/m，
側(cè)壓力均為標(biāo)準值。
2.1.2 剩余下滑力計算方法
按照(BDJ52/T046—2018)8.3.5式計算剩余下滑力，先將附加荷載換算成土柱高，安全系數(shù)取k=1.0(標(biāo)準值，以便與(GB50330—2013)6.2.3式對比)。取θ=(β+φ)/2=(53.1°+25°)/2=39.05°為破裂面，計算剩余下滑力，再在該破裂面兩側(cè)，按一定增量角取破裂面，計算剩余下滑力，得最大剩余下滑力及破裂面，再在該破裂面兩側(cè)，取更小的增量角確定破裂面，計算剩余下滑力，最終找到最大剩余下滑力及破裂面，即圖中破裂角35.4°的破裂面。
圖3 巖土設(shè)計代表性剖面Fig.3 Representative section of the geotechnical design
計算結(jié)果：
設(shè)計安全系數(shù)：K=1，
剩余下滑力隱式法：E(隱)=233.58 kN/m，
水平分力：Ex(隱)=190.37 kN/m。
2.1.3 標(biāo)準值對比分析
(GB50330—2013)6.2.3式計算結(jié)果：
合力Ea=229.56 kN/m，
水平分力Ex=209.11 kN/m。
(BDJ52/T046—2018)8.3.5式計算結(jié)果：
剩余下滑力隱式法：E(隱)=233.58 kN/m，
水平分力：Ex(隱)=190.37 kN/m。
(BDJ52/T046—2018)8.3.5式隱式法的Ex比(GB50330—2013)6.2.3式計算結(jié)果偏小10%。
取安全系數(shù)1.35進行側(cè)壓力設(shè)計值對比：
(GB50330—2013)6.2.3式側(cè)壓力水平分力設(shè)計值Ex=209.11 kN/m×1.35=282.299 kN/m；
(BDJ52/T046—2018)8.3.5式剩余下滑力水平分力隱式法的Ex(隱)=372.2(kN/m)；
經(jīng)比較(BDJ52/T046—2018)8.3.5式剩余下滑力水平分力設(shè)計值比(GB50330—2013)6.2.3式側(cè)壓力水平分力設(shè)計值偏大24.2%。
2.2 下邊坡側(cè)壓力計算
2.2.1 土壓力計算方法
按照(GB50330—2013)6.2.3式，需要將上級邊坡?lián)Q算成附加荷載，根據(jù)(GB50330—2013)附錄B.0.2，換算后計算簡圖如下，主動土壓力系數(shù)ka=0.3533，上級邊坡坡頂處，換算荷載220 kPa，一級邊坡坡頂換算荷載為0 kPa，荷載沿45°+φ/2=70°線向下傳遞，僅在一級邊坡坡腳2.1 m高處，產(chǎn)生0～8.2 kPa的側(cè)壓力，合力為8.61 kN/m。按(GB50330—2013)6.2.3式計算，一級邊坡側(cè)壓力水平分力Ex=94.77 kN/m，總側(cè)壓力水平分力Ex=94.77+8.61=103.38 kN/m。
圖4 巖土設(shè)計代表性剖面Fig.4 Representative section of the geotechnical design
如果偏于保守計算，將上邊坡7.5 m寬0～10 m高巖土換算成平均荷載，則0～7.5 m范圍平均荷載=29.33 kPa，按坡頂水平，荷載29.33 kPa，再計算下邊坡側(cè)壓力，得下級邊坡總側(cè)壓力水平分力Ex=113.3(kN/m)。
2.2.2 剩余下滑力計算方法
按照(BDJ52/T046—2018)8.3.5式，計算剩余下滑力，先將樹木附加荷載換算成土柱高。安全系數(shù)取k=1.0(標(biāo)準值，以便與(GB50330—2013)6.2.3式計算進行對比)。先搜索下邊坡剩余下滑力最大的破裂面，先取θ=(β+φ)/2=(73.3°+50°)/2=61.8°為破裂面，計算剩余下滑力，再在該破裂面兩側(cè)，按一定增量角取破裂面，計算剩余下滑力，得最大剩余下滑力及破裂面，再在該破裂面兩側(cè)，取更小的增量角確定破裂面，計算剩余下滑力，最終找到最大剩余下滑力及破裂面，即圖中破裂角59°的破裂面。
再搜索上邊坡剩余下滑力最大的破裂面，以下邊坡59.1°破裂面的頂點為基點，作θ=(β+φ)/2=(53.1°+25°)/2=39.05°的破裂面，計算剩余下滑力，再在該破裂面兩側(cè)，按一定增量角取破裂面，計算剩余下滑力，得最大剩余下滑力及破裂面，再在該破裂面兩側(cè)，取更小的增量角確定破裂面，計算剩余下滑力，最終找到上邊坡剩余下滑力最大的破裂面，即圖中破裂角39.2°的破裂面。如圖5所示。
圖5 巖土設(shè)計代表性剖面Fig.5 Representative section of the geotechnical design
連接下邊坡和上邊坡剩余下滑力最大的破裂面，圖中59.1°破裂面和39.2°破裂面，計算該破裂體的剩余下滑力，得隱式法剩余下滑力水平分力Ex(隱)=472.16 kN/m。
2.2.3 標(biāo)準值對比分析
(GB50330—2013)6.2.3式計算結(jié)果：
合力Ea=229.56 kN/m，
水平分力Ex=209.11 kN/m；
(DBJ52/T046—2018)8.3.5式計算結(jié)果：
剩余下滑力隱式法：E(隱)=233.58 kN/m，
水平分力：Ex(隱)=190.37 kN/m，
(BDJ52/T046—2018)8.3.5式隱式法的Ex比(GB50330—2013)6.2.3式計算結(jié)果偏小10%。
取安全系數(shù)1.35進行側(cè)壓力設(shè)計值對比：
(GB50330—2013)6.2.3式側(cè)壓力水平分力設(shè)計值Ex=209.11(kN/m)×1.35=282.299 kN/m；
(DBJ52/T046—2018)8.3.5式剩余下滑力水平分力隱式法的Ex(隱)=372.2 kN/m，比《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330—2013)6.2.3式側(cè)壓力水平分力設(shè)計值偏大24.2%。
3 結(jié)論
1)對于上邊坡，采用(GB50330—2013)6.2.3式計算和采用(DBJ52/T046—2018)公式計算，邊坡側(cè)壓力的水平分力標(biāo)準值Ex比較接近，誤差小10%；但設(shè)計值誤差比較大，達24.2%。
2)上邊坡側(cè)壓力的水平分力設(shè)計值誤差大的原因，是由于安全系數(shù)在計算公式中的位置不一樣，為說明清楚，假定A為計算結(jié)果，B為下滑力，C為抗滑力；則安全系數(shù)k在《(GB50330—2013)6.2.3式中，A=K×(B-C)；(DBJ52/T046—2018)8.3.5式中，A=(k×B-C)(顯式法)，A=(B-C/K)(隱式法)，同樣的安全系數(shù)，對兩種計算的放大結(jié)果不一樣。
3)對于下邊坡，側(cè)壓力水平分力采用兩種方法計算的結(jié)果差別非常大，(GB50330—2013)6.2.3式計算Ex=113.3(kN/m)，(DBJ52/T046—2018)8.3.5式計算Ex=472.16 kN/m，主要原因是(GB50330—2013)6.2.3公式計算時，將上邊坡巖土換算成附加荷載產(chǎn)生的誤差，原因是附加荷載的破裂面是鉛垂面，而巖土體的破裂面是斜面，兩者并不對等，將巖土換算成附加荷載后進行計算，漏算很大一塊巖土破裂體，如圖6所示。
圖6 巖土設(shè)計代表性剖面Fig.6 Representative section of the geotechnical design
4)將上邊坡巖土換算成附加荷載，漏算很大一塊巖土破裂體，是不安全的。而采用剩余下滑力公式計算下邊坡側(cè)壓力水平分力，更合理、更安全。
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