放缓坡率一定能增加边坡的稳定性吗?

在工程实践中,往往可以通过放缓坡率提高边坡的稳定性,尤其是在较低的边坡工程中往往可通过“坡率法”进行设计。但有些边坡在放缓坡率后,却往往出现了坡体持续变形和边坡破坏范围扩大的趋势。这就是说,放缓坡率并不一定能增加边坡的稳定性,甚至可能出现负面因素而加速边坡的变形。
在自然界形成的天然坡体,往往由于岩土体的离散性、多相性、变异性等因素,从遥远亿万年的水与火洗礼中走来,早已是伤痕累累。有些边坡外表看起很光鲜,其实内部早已是败絮其中。坡体中不可避免存在的不利结构面,存在特定的应力场与渗流场,一旦坡体出现不合理的开挖就会伴随着坡体的加速进化,直至造成坡体失稳。甚至造成坡率越缓,坡体变形越强烈的情况出现。造成出现这种情况的原因主要可归纳如下:
1、坡率法是应用于高度较低边坡设计中的一种较为粗犷的做法。这是因坡率法忽略了其它因素,而将构成坡体的物质假想为均质或类均质体的岩土体。也就是说,坡率法适合采用最大剪应力面控制的坡体,因此,可以通过放缓坡率使边坡的坡度达到或小于组成坡体岩土体的休止角,从而确保边坡的稳定性满足一定的使用安全储备要求。
2、坡体中存在折线型不利结构面时,坡体的前缘多为确保坡体稳定的抗滑段,一旦开挖往往可能挖除了坡体的抗滑段,从而造成边坡稳定性降低。甚至出现坡率放缓越大而抗滑力削弱的越厉害的情况,也就造成了随着边坡坡率放缓而出现边坡稳定性不断降低和坡体变形规模不断扩大的情况发生。
3、坡体中存在直线线型不利结构面时,如从顺层边坡变形体的稳定系数计算公式:
图1 变形体高h不变时,不同坡角的顺层边坡稳定性不变
可知,顺层边坡的稳定系数在边坡的开挖坡度大于层面倾角的情况下,在不改变变形体高度的情况下,单纯的放缓边坡坡率是不能改变其稳定系数的。反而可能随着坡率的放缓而不断加大坡体的人工暴露面,导致坡体稳定性受外界影响的比重不断加大而不利于坡体稳定。
如下图为某高速公路的顺层滑坡案例。该段坡体由砂泥岩顺层构成,层面倾角25°,坡率1:0.75~1:1,原设计边坡高为36m,采用全坡面锚固工程进行加固。但由于边坡采用“一挖到底”模式开挖,造成边坡开挖至一级平台时发生了滑坡。滑坡发生后,技术人员采用以放缓坡率为主的方案进行处治,即采用1:1.25坡率进行刷坡。工程实施后一周左右,该段顺层边坡发生了更大规模的滑移,滑坡方量达30万方。
图2 坡率放缓后第二次大规模顺层滑坡
4、构成坡体的岩土体水敏性较强或抗风化能力较弱时,坡体坡率放置过缓,极易造成地表水渗入加大和坡体风化暴露面加大而降低坡体的稳定性。
如某段坡体下部由第三系的红色极软泥质粉砂岩构成,上覆一定厚度的覆盖层。技术人员采用坡率为1:1.5的坡率设置,造成坡体开挖后暴露的泥质粉砂岩风化成为沙状,以及暴雨时由于开挖边坡坡率过缓使大量地表汇水进入坡体,导致坡体出现了沿土岩界面浅层滑坡,以及前缘开挖较陡的临时边坡强度大幅降低而造成坡体依附于泥质粉砂岩的外倾结构面形成的深层滑坡。
图3 抗风化能力很差的泥质粉砂岩
图4 缓坡率开挖后形成的滑坡
从以上分析可以看出,边坡采用放缓坡率提高稳定性是存在一定应用范围的,切不可忽略使用边界条件而造成坡体稳定性降低,甚至出现失稳。
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