花岗岩风化料边坡稳定性研究

花岗岩风化料边坡稳定性研究
摘要：采用理论分析和数值计算的方法，对花岗岩风化料路基边坡的合理坡高、边坡形式以及稳定性问题进行了研究，对花岗岩风化料路基的施工具有重要的指导意义。

研究结果认为花岗岩风化料边坡的合理形式为：下边坡坡度1：1.75，上边坡1：1.3或者1：1.5两种形式。

关键词：花岗岩风化料；边坡坡度；有限元计算
Abstract: By using the method of theoretical analysis and numerical calculation，the reasonable slope height，form and stability problems of weathered granite have been studied，the results shows important guiding significance to the construction of weathered granite subgrade. The results of the study think that the reasonable form of weathered granite slope is as follow：the bottom half of slope is 1:1.75 and the upper half is 1:1.3 or 1:1.5.
The words: weathered granite, slope, the finite element calculation;
引言
花岗岩风化料一般强度比较低，颗粒不稳定，级配变异性较大，因此在高等级公路中应用较少[1]。

我国花岗岩风化料分布广泛，大部分的山地、丘陵地区都有分布[2]。

在这些地区修建公路时，路基土石方通常由别处调运，增加了工程造价。

如果能利用沿线分布的花岗岩风化料，不但能够降低工作量，较少对环境的破坏，还能极大地降低工程造价。

因此研究花岗岩风化料的路用特性对公路建设具有重要意义[3]。

花岗岩风化料路堤边坡的失稳形式有两种:一是边坡较陡,填方较高，边坡产生滑动失稳；二是地基承载力不足。

边坡稳定分析的基本方法仍然是极限平衡法。

数值分析方法因其造价较高、难度较大，尚没有被广泛应用，但是这种方法为定量评价边坡的稳定性创造了条件，使边坡稳定性研究的高精度定量评价成为可能。

本文采用理论分析和数值计算的方法，从稳定性分析、破坏因素和破坏形式等几个方面入手，对花岗岩风化料路基边坡的合理坡高、边坡形式以及稳定性问题进行了研究，对花岗岩风化料路基的施工具有重要的指导意义。

1 花岗岩风化料边坡稳定性影响因素
边坡的安全系数指的是边坡当中最危险破坏面上的抗滑力与滑动力的比值，是描述边坡稳定性的重要参数。

安全系数是边坡设计中最重要的环节，影响边坡稳定的因素有[4]：
1.外在因素
(1)施工因素：边坡设计不合理、开挖或填筑速度过快，地下水上升或者地表水入渗使岩土体质量增加，结构软化而抗剪强度降低，并使孔隙水压力升高，地下水的渗流对岩土体产生动水压力，水位的升高将会产生浮托力。

这些情况都能造成边坡失稳。

(2)地基因素：天然地基承载力不够，或者软弱地基没有经过合适的处理，导致在上部荷载作用下沉降过大，也能够导致边坡的失稳。

2.内在因素
(1)风化作用：风化作用使岩土体的抗剪强度减弱，影响边坡的形状和坡度，增加透水性，给雨水的入渗提供了条件，造成边坡的失稳破坏。

(2)级配：花岗岩风化料的级配、颗粒大小等是决定边坡稳定性的重要内在因素。

由坚硬(密实)、矿物稳定、强度较高的土体构成的边坡，其稳定性一般较好，反之就较差。

2.花岗岩风化料合理坡高分析
对花岗岩风化料边坡的极限高度做一下基本假定[5]：
(l)不考虑滑动土体自身的内应力分布；
(2)认为滑动状态只在滑动面上，滑动时整体下滑;
(3)砂类土滑动面为直线滑动面。

对于粗颗粒强风化花岗岩边坡，需要确定边坡的极限高度与坡度。

计算图示如图1所示，取土楔ABC为研究对象，其受到重力、粘聚力、摩擦力三个力的作用。

图1路基边坡计算图
假设某边坡坡度θ对应最大边坡高度Hmax，那么就能确定与某一边坡高度H相对应的最大边坡坡度θmax，则Hmax与θmax就是合理的边坡高度与合理边坡坡度。

取隔离体ABC建立平衡方程:
（1）
式中：T是下滑力，；F是抗滑力，；N作用在滑动面上的应力，；G是土楔重量及路基顶面荷载之和，。

φ为滑动体内摩擦角(°)；H为边坡高度(m)；α为滑动面倾角(°)；β为边坡倾角(°)；γ为路基边坡土体重度(kN/m3)；c为滑动体粘聚力（kPa）。

（2）
对α求导得：
（3）
简化为
（4）
当假想滑动面倾角时，ABC要维持极限平衡所需的粘聚力最大。

进一步求得
（5）
引入边坡稳定安全系数K，当c≤ c/K时，边坡稳定性满足要求。

边坡坡度为1：m的边坡满足稳定性要求所容许的最大边坡高度为
（6）
路基边坡高度应小于，通过该公式也可以得到某高度边坡的最大坡度θmax 的值。

花岗岩风化料路基边坡的坡度一般取值为1：1.5，即倾角为33.7°。

根据《公路路基设计规范》规定，路基自身稳定性安全系数不应小于1.35。

由于强风化花岗岩属于松散颗粒，其粘聚力不能满足要求，需要对其数据进行折减应用，取边坡合理的安全系数为1.35即可求得纯风化岩填料、4%掺土风化岩填料、12%掺土风化岩路基的的极限坡高如表1所示。

表1边坡极限坡高
从表1可以看出经过掺土改良后的风化岩风化料填筑路基要高于风化岩路基，可见进行风化岩改良能够取得比纯风化岩填料更高的填方高度。

纯风化岩的
极限坡高已经达到50m，在一般情况下已经能够满足路基填筑要求，说明风化岩风化料不经过改良也可以作为填料填筑高填方路堤。

3 花岗岩风化料边坡稳定性分析
本章以某强风化花岗岩边坡为例进行边坡稳定的分析。

首先对该边坡使用的三种填料进行筛分试验，试验结果如图2所示。

图2 填料的筛分试验累计曲线
从图中可以看出，三种填料均属于粗颗粒细砾石，不均匀系数分别为10、7.8、16.7，表明风化岩的级配良好。

根据《公路路基设计规范》规定填方路基应优先选用级配较好的砾类土、砂类土等粗粒土作为填料，填料最大粒径应小于150mm。

因此这三种填料均满足规范要求。

粗粒土的粘聚力三轴试验测试结果与现场测试结果差距较大，因此该参数的选取需要修正探讨。

根据陈希哲教授在《土力学地基基础》中的阐述，粗粒土粘聚力在1～8KPa之间，这一数据较为符合实际，宜采用低粘聚力作为计算参数较为安全[6]。

强度参数内摩擦角φ由于变化较小，可以直接应用试验结果进行数值与解析计算分析。

按照《公路路基设计规范》要求，以20m填方高度花岗岩风化料边坡为例，上部边坡填方高度8m，边坡坡度分别为1﹕1.3、1﹕1.5、1﹕1.75；下部边坡填方高度为12m，边坡坡度分别为1﹕1.5、1﹕1.75、1﹕1.2。

利用计算软件Plaxis 进行模拟，本构关系为摩尔—库伦准则。

Plaxis程序是荷兰开发的岩土工程有限元软件。

Plaxis程序应用性非常强，能够模拟复杂的工程地质条件，尤其适合于变形和稳定分析。

它可以计算两类工程问题：平面应变问题和轴对称问题，可分析岩土工程学中2D 和3D的变形、稳定性以及地下水渗流等。

此次分析通过模拟不同坡度的边坡通过有限元计算得出滑动面与安全系数，并对比之间的关系。

模拟计算云图如图3-5所示，计算得到的安全系数与边坡之间的关系如表2所示。

a 上部边坡坡度1：1.3 b上部边坡坡度1：1.5 c上部边坡坡度1：1.75
图3下部边坡坡度1：1.5
a 上部边坡坡度1：1.3 b上部边坡坡度1：1.5 c上部边坡坡度1：1.75
图4下部边坡坡度1：1.75
a 上部边坡坡度1：1.3 b上部边坡坡度1：1.5 c上部边坡坡度1：1.75
图5下部边坡坡度1：1.2
表4.4不同组合下的边坡安全系数
根据《公路路基设计规范》规定路堤的堤身稳定性的最小安全系数为1.35，通过计算结果可以看出几种边坡形式均能够满足规范要求。

边坡的潜在圆弧滑动面随着上部边坡变缓而逐渐由坡面圆变化为坡脚圆而产生整体路基的破坏，坡度变缓安全系数由1.39提高到1.46，安全系数增大较小，反而增大了边坡需要防护的范围；边坡滑动面形式均为坡面圆，属于比较理想的边坡坡度形式；图5所示的滑动面形式较为复杂，上部边坡坡度1：1.3与1：1.5两种形式的滑动面为一级边坡的坡脚圆，存在较大的应力集中现象，极易造成上部边坡的失稳，而造成下部防护的措施的浪费，上部边坡坡度1：1.75的滑动面近似为整体边坡的坡脚圆，需要防护处理的范围较大。

综合分析图3-5认为路基下边坡的坡度选为1：1.75是最为理想的，参照表4-4，可以根据实际情况选择上边坡的坡度为1：1.3与1：1.5两种形式与下边坡的坡度1：1.75进行组合作为风化岩路基边坡的较优的坡度搭配设计形式。

4结论
(1)通过分析认为影响花岗岩风化料边坡稳定性的因素有内在因素和外在因素两种，其中影响较大的是风化料的级配和颗粒组成；
(2)通过理论推导得到了计算边坡高度计算公式，风化岩改良后能够取得比纯风化岩填料更高的填方高度；
(3)通过有限元分析得到下边坡坡度1：1.75最为理想，上边坡可以选取1：1.3与1：1.5两种形式。

参考文献
[1]孙家齐. 工程地质[M]. 第二版. 武汉: 武汉理工大学出版社, 2003.
[2]程裕淇等.中国区域地质概论[M]. 北京:地质出版社, 1994.
[3]曲永新,吴宏伟,尚彦军.华南花岗岩残积土红土化程度的地带性与香港该类不发育的原因[J].工程地质学报,2000,8(1):16-20.
[4]胡厚田，王安福，刘涌江等，花岗岩类土质高边坡稳定性研究[J].岩土工程学报2009，31（6）：824-828 .
[5]郑颖人,赵尚毅.有限元强度折减法在土坡与岩坡中的应用[J].岩石力学与工程学报,2004,23(19):3381–3388.
[6]宋二祥.土工结构安全系数的有限元计算[J].岩土工程学报,1997,19(2):1-7.。