公路路基边坡稳定性的影响因素分析

（江西理工大学 建筑与测绘工程学院，江西 赣州 341000）

0 引言

影响边坡稳定性的原因是多方面的，可分为自然因素和人为因素，边坡的稳定与否是各类因素一同作用的结果，任何一个因素的变化都有可能改变边坡的稳定状态[1]。

影响路基边坡稳定性的自然因素主要为：岩性、岩土体结构、地表水、地下水流、地壳震动等，除了这些影响因素外，还有气候、地貌、风化作用等自然因素。在众多的自然因素中，其中水被认为是引发边坡失稳的主要原因，它无疑是影响路堑边坡稳定性和填土边坡稳定性的主要因素，包括“内部”和“外部”边坡的破坏，因此，水是评价边坡稳定性的关键因素。在无粘性土中，水对土体内摩擦角没有影响，对地下水位以下无粘性土壤的影响是降低土颗粒间的有效应力，从而降低摩阻力。地下水位随季节性波动通常不会影响土壤颗粒孔隙间的含水量或黏聚力，除非外力（例如打桩）破坏颗粒结构，否则土壤颗粒之间的吸力会阻止水分的吸收，但是，某些粘土矿物会与水发生反应，并引起粘土质量与体积变化，吸收水分的增加是粘性土强度下降的主要因素，粘土矿物吸收的水分会引起土体含水量增加，从而降低粘性土的黏聚力，如果粘土矿物恰好是膨胀土（如蒙脱石），这些效应就会被放大。尽管许多自然因素可能人为没法控制和改动，不过我们可以预先判断分析并加以防范，为保证边坡的稳定性，保障人民群众的财产和生命安全做贡献。

影响路基边坡稳定性的人为因素主要为：削坡、坡顶加载、开挖、爆破、加固等，其中开挖可分为边坡开挖和地下开挖，边坡的开挖对边坡稳定性的影响主要表现在边坡坡高与坡比，坡高越高，坡比就越大（边坡角越陡）；地下开挖主要是矿山的开采和修建铁路、公路隧道等，它会引起的地面滑动和边坡失稳[2]。

影响路基边坡稳定性因素除了自然因素和人为因素外，在对路基边坡进行稳定性分析时，不同的物理力学参数在很大程度上会影响边坡稳定性安全系数，如土体的弹性模量、泊松比、黏聚力、内摩擦角等[3]，陈建东[4]采用FLAC3D 软件对路堤边坡进行稳定性分析，在其它的几何物理力学参数不变的情况下，通过改变土体弹性模量E 值的大小，计算得到的安全系数为一个定值，表明弹性模量不影响边坡的稳定性。匡林[5]采用有限元软件Ansys 中的三种方法分别对边坡进行分析，通过三种方法的计算结果可以得到，弹性模量、泊松比对边坡稳定性影响都极小，但黏聚力与内摩擦角对其影响较大。由于应用范围、假设、计算标准以及其他人为因素的影响，同一模型不同的方法计算得到的结果也有所差别，不同分析方法具有自己的优缺点，适用范围也不一样，在实际工程应用中，需要根据边坡岩土体地质条件和滑动面的形状综合考虑以选择适合的分析方法。

1 边坡稳定性分析方法

边坡稳定性分析方法的种类很多，目前常用的方法主要为极限平衡法和有限元法。极限平衡法经多年的发展，基础理论已很完善，下面简单介绍几种常用的极限平衡法：

1.1 瑞典圆弧法

瑞典圆弧法假设土体内摩擦角等于零，即cτ= ，换言之，当摩擦角等于零时，有效应力则变为零，从而使剪切强度等于土体的黏聚力。瑞典圆弧法假定一个圆形破坏面，并利用圆形几何和静力学分析应力与强度参数，将边坡滑动力矩与抗滑力矩进行比较，若是抗滑力大于滑动力，则判定边坡处于稳定状态。

1.2 简化Bishop 法

改进的Bishop 法与普通的条分法略有差别，因为假设相邻土条之间的相互作用力是共线的，条间剪切力为零，该方法是由毕肖普提出，条间法向力的约束使之成为超静定问题，因此，必须采用迭代法求解安全系数，该方法已被证明算出的安全系数值误差是正确值的百分之以内。

1.3 简化Janbu 法

分析非圆形滑动面的困难在于，难以找到多个分力作用于其中的一点，因此，用于圆形滑动面力矩平衡方法不再适用，Janbu 选择在随后的分析中使用力平衡方法。

2 影响路基边坡稳定性相关因素分析

2.1 计算模型及计算参数

选择一个路堤边坡作为算例，该路堤高H=10m，假定边坡为一个均质土坡，模型相关计算尺寸如图1所示，单位为m，边坡力学参数如表1所示。

图1 边坡模型

表1 力学参数表

分析过程中采用单一变量的控制原则，即仅改变表1中某个材料力学特性参数，而其它参数值保持不变。所要分析的影响因素包括：黏聚力、内摩擦角及分析方法的选取。运用同济曙光边坡稳定性分析软件，采用总应力模式，计算出边坡稳定系数。

2.2 黏聚力对路基边坡安全系数的影响

黏聚力是物质（体）分子或颗粒间黏结凝聚之力，是土体的抗剪强度参数之一，为了讨论黏聚力对边坡稳定性的影响，在表1中其它基本力学参数不变情况下，考虑的黏聚力分别为：12、14、16、18、20kPa，分析得到边坡安全系数Fs随黏聚力c 的变化情况如表2所示。

表2 不同黏聚力c 下边坡的安全系数Fs值

从表2可以看出，黏聚力的改变对安全系数影响显著，随着黏聚力的增大，安全系数也跟着增大，其原因主要是土体的黏聚力增大，路基边坡的应力、应变和位移的减小，边坡的抗剪强度也越高，这使得边坡的抗滑能力随之提升，从而使得边坡更加稳定，边坡安全系数就越大。在对路基边坡进行设计和施工中，应根据土体黏聚力的变化采取相应的设计和工程举措。

2.3 内摩擦角对路基边坡安全系数的影响

内摩擦角是土或岩石的抗剪强度指标之一，反映土或岩石内部各颗粒之间摩擦力的大小。为了讨论内摩擦角对边坡稳定性的影响，在表1中其它基本力学参数不变情况下，考虑的内摩擦角分别为：13、15、17、19、21°，计算得到路基边坡安全系数Fs随内摩擦角φ的变化情况如表3所示。

表3 不同内摩擦角 φ下边坡的安全系数Fs值

由表3可以看出，内摩擦角对路基边坡安全系数影响较大，随着内摩擦角的增大，安全系数也随之增加。

3 结论

通过对影响路基边坡稳定性的因素进行了总结和归纳，采用同济曙光边坡稳定性分析软件，着重分析了土体的黏聚力、内摩擦角以及分析方法的选取等因素对路基边坡稳定性的影响，得到，以上四种计算方法中，采用简化Janbu 法计算得到的安全系数最小，传递系数法算出的安全系数最大；黏聚力和内摩擦角对边坡的稳定性影响都较大。