建筑边坡复杂地面线折线破裂面侧向压力计算方法的分析

2022-09-05安义军

贵州科学 2022年4期

安义军

(贵州地矿基础工程有限公司，贵州贵阳 550081)

随着近几年基础设施建设步伐迅速加快，基础设施系统性规划受地形地貌、岩土工程地质条件及周边环境的控制和影响。部分基础设施的建设过程中存在大量切方施工，尤其以岩土组合边坡在开挖施工过程中导致边坡失稳特别突出，岩土混合边坡在地形复杂、岩土构成复杂的情况下内部应力分布变得更为复杂，边坡失稳破坏是一个复杂的地质力学问题，由边坡坡体的岩土构成、地形地貌、风化、水以及外力等因素共同作用或多因素作用，对生命财产安全造成严重威胁和严重损失，边坡的失稳破坏导致的问题日益突显。本文以龙里高新区麦冲工业地块场平及道路工程(B地块南侧边坡工程)为例[1-2]，针对建筑边坡复杂地面线折线破裂面侧向压力计算[3-5]进行了详细论述，其后探讨了建筑边坡复杂地面线折线破裂面侧向压力计算方法的确定及选择。

1 工程地质条件

根据勘察资料场地属于低中山侵蚀溶蚀溶溶丘谷地地貌，总体地势北西高南东低，地形地貌复杂，岩土构成复杂，地形高程1236.5～1275.2 m，相对高差38.70 m，地形平均坡度约30°。因切方形成建筑边坡最大高度22.0 m，边坡长度150 m，为岩土混合边坡，土质部分为碎石土，岩质部分为中风化白云岩，坡顶为林地，坡脚为拟建高层建筑。

岩土构成主要为中密碎石土层(Qel+dl)和三叠系关岭组(T2g)白云岩。其中：中密碎石土，杂色，中密，主要成分为碎石夹粘土，碎石含量大于50%，碎石粒径主要为2～10 cm，最大粒径50 cm，均匀性较好。三叠系关岭组(T2g)中风化白云岩，白色、紫红色，薄-中厚层状，含泥化膜，岩体破碎，岩芯呈砂状、碎块状，微晶结构，隐节理发育，局部溶蚀溶孔发育，岩体基本质量等级分类为Ⅳ级。基岩分布连续，均匀性好，边坡岩体类型为Ⅳ类。根据勘察资料岩土参数见表1。

表1 场地岩土物理力学性质指标Tab.1 Physical and mechanical properties of the site

该边坡高15～22 m，表层分布10～17 m厚中密碎石土，下覆为三叠系关岭组(T2g)中风化白云岩。中密碎石土拟开挖坡率为1∶0.75(53°)，中风化白云岩拟开挖坡率为1∶0.3(73°)，开挖坡向165°，岩层倾向 76°，倾角22°，逆向坡，无外倾结构面。根据勘察资料岩土设计代表性剖面见图1。

图1 岩土设计代表性剖面Fig.1 Representative section of the geotechnical design

2 侧压力与剩余下滑力计算及对比分析

本文分别按照《建筑边坡工程技术规范》(GB50330—2013)(后文采用(GB50330—2013)代替)6.2.3式和《贵州建筑岩土工程技术规范》(BDJ52/T046—2018)(采用(BDJ52/T046—2018)代替)8.3.5式对建筑边坡复杂地面线折线破裂面侧向压力和剩余下滑力分别计算并对比分析。

2.1 上边坡侧压力计算

2.1.1 土压力计算方法

将计算简图简化、等代成符合《建筑边坡工程技术规范》(GB50330—2013))6.2.3式土压力公式前提条件的图形后计算，本例为6度区，非超限边坡，水平地震系数a=0，地震角ρ=0°。

如图2所示，附加荷载q=30 kPa、α=126.9°、β=24°.6、δ=25°/2=12.5°、H=10 m，岩土指标如图。代入(GB50330—2013)6.2.3式，结果为：

图2 岩土设计代表性剖面Fig.2 Representative section of the geotechnical design

η=0.045455，

Kq=1.409452，

土压力系数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，

侧压力均为标准值。

2.1.2 剩余下滑力计算方法

按照(BDJ52/T046—2018)8.3.5式计算剩余下滑力，先将附加荷载换算成土柱高，安全系数取k=1.0(标准值，以便与(GB50330—2013)6.2.3式对比)。取θ=(β+φ)/2=(53.1°+25°)/2=39.05°为破裂面，计算剩余下滑力，再在该破裂面两侧，按一定增量角取破裂面，计算剩余下滑力，得最大剩余下滑力及破裂面，再在该破裂面两侧，取更小的增量角确定破裂面，计算剩余下滑力，最终找到最大剩余下滑力及破裂面，即图中破裂角35.4°的破裂面。

图3 岩土设计代表性剖面Fig.3 Representative section of the geotechnical design

计算结果：

设计安全系数：K=1，

剩余下滑力隐式法：E(隐)=233.58 kN/m，

水平分力：Ex(隐)=190.37 kN/m。

2.1.3 标准值对比分析

(GB50330—2013)6.2.3式计算结果：

合力Ea=229.56 kN/m，

水平分力Ex=209.11 kN/m。

(BDJ52/T046—2018)8.3.5式计算结果：

剩余下滑力隐式法：E(隐)=233.58 kN/m，

水平分力：Ex(隐)=190.37 kN/m。

(BDJ52/T046—2018)8.3.5式隐式法的Ex比(GB50330—2013)6.2.3式计算结果偏小10%。

取安全系数1.35进行侧压力设计值对比：

(GB50330—2013)6.2.3式侧压力水平分力设计值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隐式法的Ex(隐)=372.2(kN/m)；

经比较(BDJ52/T046—2018)8.3.5式剩余下滑力水平分力设计值比(GB50330—2013)6.2.3式侧压力水平分力设计值偏大24.2%。

2.2 下边坡侧压力计算

2.2.1 土压力计算方法

按照(GB50330—2013)6.2.3式，需要将上级边坡换算成附加荷载，根据(GB50330—2013)附录B.0.2，换算后计算简图如下，主动土压力系数ka=0.3533，上级边坡坡顶处，换算荷载220 kPa，一级边坡坡顶换算荷载为0 kPa，荷载沿45°+φ/2=70°线向下传递，仅在一级边坡坡脚2.1 m高处，产生0～8.2 kPa的侧压力，合力为8.61 kN/m。按(GB50330—2013)6.2.3式计算，一级边坡侧压力水平分力Ex=94.77 kN/m，总侧压力水平分力Ex=94.77+8.61=103.38 kN/m。

图4 岩土设计代表性剖面Fig.4 Representative section of the geotechnical design

如果偏于保守计算，将上边坡7.5 m宽0～10 m高岩土换算成平均荷载，则0～7.5 m范围平均荷载=29.33 kPa，按坡顶水平，荷载29.33 kPa，再计算下边坡侧压力，得下级边坡总侧压力水平分力Ex=113.3(kN/m)。

2.2.2 剩余下滑力计算方法

按照(BDJ52/T046—2018)8.3.5式，计算剩余下滑力，先将树木附加荷载换算成土柱高。安全系数取k=1.0(标准值，以便与(GB50330—2013)6.2.3式计算进行对比)。先搜索下边坡剩余下滑力最大的破裂面，先取θ=(β+φ)/2=(73.3°+50°)/2=61.8°为破裂面，计算剩余下滑力，再在该破裂面两侧，按一定增量角取破裂面，计算剩余下滑力，得最大剩余下滑力及破裂面，再在该破裂面两侧，取更小的增量角确定破裂面，计算剩余下滑力，最终找到最大剩余下滑力及破裂面，即图中破裂角59°的破裂面。

再搜索上边坡剩余下滑力最大的破裂面，以下边坡59.1°破裂面的顶点为基点，作θ=(β+φ)/2=(53.1°+25°)/2=39.05°的破裂面，计算剩余下滑力，再在该破裂面两侧，按一定增量角取破裂面，计算剩余下滑力，得最大剩余下滑力及破裂面，再在该破裂面两侧，取更小的增量角确定破裂面，计算剩余下滑力，最终找到上边坡剩余下滑力最大的破裂面，即图中破裂角39.2°的破裂面。如图5所示。

图5 岩土设计代表性剖面Fig.5 Representative section of the geotechnical design

连接下边坡和上边坡剩余下滑力最大的破裂面，图中59.1°破裂面和39.2°破裂面，计算该破裂体的剩余下滑力，得隐式法剩余下滑力水平分力Ex(隐)=472.16 kN/m。

2.2.3 标准值对比分析

(GB50330—2013)6.2.3式计算结果：

合力Ea=229.56 kN/m，

水平分力Ex=209.11 kN/m；

(DBJ52/T046—2018)8.3.5式计算结果：

剩余下滑力隐式法：E(隐)=233.58 kN/m，

水平分力：Ex(隐)=190.37 kN/m，

(BDJ52/T046—2018)8.3.5式隐式法的Ex比(GB50330—2013)6.2.3式计算结果偏小10%。

取安全系数1.35进行侧压力设计值对比：

(GB50330—2013)6.2.3式侧压力水平分力设计值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隐式法的Ex(隐)=372.2 kN/m，比《建筑边坡工程技术规范》(GB50330—2013)6.2.3式侧压力水平分力设计值偏大24.2%。

3 结论

1)对于上边坡，采用(GB50330—2013)6.2.3式计算和采用(DBJ52/T046—2018)公式计算，边坡侧压力的水平分力标准值Ex比较接近，误差小10%；但设计值误差比较大，达24.2%。

2)上边坡侧压力的水平分力设计值误差大的原因，是由于安全系数在计算公式中的位置不一样，为说明清楚，假定A为计算结果，B为下滑力，C为抗滑力；则安全系数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)(显式法)，A=(B-C/K)(隐式法)，同样的安全系数，对两种计算的放大结果不一样。

3)对于下边坡，侧压力水平分力采用两种方法计算的结果差别非常大，(GB50330—2013)6.2.3式计算Ex=113.3(kN/m)，(DBJ52/T046—2018)8.3.5式计算Ex=472.16 kN/m，主要原因是(GB50330—2013)6.2.3公式计算时，将上边坡岩土换算成附加荷载产生的误差，原因是附加荷载的破裂面是铅垂面，而岩土体的破裂面是斜面，两者并不对等，将岩土换算成附加荷载后进行计算，漏算很大一块岩土破裂体，如图6所示。