籍延青，隋来才

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

黄土地区公路边坡的防护设计中，首先要计算边坡稳定性，稳定性计算的理论如极限平衡法、数值分析法等均需要提供岩土体强度参数.目前常用的方法是按照岩土规范并参考实践工程中直接剪切测试或采用反演法确定抗剪强度指标，之后进行计算，但计算结果常与实际情况不符，计算是稳定的，而实际仍会失稳破坏甚至出现滑动.究其原因，除了测试手段的局限性、岩土强度参数的高变异性外，反演过程中的人为经验分析也是重要原因之一.

因此，本次课题研究依托山西省临吉、离军、汾离等已建、在建高等级公路，以现场调查、室内试验为基础，通过研究边坡土体变形机理和强度参数变化规律，并结合本次调查综合考虑山西的气候、地理地貌差异、黄土的地质特征以及黄土的各种物理力学性质指标得出的山西黄土地区公路工程地质分区（图1）、地层组合形式以及边坡破坏模式，力图建立一套科学合理的参数选取方法，减少人为因素对参数选取的失准，为山西黄土地区公路边坡防治设计中强度参数的合理选取提供理论依据.

1 边坡变形破坏与强度的关系

图1 山西省公路工程地质分区图

黄土剪切破坏可以由其过程曲线（图2）表示，从中可以发现强度参数之间的关系及土体的变形规律:剪应力τ随剪切形变ε变化，A点对应土体弹性极限，A点后土体开始发生塑性剪切破坏，B点为土体的强度极限即峰值强度τf，BC段为土体骨架结构破坏、颗粒定向排列的阶段.CD段后强度趋于稳定，不再随剪应变而变化，D点是土体在对应垂直应力作用下达到的颗粒重排的最佳排列点，此时土的强度达到其残余强度τr.

图2 土体剪切变形曲线

室内试验一般取B点即峰值强度作为抗剪强度值，而实际上边坡失稳破坏可能发生在AB段，其值小于τf，即没有达到峰值强度前就发生破坏，又如边坡所在区存在老滑坡，此时计算强度常取CD段参数值，因而单纯采用峰值强度来计算边坡的稳定性显然是非常不合理的，反演值又不能摆脱人为因素的影响.这里需引用“启动强度”来解决这个问题，启动强度是滑坡失稳时滑带土的强度，它是概化的概念，因为滑坡启动时部分滑带土达到了峰值强度，部分可能已过了峰值，对于不同发育阶段的边坡和滑坡土，可能等于边坡土的峰值强度、残余强度、完全软化强度或长期抗剪强度，也可能是介于以上各种强度之间的某一数值，可认为是边坡整体失稳启动时滑带土的平均抗剪强度，对应于黄土塑限含水量时的抗剪强度.

2 强度参数的获取

2.1 峰值强度

峰值强度一般通过室内试验四联直剪仪获得，试验时不少于取4个试样，逐级递增施加不同的垂直压力，慢剪试验是土样在某一级垂直压力作用下，待排水固结变形稳定后，再缓慢施加水平剪应力剪切，快剪则没有固结排水的过程直接施加水平剪切力，剪应力峰值对应的强度为土体峰值强度.

大量试验分析［1－9］表明，峰值强度特征值受多因素影响，不同试验条件测得的峰值强度是不同的.分析原因，峰值强度反映的是测试样品在某一含水状态下的一种”状态强度”，排除试验方法的影响，试验样品由于采样部位不同导致的含水率不同、土体结构不同是这种离散性大的主要原因.

2.2 残余强度

残余强度一般通过反复直剪强度试验获得［10－13］，试验仪器采用应变控制式直剪仪，黄土常以0.02～0.06mm／min的剪切速度进行剪切，第一次在低垂直压力下剪出试样的滑动面，然后再重复剪切5～6次，每次剪切位移量为8～10mm，总位移量一般在40～50mm之间.绘制出不同垂直压力下剪切位移—剪应力曲线（图3），以最后剪应力的稳定值为残余强度τr.残余强度反映的是土体的“属性强度”，与土体物质成份、颗粒含量相关，试验中变化率不大，在判定老滑坡稳定性计算中可直接选用此值作为抗剪强度.

2.3 启动强度

图3 剪应力－位移曲线

图4 含水率－强度曲线

文献［14］通过对黄土、古土壤进行大量的剪切试验，绘制出含水率－强度曲线（图4），建立了强度与含水率之间的联系，曲线由平缓段BC和陡降段CD组成，C点对应的含水率表示强度发生突变的起点即为启动含水率ωC，对应的强度为启动强度τC，并通过试验比较发现该含水率接近塑限含水率.室内直剪试验测得的峰值强度，虽不能表征边坡启滑时的强度状态，但峰值强度体现了在边坡启滑这一特定含水条件下的“状态强度”，在工程实践中可利用变含水率直剪试验来得到土体的启动强度参数.

3 对比分析

通过野外调查以及室内试验结果分析，我们发现对于山西黄土边坡，无论发生坡体还是坡面破坏均与土体强度参数以及地层组合形式有关，而不同工程地质分区因气候差异、地理地貌差异、黄土的地质特征、地质构造的不同也造成了物理力学参数的不同，粘聚力c值更是呈现了北低南高的规律，对应到分区也就是Ia、Ib、Ic逐渐增大，这也表明边坡稳定性与工程地质分区也存在着间接联系.本文以实际工程为例，选取位于不同分区不同地层组合形式的边坡体，采用峰值强度、启动强度与残余强度对其稳定性进行对比分析.

3.1 计算参数

对比分析中，岩土体力学参数（表1）均来自野外实地取样经室内试验获得，具体试验方法如2.1～2.3所述.

表1 岩土体力学参数

3.2 计算结果

由于边坡高度大、范围广，整个坡体在沿轴线方向的变形很小，可以忽略不计，因此，力学分析采用平面应变假设模型.边界条件为两侧限制水平移动，底部限制垂直位移.计算采用边坡稳定性分析软件GEO－SLOPE试用版生成.稳定性系数结果选用Bishop、M－P、Janbu法算出的最小值.

3.2.1 新黄土单一形式（Ⅰ）

计算简图如图5所示，计算结果列于表2.

图5 新黄土单一形式边坡计算模型

由表2分析，采用不同强度计算边坡稳定性系数，结果明显不同.抗剪强度取峰值强度时最大为1.308，处于稳定状态；取启动强度计算时有所降低为1.111；取残余强度计算时最小于为0.999，已处于极限平衡状态.表明相同地层组合，相同坡型，受计算参数影响程度明显，在实际设计工作中针对不同分区、不同地质环境背景，有必要合理选取相应的强度参数.

表2 新黄土单一形式边坡稳定性计算结果表

3.2.2 新老黄土组合形式（Ⅱ）

计算简图如图6所示，计算结果列于表3.

由表3计算结果可知，抗剪强度取峰值强度时边坡稳定性系数为1.253，处于稳定状态；取启动强度计算时有所降低为1.053，已处于极限平衡状态；取残余强度计算时最小于为0.941，已处于失稳状态.

图6 新老黄土组合形式边坡计算模型

结合数值分析结果认为，按照常规峰值强度指标计算，此边坡稳定不易破坏；而按启动强度取值计算，此边坡处于极限平衡，破坏先出现在接触面坡面部位，与实际调查情况接近；若按残余强度取值计算，此边坡则处于整体失稳状态，评价过于保守.

表3 新老黄土组合形式边坡稳定性计算结果表

3.2.3 老黄土单一形式（Ⅲ）边坡

图7 老黄土单一形式（Ⅲ）边坡计算模型

计算简图如图7所示，计算结果列于表4.

表4 老黄土单一形式边坡稳定性计算结果

由表4可知，抗剪强度取峰值强度时边坡稳定性系数为1.362，处于稳定状态；取启动强度计算时有所降低为1.129，仍处于稳定状态；取残余强度计算时为1.053，处于极限平衡状态.说明老黄土单一组合形式边坡利于稳定.

3.3 计算结果分析

综合数值分析结果发现，采用不同强度参数对于边坡稳定性的影响是显而易见的.对于某一个边坡，有可能采用峰值强度计算边坡处于稳定状态的，使用启动强度或残余强度计算出的稳定性降幅明显，甚至会出现不稳定的状况.因此在实际设计工作中，必须考虑结合不同工程地质分区，不同地层组合形式，选择合适的强度参数评价边坡稳定性，以求科学评价、合理设计、客观投资.

4 结论及建议

山西许多高速公路不同程度穿越黄土地区，而不同工程地质分区、不同地层组合形式的公路边坡，其稳定性分析参数的选取会有很大程度的区别，对应的评价结果也会截然不同.也就是说实际公路边坡稳定性评价必须考虑峰值强度、启动强度和残余强度的合理选择问题.

本文研究认为，在山西黄土丘陵沟壑区即工程地质分区中的Ⅰ区，其中部——Ⅰb区构造发育，地震活动使得土体强度相对下降，老滑坡较多，特别是基岩出露地区，公路通过此区域时，边坡设计的强度参数应选用残余强度，有很高的安全保证；北部——Ⅰa区降雨少，构造活动不频繁，边坡以坡面破坏为主，应优先考虑采用峰值强度进行边坡设计；南部——Ⅰc区降雨多，此时在进行边坡设计时应优先选用启动强度，虽显保守，造价高，但其最大程度的避免了地质灾害的发生，实际上也节省了大量治理费用，其长期效益不言而喻.

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