王方超 杜冰洁 杨磊
黄河勘测规划设计有限公司 河南郑州 450003
摘要：本文通过对不平衡推力法和Sarma法这两种岩质边坡稳定性计算方法的对比，分析了二者的优劣。不平衡推力法是现行《公路路基设计规范》推荐的折线形滑面稳定性分析方法，该法的优点概念清晰，计算简便，使用方便，但计算结果偏于不安全。Sarma法提出对滑体进行斜条分的极限平衡条分法，并假定条块倾斜界面之间也达到了极限平衡，是一个分析岩质边坡稳定较合理的方法。对现有可采用Sarma法分析边坡稳定性的软件进行了研究，并对一处道路岩质边坡进行了稳定性分析，计算方便，结果符合实际。
关键词：公路岩质边坡；稳定性分析；Sarma法
1岩质边坡稳定性分析方法概述
岩质边坡与土质边坡相比，有很多重要的不同之处。在现有的边坡稳定性分析理论中，土质边坡常常被看做连续、均质、各向同性的材料，其滑动面一般假定为圆弧状。岩质边坡由于坡体内存在许多不规则的结构面，因此，岩体是非连续、非均质、各向异性的介质，其破坏模式较为复杂。岩质边坡的稳定性很大程度取决于岩体内的节理面和层理面等结构面的性质。目前边坡稳定性分析与评价的方法多样，总体可分为定性分析和定量分析两类。定性分析法主要是通过专业人员现场勘察，研究影响边坡安全的主要因素、已变形体的成因及演化史，分析可能的失稳模式，并最终给出定性的结论和预测，如：工程地质类比法、赤平投影法等。定量分析法能够更加准确地评价边坡的稳定状态。目前，工程上常用的有刚体极限平衡法和数值模拟法，其中尤以刚体极限平衡法在工程中应用较为广泛。
折线形滑动破坏是岩质边坡常见的破坏形式，目前工程上常用的刚体极限平衡法主要有不平衡推力法和Sarma法两种。目前，现行《公路路基设计规范》（JTG D30-2015）对折线形破坏的边坡推荐的稳定性分析方法为不平衡推力法。
2 不平衡推力法和Sarma法比较
不平衡推力法亦称传递系数法或剩余推力法，它是我国工程技术人员创造的一种实用滑坡稳定分析方法。由于该法计算简单，并且能够为滑坡治理提供设计推力，因此在各部门得到了广泛应用。现行现行《公路路基设计规范》（JTGD30-2015）采用的是不平衡推力法的隐式解，其计算公式如下。
图1 不平衡推力法分析简图
文献[1]对不平衡推力法的精度和适用条件进行了讨论，指出对于由折线形组成的滑面，不平衡推力法隐式解的使用应有限制条件，滑面中所有控制点处的倾角变化值必须小于10°，超过这个限制其误差太大不能够使用，且一般情况下，不平衡推力法的稳定系数结果偏于不安全。
目前大多数常用的极限平衡条分法均采用垂直条分计算安全系数，包括上文提到的不平衡推力法。这类方法不能很好地考虑条块侧面的力的特性，特别是岩质边坡的断层节理特征。Sarma法提出对滑体进行斜条分的极限平衡条分法，并假定条块倾斜界面之间也达到了极限平衡。由于岩体内通常都存在至少一组陡倾角结构面，在发生滑动破坏时，一方面沿底滑面滑动，一方面也沿这些陡倾角结构面剪切破坏，因此，Sarma法是一个分析岩质边坡稳定较合理的方法。
Donald & Chen（陈祖煜）提出了通过变形协调和塑性力学上限定理求解边坡稳定系数的方法[2]，并证明了该法与Sarma法完全等效[3]。依据上限定理方法，开发了EMU程序，并得到了广泛的应用。文献[1]提出了一种Sarma法的改进方法，改进后的方法结果更加稳定和合理。
对折线形滑面边坡稳定性分析的软件除上文提到的EMU程序外，还有理正岩质边坡计算软件和Slide软件，都可以采用Sarma法对岩质边坡进行稳定性分析，使用方便。
3 算例
下面以青海省某山区道路边坡计算为例，采用EMU软件对该边坡进行稳定性分析。
道路等级为四级，边坡总高度约160m，边坡底部有重要建筑物。边坡所处地形较为陡峭，岩质主要为寒武系灰绿、绿色绿泥石白云母石英片岩。道路从山体中下部通过，路堑边坡开挖过程中揭露岩体较为破碎，断层及节理面较为发育，开挖时曾发生表层顺节理的石方垮塌。为保证施工安全，对边坡进行了位移监测，并未发现坡面有明显位移，初步判断边坡整体处于稳定状态。
为进一步分析边坡稳定状况，决定采用极限平衡方法对该边坡进行稳定性评价。整理地质平洞及开挖揭露地质素描资料，主要断层及控制性节理面如下图所示。
采用上述参数，按照节理面进行条块划分，进行指定滑裂面稳定性计算。地震工况下，按照《公路工程抗震规范》（JTG B02-2013）的规定，地震动峰值加速度为0.15g时，仅计算水平地震作用。对水平地震作用进行简化，按照《公路工程抗震规范》计算水平地震作用Ehsi，水平地震系数计算得0.043，则：
Ehsi=0.043Gsi
其中：Gsi为第i条计算土条的重力。
采用EMU计算程序进行边坡稳定性计算分析，得出正常工况下边坡稳定安全系数为1.39，地震工况下边坡稳定安全系数为1.30。公路规范的安全系数规定值分别为正常工况下1.25、地震工况下1.15，满足规范要求，也与位移监测结果相符。可以判定，边坡整体处于稳定状态，开挖过程中需注意表层岩体卸荷导致的掉块和浅层顺节理面的滑动。
4 结论
目前公路岩质边坡稳定性分析规范推荐不平衡推力法，该法的优点是概念清晰，计算简便，使用方便。但该法也有较明显的缺点，不能很好地考虑条块侧面的力的特性，特别是岩质边坡的断层节理特征。Sarma法是公认分析岩质边坡稳定较合理的方法。很多知名学者都在致力于该法的推广和改进，国内外产生了很多基于Sarma法的计算软件，如理正岩质边坡计算软件、EMU岩质边坡稳定分析软件、Slide软件等，这些软件使用方便，能够为道路工程岩质边坡稳定性分析提供更为合理的计算结果，在今后的公路岩质边坡实践中应大力推广。
参考文献：
[1] 郑颖人，时卫民，杨明成. 不平衡推力法与Sarma法的讨论[J].岩石力学与工程学报,2004 23(17):3030～3036.
[2]Donald, I. and Chen, Z. Slope stability analysis by an upper bound plasticity method. Canadian Geotechnical Journal. 1997. 34(11):853～862
[3]陈祖煜. 岩质边坡稳定分析—原理·方法·程序[M] 北京: 中国水利水电出版社. 2005
论文作者:王方超,杜冰洁,杨磊
论文发表刊物:《防护工程》2018年第11期
论文发表时间:2018/10/10
标签：推力论文; 稳定性论文; 节理论文; 不平衡论文; 方法论文; 稳定论文; 条块论文; 《防护工程》2018年第11期论文;