摘要: 本文以临安常见的红壤土、黄壤土和岩性土为土样，分别对其作剪切实验，获得相应的抗剪强度参数。并采用圆弧法分析这三种土质的边坡稳定情况，寻找边坡稳定的临界状态,旨在该地区开发建设工程边坡开挖的控制提供一点参考依据。
　　关键词： 边坡抗剪强度稳定分析极限平衡
　　综述：临安地处浙江省西北部天目山系的南麓，西接黄山、东连杭州，是长江三角洲的后花园，境内西北山峰延绵起伏、东部丘陵与宽谷相间排列，山清水秀，风光旖旎。随着经济的发展，资源的不断开发与利用，各类基础设施不断完善、建设工程纷纷上马。大量建设项目的动工，往往不可避免的造成水土流失，导致泥沙淤积水库、河道。部分工程由于受施工进度和资金紧缺的影响，其开挖的边坡不甚合理，有的甚至出现倒坡的现象，存在滑坡、崩塌、泥石流等水土流失隐患，也给人们的生命财产安全造成威胁。笔者在从事多年的水土保持工作中，对全市各开发建设项目进行过细致的调查和分析，认为对全市各种土质边坡进行稳定分析，从而获得该边坡稳定的临界坡比，并将该参数列入水土保持方案编制的依据已是当务之急。
　　 影响边坡稳定的因素有很多，主要为开挖坡面的高度：其他条件相同，越高越不安全，二为土壤性质，边坡的稳定性随着土壤容重、内摩檫角和粘聚力大小而成正比变化。三是在有地下水渗透时，其安全性也大大降低。四为边坡坡比，坡度越大越不稳定，这也是人为容易控制的。国内外曾有很多科学家对此作过专门研究，如瑞典条分法、毕肖普法、简布法等等，他们都以极限平衡原理来对边坡设计的稳定性进行分析和评价，后经费伦细斯、泰勒、拉姆等人精心研究，逐渐在实际工程中推广运用。本文拟运用极限平衡原理，对临安最为常见的红壤、黄壤和岩性土质边坡进行穩定分析，寻找边坡滑动的最危险滑弧位置，获得它们的临界坡比，以求各建设工程能在节省工程量的目的下，确保边坡的稳定，减少水土流失隐患。
　　一、实验
　　 在一般状态下，土壤的内摩擦角和粘聚力是影响边坡稳定的重要因子之一，必须通过实验，测定土壤抗剪强度中的这两指标，才能准确对其进行稳定分析。
　　 1.1 实验内容：黄红泥土（属红壤类）、山地黄泥（属黄壤类）、黑油泥（属岩性土类）抗剪强度指标的测定。
　　 1.2 实验目的：在快剪控制条件下测定土壤抗剪强度，获得土壤内摩擦角φ和粘聚力c两项指标，为边坡稳定分析提供设计参数φ和c。
　　 1.3 实验所需条件：土样经压实，要求容重达到1.4T/m3（常态），含水量要求达到20%。（后文边坡稳定分析也采用该条件）
　　 1.4 实验原理：土的抗剪强度来源主要有两个：一是土粒之间的摩擦力，即土颗粒粗糙表面产生的表面摩擦力和粗颗粒之间相互镶嵌连锁作用产生的咬合力；二是内聚力，即土颗粒之间电分子吸引和土的天然胶结物对土粒的胶结作用。对土样施加垂直荷重，立即加水平剪力，在段时间内将土样剪破，测定各种荷重下土样的剪应力，从而得出抗剪强度的各项指标。
　　 1.5 实验结果：详见表1
　　土样 内聚力c 内摩擦角φ tgφ
　　黄红泥土 1.6 22.0 0.36
　　山地黄泥 2.4 18.0 0.29
　　黑油泥 2.1 19.7 0.32
　　 1.6 实验结果分析：不同土体抗剪强度指标中一般来说粘性大的，凝聚力大，而摩擦角小；土壤含沙量高的内摩擦角大，而凝聚力小。测定结果数据显示，符合事实规律。
　　二、土质边坡稳定分析
　　 2.1 稳定分析原理：土质边坡由于受到自身重力作用，有由高处向低处滑动的趋势，当边坡失去稳定是，会沿着曲面而滑动。通常滑动面接近圆弧，可采用圆弧法验算。滑动力矩MT由土体自身重力产生，抗滑力矩MR由滑动面上的摩擦力和内聚力产生。当抗滑力矩与滑动力矩的比值K（稳定系数）在1.1～1.5范围，说明土体能够保持稳定。小于该范围容易坍塌，大于该范围则工程施工的工程量过大，且浪费土地面积。
　　 2.2 分析思路：假设土体边坡可能的坡比，按经验分析，一般采用1：1.5、1：1和1：0.58。寻找这三种坡比的土体滑动的最危险滑弧圆心及半径，采用圆弧条分法验算其稳定性。如果稳定系数K能满足稳定要求（1.1～1.5），说明该坡比设置可行，否则说明土质边坡坡比设置不合理。
　　 2.3 土质边坡稳定分析
　　 （1） 按比例绘制土坡剖面图，找出最危险滑弧位置（查《水土保持工程力学》），量出圆弧半径R。
　　 （2） 将滑动土体进行分条，为方便计算，每块土条宽度为0.1R，并量出每个土条的中心柱高度hi，用公式Qi=r×hi×b（Qi为土条自重、r为土壤容重、b为土条宽度0.1R）计算出每块土条自重。
　　 （3） 分解滑动面上的两个分力，法向分力Ni=Qi.cosai，切向分力Ti=Qi.sinai（ai为法向分力与垂线之间的夹角）。
　　 （4） 计算稳定系数K，K=MR/MT=（tgφ∑Qicosai+∑CL）/Qisinai（MR为抗滑力矩、MT为滑动力矩、C为土壤内聚力、L为圆弧总长）
　　由于忽略了土条侧面的平衡等原因，所求的系数需除以安全系数1.1。
　　 （5） 重复上述步骤，验算每种坡比下土体的稳定性。
　　三、实例分析
　　 黄红泥土土质边坡稳定分析。黄红泥土属红壤类，是该地区分布最为广泛的土壤之一，全市除石门、临目、岛石等乡镇的中低山—峡谷地区外，在丘陵河谷地域的各乡镇均有分布，比较集中分布在临安市的腹地，总面积1355587亩。其母质为页岩、泥岩分化体。土壤颗粒匀细，质地重壤居多，有的达轻粘程度，土壤结持性尚可。据采样点剖面分析，表土砂粒占3.88%，粉粒占69.25%，粘粒占16.8%。土心层砂粒占11.84%，粉粒占70.05%，粘粒占18.11%。质地为重石质重壤至重石质轻粘土。以2.3节步骤分析其土质边坡稳定性，见表2。
　　表2圆弧半径：R=5.56土条宽度：b=0.556 圆弧总长L=7.91
　　土条编号 中心土
　　条高度
　　（m） 土条重量
　　Qi（KN） sinai 切向分力Ti=Qi.sinai cosai 法向分力Ni=Qi.cosai 摩擦阻力Nitgφ 内聚力CL
　　8 0.84 r×b×h8=6.41 0.8 5.13 0.600 3.84 1.81 CL=1.5×7.91=11.87
　　7 1.78 r×b×h7=13.58 0.7 9.50 0.714 9.69 4.56
　　6 2.43 r×b×h6=18.54 0.6 11.12 0.800 14.83 6.97
　　5 2.92 r×b×h5=22.27 0.5 11.14 0.866 19.29 9.07
　　4 3.58 r×b×h4=25.10 0.4 10.04 0.917 23.01 10.82
　　3 3.78 r×b×h3=27.31 0.3 8.19 0.954 26.05 12.24
　　2 3.10 r×b×h2=28.84 0.2 5.77 0.980 28.26 13.28
　　1 2.22 r×b×h1=23.72 0.1 2.37 0.950 22.54 10.59
　　0 1.27 r×b×h0=16.93 0 0.00 1.00 16.93 7.96
　　-1 0.27 r×b×h-1=9.69 -0.1 -0.97 0.950 9.20 4.33
　　-2 r×b×h-2=2.06 -0.2 -0.41 0.980 2.02 0.95
　　合计 61.88 82.57 11.87
　　 表2为土质边坡坡比为1：1的稳定情况分析过程，得出稳定系数K=MR/MT=（tgφ∑Qicosai+∑CL）/Qisinai=（82.57+11.87）/61.88=1.53，则经除以安全系数1.1，系数K实际为1.39，按同理分析其他两种坡比即1：1.5和1：0.58状态下，土体稳定情况数据分别为K=1.58和K=1.05。结果分析，黄红泥土的三种坡比以1：1为最佳，其他两种坡比或不稳定，或会造成施工的工程量大，且浪费土地资源。
　　 山地黄泥属黄壤土类，主要分布在石门、临目、东天目、西天目和昌北各乡镇，在横畈、青云、杨岭等地也有分布，也是临安分布范围较为广泛的土壤之一，全市共有面积806955万亩。其母质以凝灰岩、流纹岩和砂页岩分化物为主。表土呈棕灰色至暗色，粒状或团粒结构，疏松多孔，土壤松软而有弹性。土心层黄或棕黄色，叫紧实。据采样点剖面分析，表土层含砂粒占23.54%、粉粒占34.62%、粘粒占41.84%，心土层粘粒略有增加，占47.03%，质地为中壤至重壤。根据极限平衡原理和圆弧法验算分析，该种土壤质地的土坡在坡比1：1.5状态下，稳定系数为1.38：在1：1状态下稳定系数为1.09；在1：0.5状态下稳定系数为1.02。结果表明山地黄泥土质自身的稳定性较差，开挖时要主要放缓坡度，不能应节省工程量而造成坍塌或泥石流等隱患，边坡应控制在1：1.5左右。实践证明，该地区泥石流、滑坡易发地区也以这种土壤为主。
　　 黑油泥属岩性土类，主要分布于岛石、河桥和仁里等乡镇的低山、丘陵，龙岗、石瑞、上甘等地也有零星分布。总面积38053万亩。其母质为石灰岩、泥质灰岩，土层较厚，土层内夹有多量的灰岩岩屑。全土层呈灰色至黑色，核状结构明显。据采样点剖面分析，土层中粘粒含量占50%左右，粉粒占25%、砂粒含量占15%。土壤质地为中壤至轻粘。该种土壤质地的土坡在坡比1：1.5状态下，稳定系数为1.68：在1：1状态下稳定系数为1.57；在1：0.5状态下稳定系数为1.21。结果表明，岩性土质因粘粒成份含量高、结构致密等原因，边坡自身的稳定性较好，可以将边坡控制在1：0.5左右，且能在确保稳定的基础上节省工程量。
　　四、结论经野外调查与实验分析结合，临安土壤以岩性土质边坡的自身稳定性最好，土体坡比可控制在1：0.5左右。但红壤和黄壤边坡的自身稳定性都较差，应控制在1：1以上，尤其是是黄壤边坡，施工中应注意滑坡等事故的发生。
　　五、讨论因本文所采用的方法存在无法反映介质特性，空隙水压力情况的缺陷，为了确保开挖边坡的稳定，施工中应注意，开挖的边坡需经夯实处理；要充分重视植物护坡的作用，拦截地表径流，减少雨水对开挖边坡的冲刷，提高稳定性；在边坡上方集水面积较大时，应修建截排水设施，并考虑修建砌石护坡，以防止滑坡、坍塌等情况的发生。
　　致谢：本文在实验过程中得到了西南农业大学水土保持系王正恒教授的大力帮助，在此表示衷心的感谢。
　　参考文献：
　　1、王礼先，《水土保持工程学》 中国林业大学出版社出版 1991.3
　　2、陈稀哲，《土力学地基基础》 清华大学出版社出版
　　3、余汉章，《水土保持工程》 西北农业大学出版社出版 1988.10
　　4、浙江省临安市农业局，《临安土壤志》
　　5、钱加欢，《土力学》 河海大学出版社出版 1995.4
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