破裂角原是岩土体中代表一点的微单元体之剪切破裂面与大主应力作用面的夹角,理论上具有固定值即45°+/2。值得注意的是,这个角不是倾角,因为大主应力方向可以是0~180度范围里的任何一个角度,大主应力作用面也是如此。
后来,挡墙土压力理论(包括朗金主动被动土压力理论和库仑主动被动土压力理论以及其他土压力理论)也用上了破裂角一词,但把破裂角的意思改变了,成了滑裂面倾角,且一般也不等于,只是朗金主动土压力理论中的破裂角同时也是微单元体之剪切破裂面与大主应力作用面的夹角,也等于。
挡墙土压力理论中破裂角的存在有两个前提:一是滑裂面假定为直线;二是有与主动或被动土压力大小相等、方向相反的挡墙反力作用于土体,其中主动或被动土压力是挡墙背后土体处于极限平衡状态时作用于挡墙的力。
挡墙土压力理论中的破裂角与主动或被动土压力是一一对应的关系,一个破裂角公式对应一个主动或被动土压力公式,一个主动或被动土压力公式对应一个破裂角公式,破裂角公式的适用范围与主动或被动土压力公式的适用范围相同,不存在与主动或被动土压力公式无关联的破裂角公式。一些主动或被动土压力公式不含破裂角,并非表示主动或被动土压力与破裂角无关,而是把破裂角公式代入主动或被动土压力公式所致。例如:墙背倾斜不光滑、岩土体无粘聚力且表面倾斜时,破裂角为
(1)
但库仑通过把上述破裂角公式代入含有破裂角的主动或被动土压力公式,得到广为熟悉的不含破裂角的主动或被动土压力公式。
国标《边坡规范》2013版中边坡的破裂角也是滑裂面倾角的意思,但把破裂角存在的前提扔掉了,滥用了破裂角概念。
1.没有主动压力时也用破裂角。国标《边坡规范》2013版中边坡破裂角概念用于所有边坡,包括了没有主动压力时的边坡。之所以说这是滥用破裂角概念,是因为:
(1)受岩体强度控制的岩质边坡在绝大多数情况下,抗滑稳定性很高,对挡墙不产生主动压力,因而不存在破裂角。对这样的边坡实施支护不是防范滑动破坏而是防范拉裂变形。对这样的情形采用破裂角概念就是把破裂角概念用于非滑动破坏。
(2)一些边坡虽然稳定系数未达到稳定安全系数,但因稳定系数大于1,主动压力仍然不存在,因而不存在破裂角。
(3)一些边坡稳定系数虽然小于1但小得不多,因把接近圆弧形的最危险滑面简化成直线形,当对应于直线形滑面的稳定系数提高到1以上时,主动压力还是不存在,因而破裂角还是不存在。
可见,国标《边坡规范》2013版中没有主动压力时的边坡破裂角只是一个虚名而已,与挡墙土压力理论中的破裂角是两码事。
2.用破裂角来判断边坡破坏范围和锚杆锚固段范围:在与破裂角对应的滑面上方的岩土体属于塌滑区,相应锚杆部分属于非锚固段;在与破裂角对应的滑面下方的岩土体不属于塌滑区,相应锚杆部分属于锚固段。一些技术人员受此引导,用破裂角来判断边坡抗滑稳定性:坡角大于破裂角时,边坡不稳定;坡角小于破裂角时,边坡稳定。之所以说这是滥用破裂角概念,是因为:
(1)当边坡稳定系数小于1时,最危险的潜在滑面即使简化成直线形,其下方仍有未稳定区。一个简单的例子是:简单(坡顶水平、坡面直立)软土边坡破裂角因内摩擦角接近于0而接近于45°,显然,在与这个破裂角对应的滑面下方的土体仍有一部分未达到稳定。
(2)当边坡稳定系数小于稳定安全系数但大于1时,最危险的潜在滑面即使简化成直线形,其下方仍有未稳定区。如果稳定安全系数为1.35,稳定系数为1.34,那么,对应稳定系数为1.34的潜在滑面与对应稳定系数为1.35的潜在滑面之间仍是未稳定区。
(3)岩土体强度控制的边坡,尤其是坡面倾斜的边坡,其潜在滑面不是直线形,坡面越缓,粘聚力越大,潜在滑面离直线形越远。
至于破裂角公式与主动土压力公式不对应,或者,虽然对应但双双错误,对于国标《边坡规范》2013版来说,算是小问题了。
如果采用失稳和变形双控概念下的边坡治理新思维,边坡工程就不存在破裂角的滥用问题。根据边坡治理新思维,抗失稳支护结构岩土荷载计算不采用主动压力法而采用按稳定性公式反算法,边坡未稳定范围边界取稳定系数等于稳定安全系数的潜在滑面;抗变形支护结构岩土荷载计算不采用假的主动压力法(即以岩体等效内摩擦角为强度参数的主动压力法)而采用静止压力修正法,边坡变形范围边界取抗拉裂坡率允许值所对应的斜面,算得的荷载随坡率降至允许值而降至0。详见《边坡规范修改建议》一书。