邊坡抗變形支護結構巖土荷載實用計算方法探討

方玉樹

（1后勤工程學院，重慶401311；2巖土力學與地質環(huán)境保護重慶市重點實驗室，重慶401311）

邊坡抗變形支護結構巖土荷載實用計算方法探討

方玉樹1，2

（1后勤工程學院，重慶401311；2巖土力學與地質環(huán)境保護重慶市重點實驗室，重慶401311）

抗變形支護結構不僅僅用于變形對坡頂建（構）筑物基礎有影響的邊坡。為防范邊坡發(fā)生明顯的拉裂變形，對有較大自穩(wěn)高度、拉裂變形不影響坡頂建筑物基礎的邊坡也需要進行抗變形支護。文章分析了當前邊坡抗變形支護結構巖土荷載計算方法存在的問題，提出了改進方法。改進方法在不降低實用性的條件下能彌補當前方法的不足。

邊坡；抗變形支護結構；巖土荷載計算；拉裂變形控制；巖土體性狀影響系數(shù)

0 引言

變形對坡頂建（構）筑物基礎有影響時需對邊坡進行抗變形支護是不言而喻的。為防范邊坡發(fā)生明顯的拉裂變形，對有較大自穩(wěn)高度、拉裂變形不影響坡頂建筑物基礎的邊坡也需要設置抗變形支護結構。

巖體完整性較高時，若無外傾結構面，高度為數(shù)十米的直立巖質邊坡很難發(fā)生剪切破壞因而無需進行抗滑支護，但在進行邊坡處理時，還是需要將坡率降到一個較小的水平或者進行支護。之所以如此，是因為完整性較好的巖質邊坡較高較陡時，坡頂還可能會發(fā)生拉裂變形，隨著時間的增長，拉裂變形會逐漸加大加深最后可能會發(fā)生倒塌，也就是說，邊坡可能由拉裂變形演變?yōu)槠茐?。由于勘察時切坡還未實施或還沒有到位或到位時間還不長，拉裂還未發(fā)展甚至還未發(fā)生因而危巖還未形成，無法通過勘察期間的危巖穩(wěn)定性分析評價來防范這類破壞。巖體完整、較完整或較破碎的陡立巖質邊坡就是這類既可能無需進行抗滑支護或只需進行低強度的抗滑支護又可能發(fā)生明顯拉裂變形的邊坡。對這類巖質邊坡需要進行邊坡變形控制。

堅硬、硬塑粘性土邊坡也是如此。從抗滑穩(wěn)定角度而言，這類邊坡也有一定的自穩(wěn)高度（工程上巖土體穩(wěn)定的條件不是巖土體穩(wěn)定系數(shù)不小于1而是巖土體穩(wěn)定系數(shù)不小于安全系數(shù)，故邊坡自穩(wěn)高度應是無支護時直立邊坡抗滑穩(wěn)定系數(shù)不小于安全系數(shù)的最大高度）。但如果對高度不超過自穩(wěn)高度的邊坡不實施支護或對高度略大于自穩(wěn)高度的邊坡僅按抗滑穩(wěn)定要求實施低強度的支護，這樣的陡立邊坡也會發(fā)生明顯的拉裂變形，同樣給人不安全感，甚至引起垮塌。

邊坡拉裂變形是由應力釋放造成的，如果減小應力釋放量，使坡面應力依然為壓應力或者讓支護結構來承擔拉應力，就能避免拉裂變形或減小拉裂變形的危害，因此，當不能采取放坡措施時，為控制邊坡變形，需要對邊坡進行支護以施加約束。顯然，相應支護結構是抗變形支護結構而不是抗失穩(wěn)支護結構，相應巖土荷載是形變壓力而不是破壞荷載。

本文對邊坡抗變形支護結構巖土荷載實用計算方法進行探討。

1 當前的邊坡抗變形支護結構巖土荷載計算方法

1.1 巖質邊坡

目前，巖質邊坡（包括永久的和臨時的）抗變形支護結構巖石荷載計算方法是：

（1）當坡頂建（構）筑物基礎外邊緣到坡腳水平距離不大于基底到坡腳垂直距離0.5倍時，國標 《建筑邊坡工程技術規(guī)范》（GB50330-2002）[1]（以下簡稱國標邊坡規(guī)范02版）采用靜止巖石壓力乘以靜止巖石壓力修正系數(shù)的方法計算巖石荷載，靜止巖石壓力修正系數(shù)根據(jù)（主要由巖體完整性、結構面結合程度和外傾結構面傾角決定的）邊坡巖體類型取值，同時要求巖石荷載不小于主動巖石壓力的1.3～1.4倍；國標《建筑邊坡工程技術規(guī)范》(GB50330-2013)[2]（以下簡稱國標邊坡規(guī)范13版）采用主動巖石壓力乘以增大系數(shù)的方法計算。

由此可知，國標邊坡規(guī)范02版和13版的方法均涉及主動巖石壓力計算，前者以主動巖石壓力的1.3～1.4倍為巖質邊坡形變荷載下限值，后者直接以主動巖石壓力的倍數(shù)為巖質邊坡形變荷載。

（2）當坡頂建（構）筑物基礎外邊緣到坡腳水平距離大于基底到坡腳垂直距離0.5倍時，國標邊坡規(guī)范02版和13版均將主動巖石壓力作為巖質邊坡形變荷載[1-2]。

（3）當不受結構面強度控制時，在國標邊坡規(guī)范02版和13版中主動巖石壓力均以巖體等效內摩擦角為巖體強度參數(shù)進行計算，巖體等效內摩擦角按表1取值[1-2]。

1.2 土質邊坡

表1 邊坡巖體等效內摩擦角φe（°）

在土質邊坡 （包括永久的和臨時的）抗變形支護結構方面，國標邊坡規(guī)范02版和13版沿襲了行標《建筑基坑支護技術規(guī)范》（JGJ120-99）[3]的做法，只對坡頂有建（構）筑物的情形考慮設置抗變形支護結構，其土體荷載計算方法是：坡頂建（構）筑物基礎外邊緣到坡腳的水平距離不大于基底到坡腳垂直距離0.5倍時，水平形變壓力取靜止土壓力；坡頂建（構）筑物基礎外邊緣到坡腳的水平距離大于基底到坡腳垂直距離0.5倍而不大于基底到坡腳垂直距離時，水平形變壓力取靜止土壓力和主動土壓力的平均值[1-2]。

2 當前的邊坡抗變形支護結構巖土荷載計算方法存在的問題

2.1 巖質邊坡

當前的巖質邊坡抗變形支護結構巖石荷載計算方法存在下列問題：

（1）當主動巖石壓力受外傾結構面強度控制時，因靜止巖石壓力受巖體泊松比控制，主動巖石壓力不一定小于靜止巖石壓力[4]，主動巖石壓力過大甚至大于靜止巖石壓力時，再乘以增大系數(shù)更不能代表比靜止巖石壓力小的巖石荷載。

（2）土壓力理論建立在擋墻反力作用下土體或土單元處于剪切極限平衡狀態(tài)的基礎上，只有抗滑不穩(wěn)定時才有大于0的主動土壓力，抗滑基本穩(wěn)定和欠穩(wěn)定時主動土壓力為0或為負[3]。由巖體等效內摩擦角計算的主動巖石壓力在任何情況下均大于0，這在概念上意味著邊坡抗滑不穩(wěn)定。而事實上巖體完整性高且不受外傾結構面控制的非極軟巖邊坡很難發(fā)生滑動破壞，用巖體內摩擦角和巖體粘聚力進行抗滑穩(wěn)定性計算的結果也表明其抗滑穩(wěn)定性極高。因此，巖體等效內摩擦角與巖體內摩擦角和巖體粘聚力的作用遠不等效，在形變壓力計算中采用巖體等效內摩擦角概念和主動巖石壓力概念將造成邊坡抗滑穩(wěn)定性結論的混亂。

以上兩點表明，以主動巖石壓力或其與增大系數(shù)的乘積為巖質邊坡形變荷載的做法和以主動巖石壓力的1.3～1.4倍為巖質邊坡形變荷載下限值的做法都是不可取的。

（3）邊坡支護結構形變荷載主要與巖石堅硬程度和巖體完整性有關，巖石越堅硬、巖體越完整，不僅巖體抗拉強度越大從而拉裂變形越小，而且施工造成應力釋放所占的比例越大。因此，巖石越堅硬、巖體越完整，需要抗變形支護結構承擔的荷載越小。故靜止或主動巖石壓力修正系數(shù)根據(jù) （主要由巖體完整性、結構面結合程度和外傾結構面傾角決定的）邊坡巖體類型取值是不恰當?shù)摹?/p>

（4）對坡頂建（構）筑物基礎外邊緣到坡腳水平距離大于基底到坡腳垂直距離0.5倍的邊坡，計算形變壓力的最終目的是控制拉裂變形而不是防止邊坡變形對基礎造成影響，允許邊坡有較多的應力釋放和變形。設計使用年限不超過2年的臨時邊坡有時未進行支護也未發(fā)生顯著的拉裂變形。因此，對坡頂建（構）筑物基礎外邊緣到坡腳水平距離大于基底到坡腳垂直距離0.5倍的邊坡，計算形變壓力不區(qū)分永久邊坡和臨時邊坡太過保守。

2.2 土質邊坡

當前的土質邊坡抗變形支護結構土體荷載計算方法存在下列問題：

（1）對陡立的堅硬、硬塑粘性土邊坡而言，當對高度不超過自穩(wěn)高度的邊坡不實施支護或對高度略大于自穩(wěn)高度的邊坡僅按抗滑穩(wěn)定要求實施低強度的支護時，邊坡也會發(fā)生明顯的拉裂變形，同樣給人不安全感，甚至引起垮塌。因此，對坡頂無建（構）筑物的陡立的堅硬、硬塑粘性土邊坡不設置抗變形支護結構是不恰當?shù)摹?/p>

（2）當土巖界面為軟弱結構面而主動土壓力受土巖界面強度控制時，因靜止土壓力受土體泊松比控制，主動土壓力不一定小于靜止土壓力[4]，主動土壓力過大甚至大于靜止土壓力時，主動土壓力和靜止土壓力的平均值更不能代表比靜止土壓力小的土體形變壓力。

（3）當土體有粘聚力時邊坡有自穩(wěn)高度，當邊坡高度不超過其自穩(wěn)高度時主動土壓力為0或為負。當主動土壓力為0或為負時，主動土壓力和靜止土壓力的平均值用來代表土體形變壓力時顯然過小。

后兩點表明，以主動土壓力與靜止土壓力的平均值為土體形變壓力的做法是不可取的。

3 邊坡抗變形支護結構巖土荷載計算方法的改進

鑒于上述情況，建議按下式計算邊坡水平形變壓力：

式中：K0-巖土體側壓力系數(shù)（即靜止巖土壓力系數(shù)），對巖質邊坡，根據(jù)巖體泊松比計算；k1-巖土體性狀影響系數(shù)，對巖質邊坡根據(jù)邊坡巖體基本質量等級按表2取值；對土質邊坡根據(jù)稠度狀態(tài)或密實度按表3取值。

表2 巖體性狀影響系數(shù)k1

表3 土體性狀影響系數(shù)k1

對基礎外邊緣到坡腳水平距離大于基底到坡腳垂直距離0.5倍的巖質邊坡和基礎外邊緣到坡腳水平距離大于基底到坡腳垂直距離的土質邊坡，考慮到邊坡變形對基礎影響較小，計算形變壓力的目的主要是控制拉裂變形，允許邊坡有較多的應力釋放和變形，設計使用年限不超過2年的臨時巖質邊坡有時未進行支護也未發(fā)生顯著的拉裂變形，本文的改進方法，對永久邊坡將形變壓力減半即將土體性狀影響系數(shù)減半，對臨時邊坡將形變壓力再減半即將土體性狀影響系數(shù)再減半。

4 改進方法與當前方法的比較

4.1 改進方法與當前方法的相同或類似之處

改進方法與國標邊坡規(guī)范02版和13版有以下相同或類似之處：

（1）無論是對巖質邊坡還是對土質邊坡，坡頂建（構）筑物基礎外邊緣到坡腳的水平距離與基底到坡腳垂直距離之比α的分段均與國標邊坡規(guī)范02版和13版相同。

（2）對巖質邊坡而言，公式形式與國標邊坡規(guī)范02版中乘以靜止巖石壓力修正系數(shù)后的靜止巖石壓力公式形式類似，式中巖土體性狀影響系數(shù)k1相當于國標邊坡規(guī)范02版靜止巖石壓力修正系數(shù)β1，只是考慮到這個修正系數(shù)在特定基礎位置下由巖土體性狀決定，本文將這個修正系數(shù)的名稱改為巖土體性狀影響系數(shù)，代號改為k1。

（3）對坡頂建（構）筑物基礎外邊緣到坡腳的水平距離不大于基底到坡腳垂直距離0.5倍的土質邊坡，改進方法的水平形變壓力計算公式與現(xiàn)有方法相同。

（4）從表2可以看出，對坡頂建（構）筑物基礎外邊緣到坡腳的水平距離不大于基底到坡腳垂直距離0.5倍的巖質邊坡，巖體性狀影響系數(shù)取值范圍與國標邊坡規(guī)范02版靜止巖石壓力修正系數(shù)取值范圍相當，故改進方法的巖石形變壓力計算結果與國標邊坡規(guī)范02版相當。

（5）在土體無粘性且無外傾結構面的情況下，靜止土壓力大約是主動土壓力的1.2～1.4倍或者說主動土壓力大約是靜止土壓力的0.71～0.83倍，靜止土壓力和主動土壓力的平均值大約是靜止土壓力的0.85～0.92倍。因此，從表3可以看出，對坡頂建（構）筑物基礎外邊緣到坡腳的水平距離大于基底到坡腳垂直距離0.5倍而不大于基底到坡腳垂直距離的土質邊坡，改進方法的土體形變壓力計算結果與現(xiàn)有方法相當。

4.2 改進方法與當前方法的不同之處

改進方法與當前方法有以下不同之處：

（1）對巖質邊坡和土質邊坡，對坡頂建（構）筑物基礎的不同位置，改進方法的邊坡抗變形支護結構巖土荷載計算采用統(tǒng)一的公式（均是靜止巖土壓力與巖土體性狀影響系數(shù)的乘積），只是不同情況（包括是巖質邊坡還是土質邊坡、是永久邊坡工程還是臨時邊坡工程、坡頂建（構）筑物基礎的不同位置）下巖土體性狀影響系數(shù)取值不同。因此，改進方法不再涉及主動巖土壓力的計算。

對巖質邊坡，這既避免了受外傾結構面強度控制時可能因主動巖石壓力過大而出現(xiàn)的主動巖石壓力與增大系數(shù)的乘積不能代表巖石形變壓力、主動巖石壓力的1.3～1.4倍不能代表巖石形變壓力下限值的現(xiàn)象，又避免了由巖體等效內摩擦角計算主動巖石壓力時可能出現(xiàn)的邊坡抗滑抗滑穩(wěn)定性與實際不符的現(xiàn)象。

對土質邊坡，這既避免了土巖界面為軟弱結構面時可能因主動土壓力過大而出現(xiàn)的主動土壓力和靜止土壓力平均值不能代表土體形變壓力的現(xiàn)象,也避免了土體有粘聚力時可能因主動土壓力為0或為負而出現(xiàn)的主動土壓力和靜止土壓力平均值不能代表土體形變壓力的現(xiàn)象。

（2）對巖質邊坡，靜止巖石壓力在特定基礎位置下的修正系數(shù)（巖體性狀影響系數(shù)），不再像國標邊坡規(guī)范02版那樣根據(jù)（主要由巖體完整性、結構面結合程度和外傾結構面傾角決定的）邊坡巖體類型取值而根據(jù)（由巖石堅硬程度和巖體完整性決定的）邊坡巖體基本質量等級取值。

（3）對土質邊坡，考慮了坡頂建（構）筑物基礎外邊緣到坡腳水平距離大于基底到坡腳垂直距離時的水平形變荷載。

（4）對變形不明顯影響坡頂建（構）筑物基礎的巖質邊坡和土質邊坡，形變壓力計算均區(qū)分了永久邊坡工程和臨時邊坡工程。

由此可知，巖質邊坡和土質邊坡抗變形支護結構巖石荷載計算的改進方法在不降低實用性的條件下彌補了當前方法的不足。

5 算例

表4和表5是外傾結構面傾角0～5°、巖石較硬、巖體較完整的永久直立邊坡和外傾結構面0～5°、巖石較軟、巖體完整的永久直立邊坡，在坡頂無建（構）筑物或坡頂建（構）筑物基礎外邊緣到坡腳水平距離大于基底到坡腳垂直距離0.5倍的條件下，水平形變巖石壓力系數(shù)（靜止壓力系數(shù)與巖體性狀影響系數(shù)的乘積）與用巖體等效內摩擦角概念和數(shù)據(jù)計算的主動巖石壓力系數(shù)計算情況。

可以看出，形變巖石壓力系數(shù)在用巖體等效內摩擦角概念和數(shù)據(jù)計算的Ⅱ類巖體主動巖石壓力系數(shù)上下變動，小于Ⅲ類巖體主動巖石壓力系數(shù)，大于Ⅰ類巖體主動巖石壓力系數(shù)?？梢?，形變巖石壓力系數(shù)變化范圍在Ⅰ類和Ⅲ類巖體主動巖石壓力系數(shù)變化范圍之內，也即形變巖石壓力變化范圍在Ⅰ類和Ⅲ類巖體主動巖石壓力變化范圍之內。

表4 形變巖石壓力系數(shù)

6 結論

（1）為防范邊坡發(fā)生明顯的拉裂變形，對有較大自穩(wěn)高度、拉裂變形不明顯影響坡頂建筑物基礎的邊坡也需要進行支護。相應支護結構同明顯影響坡頂建筑物基礎的邊坡支護結構一樣是抗變形支護結構，相應支護結構巖土荷載是形變壓力。

（2）當前的巖質邊坡抗變形支護結構巖石荷載計算方法存在下列問題：①因主動巖石壓力在受外傾結構面強度控制時不一定小于靜止巖石壓力，由巖體等效內摩擦角計算主動巖石壓力意味著邊坡抗滑不穩(wěn)定而實際邊坡抗滑穩(wěn)定性并非如此，故以主動巖石壓力或其與增大系數(shù)的乘積為巖質邊坡形變荷載的做法和以主動巖石壓力的1.3～1.4倍為巖質邊坡形變荷載下限值的做法都是不可取的；②因邊坡支護結構形變荷載主要與巖石堅硬程度和巖體完整性有關，故靜止或主動巖石壓力修正系數(shù)根據(jù)（主要由巖體完整性、結構面結合程度和外傾結構面傾角決定的）邊坡巖體類型取值是不恰當?shù)?；③對坡頂建（構）筑物基礎外邊緣到坡腳水平距離大于基底到坡腳垂直距離0.5倍的邊坡而言，計算形變壓力的最終目的是控制拉裂變形而不是防止邊坡變形對基礎造成影響，故對永久邊坡和臨時邊坡不加區(qū)分太過保守。

（3）當前的土質邊坡抗變形支護結構土體荷載計算方法存在下列問題：①對坡頂無建（構）筑物的陡立的堅硬、硬塑粘性土邊坡而言，拉裂變形同樣給人不安全感甚至引起垮塌，對其不設置抗變形支護結構是不恰當?shù)?；②因受土巖界面強度控制的主動土壓力不一定小于靜止土壓力，邊坡高度不超過其自穩(wěn)高度時的主動土壓力為0或為負，故以主動土壓力與靜止土壓力的平均值為土質邊坡形變荷載的做法是不可取的。

（4）本文提出的邊坡抗變形支護結構巖土荷載計算的改進方法，系對各種情況均將靜止巖土壓力與巖土體性狀影響系數(shù)的乘積作為邊坡抗變形支護結構巖土荷載，其中，巖體性狀影響系數(shù)在坡頂建筑物位置確定時由巖體基本質量等級決定 （當坡頂建筑物時還區(qū)分永久邊坡工程和臨時邊坡工程），土體性狀影響系數(shù)在坡頂建筑物位置確定時由土體稠度狀態(tài)和密實度確定 （當坡頂建筑物時還區(qū)分永久邊坡工程和臨時邊坡工程）。改進方法在不降低實用性的條件下彌補了當前方法的不足，對坡頂建（構）筑物基礎外邊緣到坡腳的水平距離不大于基底到坡腳垂直距離0.5倍的巖質邊坡，改進方法計算結果與國標邊坡規(guī)范02版相當；對坡頂建（構）筑物基礎外邊緣到坡腳的水平距離不大于基底到坡腳垂直距離0.5倍的巖質邊坡，算例顯示，形變巖石壓力變化范圍在Ⅰ類和Ⅲ類巖體主動巖石壓力變化范圍之內；對坡頂建（構）筑物基礎外邊緣到坡腳的水平距離大于基底到坡腳垂直距離0.5倍而不大于基底到坡腳垂直距離的土質邊坡，在土體無粘性且無外傾結構面的情況下對靜止土壓力進行修正時采用的修正系數(shù)值計算結果與當前方法相當。

（5）除巖土體粘聚力極低的邊坡外，邊坡支護結構巖土荷載計算應包括抗失穩(wěn)支護結構巖土荷載計算和抗變形支護結構巖土荷載計算，邊坡支護結構應同時滿足抗失穩(wěn)和抗變形要求。

[1]重慶市建設委員會.GB50330-2002建筑邊坡工程技術規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

[2]重慶市城鄉(xiāng)建設委員會.GB50330-2013建筑邊坡工程技術規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014.

[3]中國建筑科學研究院.JGJ120-99建筑基坑支護工程技術規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1999.

[4]方玉樹.邊坡支護結構荷載取值問題研究[J].工程地質學報.2008（2）.

Discussion on Practical Rock and Soil Load Calculation Methods for Anti-distortion Supporting System of Side Slope

Anti-distortion supporting structure is not only applied in side slope on whose base distortion has impact,but also in side slope on whose base distortion has no impact to prevent obvious cracks and distortion.The existing problems in rock and soil load calculation methods for anti-distortion supporting system of side slope are analyzed and some improvement methods for remedy are also presented.

side slope;anti-distortion supporting structure;rock and soil load calculation;rock and soil performance influence coefficient

U213.1+58

B

1671-9107（2014）05-0026-04

10.3969／j.issn.1671-9107.2014.05.026

2014-04-12

方玉樹（1958-），男，江西婺源人，碩士，教授，國家注冊土木工程師（巖土），主要從事與巖土體穩(wěn)定有關的研究和勘察設計工作。

孫蘇，李紅

施工經(jīng)驗