填土邊坡潛在滑面抗剪強度指標(biāo)取值的兩個問題

方玉樹

（1后勤工程學(xué)院，重慶 401311；2巖土力學(xué)與地質(zhì)環(huán)境保護重慶市重點實驗室，重慶 401311）

0 引言

進(jìn)行填土邊坡抗滑穩(wěn)定性和抗滑支護力計算需要確定潛在滑面抗剪強度指標(biāo)。填土邊坡的潛在滑面有兩類：一類是位于填土內(nèi)部、由填土抗剪強度指標(biāo)控制的滑面，一類是填土與巖石界面。確定填土邊坡潛在滑面抗剪強度指標(biāo)在兩個方面較為困難：

一是碎石土類填土內(nèi)摩擦角取值。因顆粒大且無粘性，進(jìn)行剪切試驗存在困難；其休止角又因大顆粒的尺寸效應(yīng)而隨坡高變化；相關(guān)規(guī)范亦無明確規(guī)定。目前主要根據(jù)經(jīng)驗進(jìn)行取值，這使得取值有較大隨意性。在勘察設(shè)計中，不少人將降雨工況下碎石土類填土內(nèi)摩擦角取20°～25°。

二是填土與巖石界面抗剪強度指標(biāo)取值?，F(xiàn)場剪切試驗難度較大；相關(guān)規(guī)范僅針對穩(wěn)定巖坡傾角不小于均質(zhì)土體破裂角時的支護力計算作出規(guī)定 （摩擦角取0.4～0.7填土內(nèi)摩擦角，粘聚力取填土粘聚力）[1]，對邊坡抗滑穩(wěn)定性計算和巖坡傾角小于均質(zhì)土體破裂角、巖坡未穩(wěn)定等情況下的支護力計算時的填土與巖石界面抗剪強度指標(biāo)取值,亦無明確規(guī)定。目前也主要根據(jù)經(jīng)驗進(jìn)行取值。實際邊坡抗滑穩(wěn)定性和支護力計算中不少人將填土與巖石界面抗剪強度指標(biāo)取與填土相同的值。

本文對上述兩個問題進(jìn)行論證并提出建議。

1 碎石土類填土內(nèi)摩擦角取值

相關(guān)規(guī)范雖然沒有直接提供碎石土類填土內(nèi)摩擦角，但國家基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范1989年版、2002年版和2011年版[2-4]隱含了關(guān)于碎石土類填土內(nèi)摩擦角的信息。據(jù)此，可以反算出碎石土類填土內(nèi)摩擦角。

1.1 主動土壓力系數(shù)曲線圖隱含的信息分析

國家基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范1989年版、2002年版和2011年版[2-4]在墻背摩擦角為填土摩擦角一半、填土表面無荷載的條件下，提供了高度不超過5m的擋土墻填土主動土壓力系數(shù)曲線圖，其中包括密實度為中密以上、干重度20kN/m3以上的碎石土和密實度為中密以上、干重度16.5kN/m3以上的砂土。建立此圖時填土抗剪強度指標(biāo)取何值已無從查考。但在填土粘聚力為0條件下根據(jù)主動土壓力系數(shù)表達(dá)式可反算出填土內(nèi)摩擦角。填土無粘聚力且無附加荷載時，根據(jù)庫倫土壓力理論，主動土壓力系數(shù)表達(dá)式為：

式中，Ka-主動土壓力系數(shù)，φ-土的內(nèi)摩擦角，β-為土體表面傾角，α1-墻背與豎直面的夾角，δ-墻背摩擦角。由此反算得碎石土類填土內(nèi)摩擦角為40°，砂土類填土內(nèi)摩擦角為30°（詳見表1），這就是說，數(shù)十年前相關(guān)規(guī)范提供的土壓力系數(shù)曲線圖對碎石土類填土和砂土類填土分別是按40°和30°做出的?？紤]到實際擋墻在數(shù)十年的運營中要經(jīng)歷降雨工況，這些內(nèi)摩擦角是降雨工況下填土內(nèi)摩擦角。

表1 填土內(nèi)摩擦角按土壓力系數(shù)反算值

1.2 填土坡率允許值表隱含的信息分析

國家基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范1989年版、2002年版和2011年版[2-4]還在壓實系數(shù)不小于0.94的條件下提供了填土坡率允許值表(表2)。

表2 壓實系數(shù)達(dá)0.94填土坡率允許值表

對不同坡高給出不同坡率允許值的原因，筆者的判斷是較大顆粒對小坡高具有有利的尺寸效應(yīng)，坡高越小尺寸效應(yīng)越明顯。比如：邊長為3m的立方體塊石對3m高的邊坡而言已經(jīng)起著擋墻的作用，對由這樣的塊石組成的3m高的邊坡而言無休止角可言。考慮到填土透水性極好，降雨只會使填土抗剪強度指標(biāo)有所降低而不會產(chǎn)生明顯的水壓力，在除自重外無其它荷載的情況下，粘聚力取0時，降雨工況下填土邊坡穩(wěn)定系數(shù)可按下式計算：

式中，F(xiàn)s—邊坡穩(wěn)定系數(shù)，β—坡角。由此，降雨工況下填土內(nèi)摩擦角可根據(jù)穩(wěn)定坡角和穩(wěn)定系數(shù)按下式反算：

國家基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范1989年版、2002年版和2011年版[2-4]要求地基穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到1.2，按表2中的坡率允許值放坡時邊坡穩(wěn)定系數(shù)至少應(yīng)達(dá)到1.15。由此，據(jù)表2中的數(shù)據(jù)按（3）式反算,可得降雨工況下填土內(nèi)摩擦角,詳見表3。

表3 壓實系數(shù)達(dá)0.94填土內(nèi)摩擦角按穩(wěn)定坡率反算結(jié)果

1.3 綜合分析

比較表1和表3可知，表1中碎石土填土在5m高擋墻時的內(nèi)摩擦角為40°，這一結(jié)果介于8m坡高以下內(nèi)摩擦角取值（37.48°～42.61°）之間，雖然前者要求密實度達(dá)中密，后者要求壓實系數(shù)達(dá)0.94，但二者的數(shù)據(jù)是匹配的。國家基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范1989年版、2002年版和2011年版[2-4]提供的表2和主動土壓力系數(shù)曲線圖已使用了數(shù)十年，可靠性很高，因此，建議中密碎石土類填土內(nèi)摩擦角按表4取值。

表4 中密碎石土類填土內(nèi)摩擦角

在表2中碎石、卵石占全重30%～50%的中密砂夾石填土與中密碎石、卵石填土有相同的坡率允許值，這說明表4中的中密碎石土類填土內(nèi)摩擦角取值是偏安全的?？紤]到風(fēng)化作用會造成碎石土類填土中易風(fēng)化塊體（如泥巖塊體）崩解從而造成碎石土類填土內(nèi)摩擦角有所降低，根據(jù)表1中中密砂土填土內(nèi)摩擦角為30°而中密碎石土類填土內(nèi)摩擦角應(yīng)大于中密砂土填土的情況，對易風(fēng)化塊體組成的中密碎石土類填土，內(nèi)摩擦角取值可在表4基礎(chǔ)上降低2°～3°。松散碎石土類填土內(nèi)摩擦角可取相當(dāng)坡高或相對較大坡高下的休止角。稍密碎石土類填土內(nèi)摩擦角可在中密和松散碎石土類填土內(nèi)摩擦角之間取值。

在以往的勘察設(shè)計中，不少人將降雨工況下中密碎石土類填土內(nèi)摩擦角取20°～25°，同時又將中密碎石土類填土邊坡設(shè)計放坡坡率取1∶1.75（相應(yīng)坡角為29.74°）。據(jù)此坡率和內(nèi)摩擦角按 （2）式進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計算，結(jié)果是：穩(wěn)定系數(shù)為0.637～0.816，不僅未達(dá)到穩(wěn)定安全系數(shù)而且小于1?？梢娝≈忻芩槭令愄钔羶?nèi)摩擦角和放坡坡率存在很大矛盾。根據(jù)表1至表4以及大量工程實踐可知，存在很大矛盾的原因并不是放坡坡率取值偏大而是內(nèi)摩擦角取值偏小。為避免這一矛盾，相關(guān)規(guī)范采取改變填土邊坡穩(wěn)定性評價規(guī)則的做法，規(guī)定：填土邊坡坡率允許值應(yīng)根據(jù)邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果并結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗確定[1]。根據(jù)這一規(guī)定，當(dāng)某坡率下邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果為未穩(wěn)定（包括不穩(wěn)定、欠穩(wěn)定和基本穩(wěn)定）而按地區(qū)經(jīng)驗該坡率下的邊坡為穩(wěn)定時，仍可將該坡率用作設(shè)計放坡坡率。顯然，這種做法與相關(guān)規(guī)范提出的“當(dāng)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)小于邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)時應(yīng)對邊坡進(jìn)行處理”、“當(dāng)邊坡工程整體穩(wěn)定性不能滿足穩(wěn)定安全系數(shù)要求時應(yīng)提出加固處理建議”、穩(wěn)定系數(shù)大于或等于穩(wěn)定安全系數(shù)方可視為穩(wěn)定的要求[1，9]是矛盾的。因為維持顯著偏小的填土內(nèi)摩擦角不變，所以這種做法不僅導(dǎo)致填土邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果與實際嚴(yán)重不符，而且導(dǎo)致填土邊坡支護力計算結(jié)果顯著偏大。例如：中密碎石土類填土對擋墻的土壓力系數(shù)不再是表1中的0.2而是0.470～0.578，是原值0.2的2.35～2.89倍，這意味著支護力比原值增加了135%～189%。因此，這種做法是不可取的。

2 填土與巖石界面抗剪強度指標(biāo)取值

2.1 取值方法適用范圍

關(guān)于填土與巖石界面抗剪強度指標(biāo)取值，各相關(guān)規(guī)范的規(guī)定僅針對巖坡傾角大于（或不小于）均質(zhì)土體破裂角時的支護力計算。眾所周知，層面、裂隙面抗剪強度指標(biāo)系根據(jù)層面、裂隙面狀況取值而不區(qū)分層面、裂隙面傾角是陡是緩，也不區(qū)分是用于穩(wěn)定性計算還是用于支護力計算 （何況支護力計算本應(yīng)是計入支護力后的穩(wěn)定性計算的反算[10]）。填土與巖石界面同層面、裂隙面一樣是巖土體中的結(jié)構(gòu)面，如果抗剪強度指標(biāo)取值比較合理，這種取值方法理所當(dāng)然地可用于邊坡抗滑穩(wěn)定性計算和巖坡傾角小于均質(zhì)土體破裂角情況下的支護力計算；如果取值不合理，這種取值方法對巖坡傾角大于（或不小于）均質(zhì)土體破裂角時的支護力計算也不合適。因此，各相關(guān)規(guī)范將所提供的填土與巖石界面抗剪強度指標(biāo)取值方法限用于巖坡傾角大于（或不小于）均質(zhì)土體破裂角時的支護力計算的做法是多余的。

在提供填土與巖石界面抗剪強度指標(biāo)取值方法時，各相關(guān)規(guī)范還要求巖石邊坡是穩(wěn)定的。眾所周知，層面、裂隙面抗剪強度指標(biāo)系根據(jù)層面、裂隙面狀況取值而不區(qū)分層面、裂隙面后側(cè)巖體穩(wěn)定與否。進(jìn)行邊坡抗滑穩(wěn)定性計算和抗滑支護力計算是對各種可能的滑面 （包括受巖土體強度指標(biāo)控制的滑面和各個或各組受結(jié)構(gòu)面控制的滑面）進(jìn)行計算而不是僅對一個或一組滑面進(jìn)行計算。填土與巖石界面同層面、裂隙面一樣是巖土體中的結(jié)構(gòu)面，如果抗剪強度指標(biāo)取值比較合理，這種取值方法理所當(dāng)然地可用于巖坡未穩(wěn)定情形；如果取值不合理，這種取值方法對巖坡未穩(wěn)定情形也不合適。因此，各相關(guān)規(guī)范將所提供的填土與巖石界面抗剪強度指標(biāo)取值方法限用于穩(wěn)定巖坡的做法是多余的。

一些標(biāo)準(zhǔn)[1，8]要求填土與巖石之間無軟弱層，其它相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)無此要求。因軟弱層抗剪強度指標(biāo)與填土抗剪強度指標(biāo)差別很大、關(guān)系較小且軟弱層抗剪強度指標(biāo)可按軟弱結(jié)構(gòu)面取值，所以提出填土與巖石之間無軟弱層這一要求是必要和可行的。

不過，更需要注意的是：因填土透水性高、巖層透水性低，水分下滲后亦在巖坡表面停留，使巖坡表面填土中的易泥化顆粒泥化、細(xì)粒軟化。顯然，易泥化顆粒和細(xì)粒含量越高，排水條件越差，泥化、軟化作用越明顯。當(dāng)巖石坡面呈臺階狀時，因滑面基本上不從階頂通過，當(dāng)存在軟弱層時軟弱層也僅出現(xiàn)在各階階頂上，對滑面強度指標(biāo)影響較小。因此，巖石坡面越平滑，泥化、軟化作用對滑面強度指標(biāo)影響越大。

為此，界面抗剪強度指標(biāo)取值時應(yīng)考慮泥化、軟化對界面抗剪強度指標(biāo)的弱化作用。當(dāng)巖石坡面平滑、排水不良且易泥化顆粒和細(xì)粒含量很高時，即使填土與巖石界面在邊坡工程勘察設(shè)計施工階段無軟弱層，在邊坡工程運行期間也可能有軟弱層。故不能將界面抗剪強度指標(biāo)取值起點定在較高水平（如：取0.4倍填土內(nèi)摩擦角）上。對設(shè)計填土，為減弱這種弱化作用及其影響，應(yīng)將巖石坡面處理成臺階狀并盡量選擇易泥化顆粒和細(xì)粒含量少的料源做填料。

2.2 取值方法

最先涉及填土與巖石界面抗剪強度指標(biāo)取值的重慶基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范1993年版和1997年版[5-6]取填土與巖石界面摩擦角為0.33（為填土內(nèi)摩擦角），取填土與巖石界面粘聚力為填土粘聚力 （土壓力公式中有與填土粘聚力有關(guān)的）；重慶邊坡規(guī)范2001年版[7]對無地下水且按規(guī)定挖臺階填筑情況取界面摩擦角為，對其它情況取界面摩擦角為0.33～0.50，取填土與巖石界面粘聚力為填土粘聚力；國家邊坡規(guī)范2002年版[8]對粘性土與粉土取界面摩擦角為0.33，對砂性土與碎石土取界面摩擦角為0.5，取填土與巖石界面粘聚力為填土粘聚力；國家基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范2002年版和2011年版[3-4]取界面摩擦角為0.33，取填土與巖石界面粘聚力為0（土壓力公式中沒有與粘聚力有關(guān)的項）；國家邊坡規(guī)范2013年版[1]取界面摩擦角為0.4～0.7，取填土與巖石界面粘聚力為填土粘聚力，理由是據(jù)此算出的主動土壓力應(yīng)小于按填土物理力學(xué)指標(biāo)算出的靜止土壓力。實際工程中不少人取填土與巖石界面抗剪強度指標(biāo)為填土抗剪強度指標(biāo)。

當(dāng)巖石坡面被人為處理成臺階狀時，因填土這種散粒體無法沿巖石表面滑動，故界面抗剪強度指標(biāo)接近填土抗剪強度指標(biāo)。此時界面摩擦角取值不超過0.33、0.50或0.70的做法顯然偏于保守。

當(dāng)巖石坡面較平整時，填土與巖石界面上顆粒之間的咬合作用和公共結(jié)合水缺失，界面摩擦角和凝聚力將明顯小于填土內(nèi)摩擦角和凝聚力。此時將界面抗剪強度指標(biāo)取填土抗剪強度指標(biāo)的做法顯然偏危險。當(dāng)巖石界面不呈臺階狀且填土與巖石界面深于填土內(nèi)部最危險滑面時，這種做法必然造成沿界面滑動的穩(wěn)定系數(shù)總是大于沿填土內(nèi)部最危險滑面滑動的穩(wěn)定系數(shù)，從而使得沿界面滑動的穩(wěn)定性計算失去與沿土體內(nèi)部最危險滑面滑動的穩(wěn)定性計算進(jìn)行結(jié)果比較的意義。

一些學(xué)者認(rèn)為，沿界面滑動的填土主動土壓力應(yīng)小于填土靜止土壓力，據(jù)此確定界面摩擦角取值起點為0.40。這種認(rèn)識和做法是不正確的，主動土壓力小于靜止土壓力是針對靜止土壓力和主動土壓力均受土體內(nèi)部物理力學(xué)指標(biāo)控制的土體來說的，受界面抗剪強度指標(biāo)控制的填土主動土壓力與受填土內(nèi)部物理力學(xué)指標(biāo)控制的填土靜止土壓力的大小關(guān)系是不固定的，如同沿滑面滑動的滑坡水平推力（無論穩(wěn)定系數(shù)是否剛好為1）與受滑體抗剪強度指標(biāo)控制的水平主動土壓力的大小關(guān)系是不固定的。

根據(jù)上述分析并考慮到水對顆粒具有潤滑作用、對易泥化顆粒具有泥化作用、對粘粒和粉粒等細(xì)粒具有軟化作用，建議：填土與巖石界面摩擦系數(shù)和粘聚力在填土內(nèi)摩擦系數(shù)和粘聚力的0.00～1.00倍（開區(qū)間）范圍內(nèi)取值，其中，巖石坡面呈臺階狀時取0.67～1.00倍，巖石坡面很粗糙時取0.50～0.67倍，巖石坡面粗糙時取0.33～0.50倍，巖石坡面平滑時取0.00～0.33倍。在各級取值范圍內(nèi)，排水條件較好且易泥化顆粒和細(xì)粒含量較小時取較高值，排水條件較差且易泥化顆粒和細(xì)粒含量較大時取較低值。

3 結(jié)語

（1）當(dāng)前，填土邊坡潛在滑面抗剪強度指標(biāo)取值隨意性較大，碎石土類填土抗剪強度指標(biāo)取值明顯偏小和填土與巖石界面抗剪強度指標(biāo)取值與土體抗剪強度指標(biāo)相同的情況相對較多。填土抗剪強度指標(biāo)取值偏小造成按勘察設(shè)計人推薦和采用的坡率進(jìn)行放坡的邊坡變成未穩(wěn)定邊坡，造成穩(wěn)定性滿足要求的擋墻變成穩(wěn)定性不滿足要求的擋墻；當(dāng)巖石界面不呈臺階狀且填土與巖石界面深于填土內(nèi)部最危險滑面時，填土與巖石界面抗剪強度指標(biāo)取值與土體抗剪強度指標(biāo)相同的做法導(dǎo)致沿填土與巖石界面滑動的穩(wěn)定性計算失去與沿土體內(nèi)部最危險滑面滑動的穩(wěn)定性計算進(jìn)行結(jié)果比較的意義。

（2）當(dāng)巖石坡面被人為處理成臺階狀時，因填土這種散粒體無法沿巖石表面滑動，填土與巖石界面摩擦角接近填土內(nèi)摩擦角，界面摩擦角取值不超過0.33、0.50或0.70的做法偏于保守。

（3）同沿滑面滑動的滑坡水平推力（無論穩(wěn)定系數(shù)是否剛好為1）與受滑體抗剪強度指標(biāo)控制的水平主動土壓力的大小關(guān)系不固定一樣，受界面抗剪強度指標(biāo)控制的填土主動土壓力與受填土內(nèi)部物理力學(xué)指標(biāo)控制的填土靜止土壓力的大小關(guān)系是不固定的，沿界面滑動的填土主動土壓力應(yīng)小于填土靜止土壓力的認(rèn)識和據(jù)此認(rèn)識確定界面摩擦角取值起點的做法是不正確的。

（4）相關(guān)規(guī)范隱含了關(guān)于碎石土類填土內(nèi)摩擦角的信息，根據(jù)反算結(jié)果，中密碎石土類填土內(nèi)摩擦角可按表4取值。建議：易風(fēng)化塊體組成的中密碎石土類填土內(nèi)摩擦角取值在表4基礎(chǔ)上降低2°～3°；松散碎石土類填土內(nèi)摩擦角取相當(dāng)坡高或相對較大坡高下的休止角；稍密碎石土類填土內(nèi)摩擦角可在中密和松散碎石土類填土內(nèi)摩擦角之間取值。

（5）建議：填土與巖石界面摩擦系數(shù)和粘聚力根據(jù)巖石坡面粗糙程度分四級在填土內(nèi)摩擦系數(shù)和粘聚力的0.00～1.00倍（開區(qū)間）范圍內(nèi)取值；在各級取值范圍內(nèi)，排水條件較好且易泥化顆粒和細(xì)粒含量較小時取較高值，排水條件較差且易泥化顆粒和細(xì)粒含量較大時取較低值。

[1]重慶市設(shè)計院，等.中國建筑技術(shù)集團有限公司.GB50330—2013建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014.

[2]中國建筑科學(xué)研究院，等.GBJ7-89建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1989.

[3]中國建筑科學(xué)研究院，等.GB50007-2002建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

[4]中國建筑科學(xué)研究院，等.GB50007-2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[5]重慶建筑大學(xué)，等.DBSI/5003-93重慶市建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].四川省建設(shè)廳，1993.

[6]重慶建筑大學(xué)，等.DB50/5001-1997重慶市建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].重慶市建設(shè)委員會，1997.

[7]重慶市設(shè)計院，等.DB50/5018-2001建筑邊坡支護技術(shù)規(guī)范[S].重慶市建設(shè)委員會，2001.

[8]重慶市設(shè)計院，等.GB50330—2002建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

[9]重慶一建建設(shè)集團有限公司，等.GB50843—2013建筑邊坡工程鑒定與加固技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

[10]方玉樹.邊坡支護結(jié)構(gòu)荷載取值問題研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報，2008（2）.