山區(qū)房建邊坡加固理論及處理措施

邢 濤

云南省設(shè)計院集團勘察院有限公司，云南 昆明 650228

1 土體抗剪強度理論

1.1 抗剪強度理論

土體抗剪強度定義為土體對外荷載所產(chǎn)生的極限抵抗能力，即在自重與外荷載作用下土體中任意一點在某一平面上發(fā)生剪切破壞時的狀態(tài)被稱為極限平衡狀態(tài)。影響土體抗剪強度的指標不僅有其內(nèi)在因素，還有外在因素，通常情況下包括土自身顆粒組成成分、土含水量、土顆粒結(jié)構(gòu)孔隙及水等方面。

1.2 抗剪強度破壞準則

抗剪強度破壞準則是判斷土體破壞的標準，常用的破壞準則包括庫倫公式、莫爾-庫倫破壞準則。庫倫根據(jù)砂土試驗提出了抗剪強度與剪切破壞面上的法向應力存在一定的線性關(guān)系，即

后來又提出了適合黏性土的表達式：

式中：σ為剪切面上法向應力；c為內(nèi)聚力；為內(nèi)摩擦角。

公式（1）和公式（2）同稱為抗剪強度公式，由上述公式可以看出，無黏性土的抗剪強度與總應力成正比，其本質(zhì)是在無黏性土中，顆粒之間的黏結(jié)效應幾乎不存在，只存在顆粒之間的滑動摩擦和鑲嵌作用所產(chǎn)生的摩擦阻力，其大小受土的顆粒粗糙密實度、顆粒級配等因素的影響。對于黏性土來說，抗剪強度由摩擦阻力和顆粒吸引產(chǎn)生的正應力共同組成。

同時，研究表明，土體抗剪強度不僅和土的各種性質(zhì)有關(guān)，同時還與試驗的排水條件、應力狀態(tài)、剪切速率等因素有關(guān)。根據(jù)太沙基有效應力原理，土內(nèi)的剪應力只能由土的骨架承擔，因此土中的抗剪強度就牽扯到有效黏聚力和有效內(nèi)摩擦角兩個因素。這時，庫倫公式可以表示為

式中：σ'為剪切面上有效法向應力；c'為有效內(nèi)聚力；?'為有效內(nèi)摩擦角。

莫爾提出，由于土體的破壞是剪切破壞，當土中任意平面上的剪應力達到抗剪強度時，該點就發(fā)生破壞，并說明破壞面上的剪應力是該平面上法向應力的函數(shù)。莫爾-庫倫準則則是以庫倫公式作為土體抗剪強度公式，根據(jù)剪應力是否達到抗剪強度作為破壞標準的理論，即

式中：σ1為摩爾應力圓內(nèi)大主應力；σ3為小主應力；α為作用面與大主應力作用面的夾角。

從公式（5）可以看出，應力和抗剪強度是一個函數(shù)關(guān)系，被稱為莫爾包絡(luò)線。在莫爾-庫倫準則中，當給定土體的抗剪強度指標c、φ值以及土中某一定點的應力狀態(tài)時，就可以畫出莫爾包絡(luò)線圖來判斷土體是否破壞，見圖1。

圖1 莫爾圓與抗剪強度關(guān)系圖

如圖1所示，在莫爾-庫倫抗剪強度準則中，當整個莫爾圓位于抗剪強度包絡(luò)線下方時，說明該點上任意平面上的剪應力都小于土體的抗剪強度，土體處于彈性平衡狀態(tài)；當莫爾圓與抗剪強度包絡(luò)線相切，說明該點上的剪應力正好處于極限平衡狀態(tài)；當包絡(luò)線是莫爾圓上的一條割線時，說明土體已經(jīng)發(fā)生了破壞。

2 工程實例

2.1 工程概況

云南某山區(qū)為當?shù)剞r(nóng)民修建房屋，其位置在一山腰處。當?shù)氐貏輺|北高西南低，地面高程為1882～1922m，相對高差約40m，自然橫坡為10o～30o，斜坡多開墾為耕地，坡度較緩，山坡呈圈椅狀，便于匯集地表水。場地地下水多匯集于低洼平緩處，受大氣降水、基巖裂隙水和巖溶水的補給，受季節(jié)影響明顯，流量變化較大。據(jù)調(diào)查，該地區(qū)山坡容易出現(xiàn)滑坡失穩(wěn)現(xiàn)象。

2.2 山坡滑坡影響因素

（1）工程地質(zhì)條件。該山坡受人工開挖的影響，易形成平緩土地，有利于雨水及地表水匯集，進而軟化土層，不利于坡體穩(wěn)定。下部為可硬塑狀黏土及碎石土，從而形成較為明顯的軟硬分層。場地的地下水位均較淺，土體呈飽和狀態(tài)，力學強度差。房屋地基填方后，阻礙并改變了原地表水、地下水的排泄路徑，地表水、地下水排泄不暢，抬升了地下水位，淺部土層不斷軟化，土體抗剪強度不斷降低，在上部加載及降水等作用下最終導致滑坡形成。

（2）誘發(fā)條件。地基填方加載引起淺部軟（弱）土層壓密變形，受軟（弱）土層厚度及下伏基巖面起伏較大等因素控制而導致軟（弱）土層的不均勻沉降；軟（弱）土厚度較大、差異大，導致基底軟（弱）土產(chǎn)生了較大的壓縮變形及差異，并順坡向出現(xiàn)了一定的橫向滑移。原淺表地下水排泄通道受阻，部分地下水不能及時排泄而導致地下水位上升；地表水及地下水排泄不暢、地表水匯集浸泡軟化淺表土層而抗剪強度降低、地下水水位上升導致側(cè)向水壓力顯著增加而坡體下滑力增大，土層軟化及抗剪強度降低而抗滑力減小，故最終導致了坡體的滑移，形成了滑坡。

2.3 結(jié)論分析

通過上述對滑坡體的分析可知，滑坡體內(nèi)部巖土體工程力學性質(zhì)很差，存在軟（弱）土層及破碎地帶，這決定了巖土體內(nèi)部有滑坡風險的存在，加上在房屋修建過程中的排水不暢導致地下水位升高，軟化土層，降低了土顆粒之間的黏結(jié)力，使整體的抗剪強度顯著降低，同時房屋修建中外荷載作用破壞了土體原有的靜力平衡狀態(tài)，增加了下滑力。這一系列的內(nèi)外因素使得該土體抗剪強度降低，土體剪切變形加大，整個土體處于極限平衡狀態(tài)，當某一降水過程或者過載發(fā)生，土體極限平衡狀態(tài)就被打破，產(chǎn)生土體滑坡。

2.4 工程處理措施

對該山坡滑坡穩(wěn)定性進行分析，從山坡修建房屋最頂端處向下依次取A、B、C、D4個點，其計算結(jié)果見表1。

根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330—2013），結(jié)合表1，該工程選擇如下治理措施：（1）在A點處以1∶0.5坡比向右側(cè)開挖至原坡頂擋墻、抗滑樁頂進行清方減載；（2）在B、C點右側(cè)12.25m設(shè)圓形抗滑樁基擋墻，承臺每12m一段設(shè)3個圓形抗滑樁，樁長20～40m，左側(cè)段圓形抗滑樁直徑為1.6m；（3）D點處設(shè)圓形抗滑樁，直徑為1.8m，承臺寬4m，高2m；（4）擋墻頂寬0.6m，高3.5～6m，采用C20片石混凝土砌筑；（5）待抗滑樁基承臺擋墻施工完成后，開挖排水渠。

上述治理措施的目的主要是減少滑坡體外荷載，降低地下水位，增強土體的抗滑力，使其保持一定的穩(wěn)定性狀態(tài)。

3 總結(jié)

山區(qū)工程水文地質(zhì)條件比較復雜，因而山區(qū)建設(shè)中搞好水文地質(zhì)勘測工作顯得尤為重要。山區(qū)建設(shè)中，要高度重視巖土體性質(zhì)，尤其是抗剪強度，盡量做好防治措施，避免滑坡帶來的災難性后果?？辜魪姸壤碚撌峭馏w對外荷載所產(chǎn)生的極限抵抗能力，當土體在外荷載作用下發(fā)生剪切變形時，土體會發(fā)生剪切破壞。對山區(qū)房建工作中不良邊坡體的加固理論和處理措施進行研究，可為山區(qū)房建工程防災處理提供依據(jù)。