黃土邊坡穩(wěn)定性及治理的規(guī)律性研究
——以西安地區(qū)某項(xiàng)目黃土邊坡工程為例

張振海

（上海新榮陽投資控股集團(tuán)，上海 200082）

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，大量交通、民用建筑等設(shè)施的興建，開挖與堆填的邊坡數(shù)量越來越多，也越來越高，如一些水利水電的邊坡甚至高達(dá)500m[1]。穩(wěn)定性是邊坡最基本也是最重要的問題，同時(shí)也是邊坡設(shè)計(jì)與施工中最迫切需要解決的問題之一。早在1776年，法國學(xué)者庫侖（Coulomb）便提出計(jì)算擋土墻土壓力的方法。1857年，朗肯（Rankine）建立了計(jì)算主動(dòng)與被動(dòng)土壓力的方法。兩者的研究成果形成了邊坡工程的最初體系，即“極限平衡法”。在邊坡穩(wěn)定性研究方面，1830年，英國學(xué)者萊伊爾（Lyell）最早提出滑坡的概念[2]。1916年瑞典學(xué)者彼得森（Petterson）進(jìn)一步提出圓弧滑動(dòng)分析方法，費(fèi)倫紐斯（Fellemius）在此基礎(chǔ)上創(chuàng)立了條分法，其后多位學(xué)者創(chuàng)造了多種方法，如簡布法（Janbu）、畢肖普法（Bishop）、軍團(tuán)法、羅厄法、斯賓塞法等九種[3]。而學(xué)者鄧肯（Duncan JM）則對邊坡的穩(wěn)定性問題進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究與闡述。

相對于國外，我國在邊坡理論與施工方面的研究起步較晚，但是，近幾十年來，隨著中國數(shù)量龐大的工程的開展，相關(guān)理論也得到飛速發(fā)展。理論與實(shí)踐互相推動(dòng)，形成了“理論創(chuàng)新與施工技術(shù)工藝改進(jìn)”共同發(fā)展的局面。有代表性的研究如林杭等[4]提出“強(qiáng)度折減法”：在滿足平衡條件的同時(shí)，也考慮到材料的應(yīng)力與應(yīng)變，繼而求得任意形狀的臨界滑動(dòng)面及相應(yīng)的最小安全系數(shù)。還有一些新的方法，如以概率與數(shù)理統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)的可靠性分析方法、以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)的模糊綜合評價(jià)方法、以灰色系統(tǒng)理論為基礎(chǔ)的灰色系統(tǒng)評價(jià)方法，以及以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論為基礎(chǔ)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價(jià)方法等[5]，它們共同代表著邊坡治理的發(fā)展趨勢。

本文基于上述背景，以西安地區(qū)某邊坡加固工程為例，采用常規(guī)應(yīng)用的“極限平衡法”進(jìn)行分析（其機(jī)理是引入了一些簡化假定，使計(jì)算較為方便），展開邊坡治理的穩(wěn)定性相關(guān)研究，以期為類似邊坡工程的治理提供參考。

1 項(xiàng)目概況

規(guī)劃建設(shè)完成后小區(qū)的標(biāo)高比原狀地面（邊坡坡肩）高出約6m，此部分為地下車庫與綠化覆土部分。擬建高樓為33層，高度約100m，樓房側(cè)邊距離坡邊的水平距離平均約20m。邊坡坡肩至坡腳最深處約30m，如圖1所示。擬建樓房在建設(shè)過程與竣工后都需要對邊坡進(jìn)行加固，才能保障樓房與小區(qū)的安全使用。

圖1 西安某邊坡原始狀態(tài)俯瞰圖

地面海拔高程約480m，場地地貌為典型性黃土塬。地質(zhì)勘探表明（探深約90m），其主要由第四系全新統(tǒng)雜填土（Q4ml）、黃土（Q32eol）、古土壤（Q31el）、黃土（Q2eol）、古土壤（Q2el）等共十多層土壤構(gòu)成。地下水位穩(wěn)定埋深在27.00～45.00m之間。黃土、古土壤具有濕陷性，濕陷性土層最大分布深度約為地下25.0m。土層承載力特征值在130～240kPa之間，古土壤比黃土的承載力大，土層越深的土壤承載力也越大[6]。

2 邊坡加固方式的選用

邊坡加固的形式有多種，適應(yīng)于不同的地質(zhì)條件。這些形式各具特色、各有利弊，根據(jù)地質(zhì)結(jié)構(gòu)或邊坡的具體情況，需因地制宜選用。本文根據(jù)常用邊坡加固形式與受力情況的不同，將其歸納為以下五大方式。

（1）坡率法。需要一定的放坡空間，根據(jù)土壤的密實(shí)度與粘聚力，放坡比例一般在1:1.5～2.0以上（越大越優(yōu)）。而按此標(biāo)準(zhǔn)，至少需要45m以上的水平距離。該案例無法滿足此條件，因此不適合應(yīng)用此方法。

（2）擋墻。常用于小區(qū)邊界護(hù)坡、山體護(hù)腳等，高度和性能要求低，可產(chǎn)生一定的變形量。而該案例對安全要求高，需要保證樓房基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，因此不適合用此方法。

（3）混合式。要有進(jìn)行錨固的空間（深度距離30m以上）與巖土（土壤的強(qiáng)度越大，效果越好）。案例中黃土的錨固性相對較差，并且有一半的土壤是填土，錨固的效果更差。綜合此兩點(diǎn)，該案例不適合用此方法。

（4）錨桿。依靠錨桿與噴射混凝土聯(lián)合鋼筋網(wǎng)共同負(fù)荷，以提高邊坡巖體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗變形剛度，減少巖體側(cè)向變形。此方式純粹用錨桿進(jìn)行加固，比混合式的要求更高，因此，也不適用。

（5）抗滑樁。其原理是將樁插入到滑面以下的穩(wěn)固地層內(nèi)，利用穩(wěn)定地層巖土的錨固作用平衡滑動(dòng)力，從而達(dá)到穩(wěn)定滑坡的目的[7]。此方法抗滑能力很強(qiáng)、對滑體穩(wěn)定性擾動(dòng)小、設(shè)樁的位置較為靈活，可作為案例邊坡治理的最佳選擇。

3 案例邊坡的穩(wěn)定性分析

3.1 穩(wěn)定性分析的方法

（1）定性與定量分析。邊坡穩(wěn)定性分析一般分為兩個(gè)階段：第一階段是定性分析（理論分析與經(jīng)驗(yàn)判斷），對初勘所取得的地質(zhì)資料進(jìn)行研究，做出初步評估；第二階段是定量分析（實(shí)測算量與檢驗(yàn)驗(yàn)證），對定性階段分析所判斷的存在風(fēng)險(xiǎn)部分進(jìn)行詳勘與專業(yè)設(shè)計(jì)。但巖土工程（包括邊坡）尚不能“精準(zhǔn)”計(jì)算，這主要是由勘探樣本的失真性、信息的不完整性、影響因素的多樣性與相互作用、材料的復(fù)雜性、條件的不可確定性、建立計(jì)算簡化模型的失真性等因素造成。因此，第二階段的定量計(jì)算仍需要回歸到第一階段的定性分析中再檢驗(yàn)驗(yàn)證（即計(jì)算非萬能，概念與經(jīng)驗(yàn)不可缺失）。

（2）邊坡穩(wěn)定性分析方法。邊坡的核心問題是穩(wěn)定性，其目的是確定經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析已有邊坡穩(wěn)定性量化的程度，為治理措施提供可靠的依據(jù)。針對不同的邊坡，需因地制宜。對于高等級邊坡或重要邊坡，應(yīng)采用多種定性與定量方法進(jìn)行綜合評估，并根據(jù)結(jié)果調(diào)整方案。本文采用以往文獻(xiàn)調(diào)查與現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的方法進(jìn)行歸納，得出八種分析方法，分別是工程地質(zhì)類比法、坡率法、圖解法、極限平衡法、數(shù)值模擬法、敏感性分析法、概率設(shè)計(jì)方法、荷載抗力系數(shù)設(shè)計(jì)法、荷載抗力系數(shù)設(shè)計(jì)法。

（3）案例邊坡選用方法。針對不同的地質(zhì)條件、氣候特征、巖土分布規(guī)律及施工選取工藝方法，邊坡開挖前須進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。穩(wěn)定性計(jì)算有多種方法：在簡單邊坡穩(wěn)定性分析中，可以選用其中一種方法，但重大邊坡則需要兩種或兩種以上的組合應(yīng)用。本文案例選取“極限平衡法”，將邊坡巖土視為“剛體”。

3.2 穩(wěn)定性模型與分析

（1）穩(wěn)定性模型。案例采用雙排樁進(jìn)行加固，兩排樁之間采用連接梁，兩排樁的樁頂部位各自設(shè)置冠梁，即上部樁頂連為一個(gè)整體。樁直徑為1.5m，長度按地勢不同略有差別，平均約為30.0m，如圖2所示。

圖2 邊坡模型簡化計(jì)算圖

（2）抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算。取某一個(gè)截面為代表，按公式（1）計(jì)算（地下水位低于支護(hù)樁的底端高度）：

計(jì)算發(fā)現(xiàn)，KQ的數(shù)值為1.85[8]，大于1.25的安全系數(shù)值[9]，滿足安全要求。

（3）整體穩(wěn)定驗(yàn)算。以瑞典條分法為工具，有效應(yīng)力法的應(yīng)力狀態(tài)、條分法中的土條寬度取1.00m，滑裂面圓弧半徑R=34.04，圓心坐標(biāo)X=-0.53、Y=14.96，計(jì)算得出整體穩(wěn)定安全系數(shù)Ks=2.83[8]，大于1.35的安全系數(shù)要求[9]。

（4）抗隆起驗(yàn)算。在加固底部處、34.15m處、37.35m處取三個(gè)值，逐層驗(yàn)算抗隆起穩(wěn)定性，根據(jù)公式（2）計(jì)算：

計(jì)算得出三個(gè)層面分別為5.55、7.63、5.75，都大于1.8的安全要求值[9]，滿足安全要求。

（5）嵌固深度構(gòu)造計(jì)算。嵌固深度=嵌固構(gòu)造深度系數(shù)×基坑深度=0.60×14.30=8.58m。嵌固深度采用值為18.7m，滿足構(gòu)造要求。

（6）嵌固段基坑內(nèi)側(cè)土反力驗(yàn)算。作用在擋土構(gòu)件嵌固段上的基坑內(nèi)側(cè)土反力合力為8166.87kN，小于作用在擋土構(gòu)件嵌固段上的被動(dòng)土壓力合力值14917.03kN[8]，土反力滿足要求。

（7）加筋土部位擋土墻穩(wěn)定性分析。墻身總高6.50m，筋帶水平與豎向間距都為0.40m，筋帶長16.00m、寬0.06m、厚0.02m（圖3）。加筋土內(nèi)摩擦角35.00°，筋帶容許拉應(yīng)力60.00MPa，土與筋帶之間的摩擦系數(shù)0.40。計(jì)算參數(shù)：圓心步長與半徑步長都為1.00m，土條寬度為0.50m，填土（回填黃土的最佳含水量為13%左右，現(xiàn)場需要撒水控制，以“手捏成團(tuán)，落地開花”為標(biāo)準(zhǔn)）粘聚力為18.00kPa、地基土粘聚力為23.00 kPa。筋帶抗拔最小安全系數(shù)為2.18，大于2.00的要求。整體穩(wěn)定驗(yàn)算最小安全系數(shù)為2.12[8]，大于1.25的安全要求[9]。

圖3 加筋土示意圖

（8）一般工狀。內(nèi)部穩(wěn)定性分析采用應(yīng)力分析法，選擇某一個(gè)段面點(diǎn)進(jìn)行簡化模型分析。墻身總高為6.5m，筋帶豎向間距全部均勻分布，單個(gè)筋帶厚度為2mm，筋帶水平方向間距為0.4m，筋帶豎直方向間距為0.4m。計(jì)算得出筋帶的抗拔驗(yàn)算最小安全系數(shù)為2.18[8]，大于安全要求值2.00[9]。外部穩(wěn)定性計(jì)算得出整體穩(wěn)定性最小的安全系數(shù)為2.12[8]，大于安全要求值1.25[9]，因此滿足一般工狀安全性要求。

（9）地震工狀。內(nèi)部穩(wěn)定性采用應(yīng)力分析法，筋帶抗拔驗(yàn)算后得出最小安全系數(shù)為2.14[8]，大于安全要求值1.20[9]。經(jīng)外部穩(wěn)定性計(jì)算，得出滑動(dòng)穩(wěn)定性系數(shù)為3.85[8]，大于安全要求值1.10[9]。計(jì)算得出傾覆穩(wěn)定性系數(shù)為25.42[8],大于安全要求值1.20[9]。整體穩(wěn)定性計(jì)算得出最小安全系數(shù)為2.18[8]，大于安全要求值1.10[9]。因此，滿足地震工狀安全性要求。

4 邊坡加固，兼顧經(jīng)營與安全

4.1 現(xiàn)行做法

從安全性的角度出發(fā)，應(yīng)該是先進(jìn)行邊坡加固，再進(jìn)行高樓施工。但現(xiàn)行項(xiàng)目建設(shè)中，特別是房地產(chǎn)企業(yè)為了將樓房建到某個(gè)規(guī)定的高度后進(jìn)行“預(yù)售”，回籠資金，往往采用先建樓后加固的順序，或者是兩者同時(shí)進(jìn)行。各個(gè)地區(qū)對高度的要求在規(guī)定上有所不同，本文案例項(xiàng)目只要建到標(biāo)準(zhǔn)層，或±0.00標(biāo)高工程完成，就具備預(yù)售條件。

4.2 樓房建設(shè)是否需要邊坡先行加固

案例中涉及到的樓房高度為101.25m，地下室深度為7.20m。按1/15[10]的基礎(chǔ)埋置深度要求為6.75m，已達(dá)到此規(guī)定。同時(shí)，要求埋入地下部分具有可靠的側(cè)向限制。本文根據(jù)大量設(shè)計(jì)方案與施工案例統(tǒng)計(jì)，得出經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為1.5～2.0倍的邊坡深度。按此經(jīng)驗(yàn)值，案例在邊坡加固前不符合此規(guī)定（邊坡深30m，按1.5倍側(cè)限則為45m，按2.0倍則為60m，而案例加固前的現(xiàn)有平均寬度只有20m），在邊坡加固前，不能將樓房建到頂層。

由于工期非常緊張，在邊坡沒有加固前即開始進(jìn)行樓房的建設(shè)，但同時(shí)基于安全的要求，在建設(shè)至第10層時(shí)停止，等待邊坡加固后再進(jìn)行建設(shè)。由于邊坡的深度約為30m，相當(dāng)于10層樓高度，在地下室沒有側(cè)限的前提下，常規(guī)安全高度約為10層。

5 邊坡的排水措施

據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示，大多數(shù)邊坡的變形破壞都與水相關(guān)，尤其是在暴雨之后，發(fā)生災(zāi)害的概率更高。而水對邊坡的力學(xué)作用主要包括靜水壓力、浮托力、動(dòng)水壓力，它們共同影響邊坡的穩(wěn)定性。在增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性方面，排水降壓比力學(xué)加固的效果更明顯，經(jīng)濟(jì)性能也更加優(yōu)越。因此，幾乎所有的邊坡工程均采取排水措施，本文案例采取了以下幾種排水形式。

（1）建立坡面的防、截、排體系（外排）。在坡頂與坡肩采用硬化防水面，以集中井的形式收集水源，再通過管道排除，從而達(dá)到防、截、排的目的。即從外部杜絕或者減少雨水或其他水源滲透入邊坡中，從根本上防范水患對邊坡的損害作用（特別是案例中的黃土具有濕陷性，存在潛在的變形危害）。排水的流量按極端天氣下的暴雨量進(jìn)行設(shè)計(jì)，防范邊坡發(fā)生致命性損傷。

（2）建立水平鉆孔排水體系（內(nèi)排）。設(shè)置排水孔的目的是將邊坡中的水排出。首先，在坡面（如回填土與坡腳部位）建大量的短排水孔（在反面鋪設(shè)反濾層）；其次，穿插少量深排水孔（約20m），目的是將坡體深層內(nèi)的水排出，從而防范支撐結(jié)構(gòu)因受到土壤體中的水壓力而遭到破壞。

采用這兩類排水方式，已能達(dá)到排水的效果。

6 邊坡加固、綠化一舉多得

在邊坡治理中，需要兼顧結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與景觀的優(yōu)美。特別是針對黃土邊坡，通過綠化，植物根系與土壤共同作用，組成了復(fù)合結(jié)構(gòu)：根系具有較高的抗拉強(qiáng)度與錨固力，可以提高土的抗剪強(qiáng)度，限制土壤的滑移，加固效果顯著。

6.1 邊坡綠化時(shí)采用的原則

案例邊坡在綠化時(shí)采取了四個(gè)原則：（1）植物防護(hù)與混凝土結(jié)構(gòu)有機(jī)結(jié)合，建立既穩(wěn)定牢固又有生態(tài)效應(yīng)的防護(hù)系統(tǒng)；（2）因地制宜，種植當(dāng)?shù)刂参?，這樣在采購、種植、養(yǎng)護(hù)等方面成本較低；（3）對護(hù)坡植物進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，使喬木、灌木、花草層次分明、錯(cuò)落有序；（4）護(hù)坡植物與城市人文相結(jié)合，營造城市綠化景點(diǎn)，既提升住宅小區(qū)的品味（獲取商業(yè)利潤），又彰顯城市的美感（社會(huì)效應(yīng)外溢）。

6.2 坡面綠化要點(diǎn)

（1）使骨架圖案多樣化。需要結(jié)合景觀進(jìn)行邊坡美化：采用多種方式將坡面改為方格形、菱形、正方形、拱形等圖形的骨架，并將多種圖形按一定的規(guī)律進(jìn)行排布，從而形成多姿多彩的景觀類型。

（2）選用坡面植物。進(jìn)行邊坡綠化時(shí)，選擇野牛草、林地早熟禾、草地早熟禾、白三葉、穎茅苔草等適應(yīng)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)的植物，易于養(yǎng)護(hù)。

（3）點(diǎn)綴硬化圖形。在護(hù)腳等全部為混凝土坡面的區(qū)域，采用“化硬為軟”的方式，即用浮雕式圖形、彩繪式圖形，將呆板的混凝土護(hù)坡改造為五彩繽紛的人文景觀，打造景觀亮點(diǎn)。

（4）其他理念。①化整為零：將30m垂直高的一面邊坡設(shè)計(jì)為4～6級的多級邊坡，并對每級坡腳進(jìn)行綠化；②化大為小：將局部高差大的擋土墻做成“板凳”式，并對“板凳”凹面進(jìn)行綠化；③化陡為緩：將直立的擋土墻改為傾斜式，使空間視覺更加開敞。

7 結(jié)論

本文根據(jù)案例工程邊坡高差大、側(cè)邊距離小的現(xiàn)狀，選擇了抗滑樁的方式進(jìn)行加固。計(jì)算采用了“極限平衡法”，將邊坡巖土視為“剛體”建立模型，所設(shè)計(jì)方案滿足安全性要求。為防范水患對邊坡造成破壞，采用了防、截、排體系（外排）與水平鉆孔排水體系（內(nèi)排）。另外，對邊坡進(jìn)行綠化，在提升小區(qū)景觀品質(zhì)的同時(shí)，也加強(qiáng)了邊坡的穩(wěn)定性。在邊坡與小區(qū)竣工后，這些措施經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)，效果良好。

經(jīng)過以上幾個(gè)方面的研究，可以得出治理邊坡的規(guī)律：（1）邊坡工程尚不能精確計(jì)算其穩(wěn)定性，在治理的過程中必須因地制宜選擇加固方式；（2）邊坡的治理涉及到大額的資金投入，在治理的過程中必須兼顧經(jīng)營與安全；（3）邊坡治理需防范后期水患的破壞，滿足綠化景觀的要求。