王正良，涂露

（1重慶市交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，重慶 401121；2重慶科技學(xué)院，重慶 401331）

1 引言

隨著近幾年基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速推進(jìn)，在交通、水利和建筑等領(lǐng)域，工程施工過(guò)程中常會(huì)遇到一些不穩(wěn)定邊坡，尤其是受外傾結(jié)構(gòu)面控制的巖質(zhì)邊坡，變形跡象不明顯，發(fā)生時(shí)間短，體量大，對(duì)工程安全有著極大的威脅，有的會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。今年3月28日江北區(qū)石子山中小學(xué)建設(shè)工程發(fā)生巖質(zhì)邊坡坍塌事故，該事故造成3人死亡，3人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失400余萬(wàn)元。

對(duì)受結(jié)構(gòu)面控制的巖質(zhì)邊坡進(jìn)行處治前，應(yīng)根據(jù)巖體特征、外傾結(jié)構(gòu)面特征和邊坡開挖坡形，計(jì)算其支護(hù)前邊坡的穩(wěn)定系數(shù)，分析評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性。根據(jù)邊坡主要規(guī)范《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB50330-2013）5.3.2條規(guī)定：“當(dāng)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)小于邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)時(shí)應(yīng)對(duì)邊坡進(jìn)行處理?！笔芸臻g環(huán)境制約，邊坡常不具備按坡率法放坡條件，須采用錨桿或樁板擋墻等進(jìn)行支擋處理。邊坡采用何種支擋方案和具體支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等均與設(shè)計(jì)支護(hù)力大小密切相關(guān)，現(xiàn)就受結(jié)構(gòu)面控制的巖質(zhì)邊坡設(shè)計(jì)支護(hù)力計(jì)算進(jìn)行探討。

2 現(xiàn)今常用支護(hù)力計(jì)算方法

2.1 側(cè)向巖石壓方法

根據(jù) 《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》6.3.3條第3款規(guī)定：“當(dāng)邊坡沿外傾結(jié)構(gòu)面破壞時(shí)，側(cè)向巖石壓合力應(yīng)按本規(guī)范第6.3.1條和6.3.2條計(jì)算，破裂角取該外傾結(jié)構(gòu)面傾角，同時(shí)應(yīng)按本條第1款進(jìn)行驗(yàn)算”。支設(shè)計(jì)護(hù)力為側(cè)向巖石壓力合力乘以相應(yīng)的荷載增大系數(shù)得到的。

其中第6.3.1條巖石壓力合力計(jì)算公式如下：

式中：θ—邊坡外傾結(jié)構(gòu)面傾角（°）；

Cs—邊坡外傾結(jié)構(gòu)面黏聚力（kPa）；

φs—邊坡外傾結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角（°）；

Kq—系數(shù)，可按公式（6.2.3-3）計(jì)算；

δ—巖石與擋墻背的摩擦角（°），取（0.33-0.50）φ。

第6.3.2條巖石壓力合力計(jì)算公式如下：

式中：G—四邊形滑裂體自重（kN/m）；

L—滑裂面長(zhǎng)度（m）；

θ—緩傾的外傾軟弱面結(jié)構(gòu)面傾角（°）

cs—邊坡外傾結(jié)構(gòu)面黏聚力（kPa）；

φs—邊坡外傾結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角（°）；

通過(guò)翻閱查詢相關(guān)交通規(guī)范和邊坡專著，所推薦的外傾結(jié)構(gòu)面巖質(zhì)邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)力均采用《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定的計(jì)算方法，兩者基本一致。

2.2 增大下滑力法計(jì)算方法（FstT）

根據(jù) 《地質(zhì)災(zāi)害防治工程勘察規(guī)范》（DB50/143-2003）12.1.24條規(guī)定：“當(dāng)滑面為平面且滑體為完整巖體或只能在前緣布置支擋線時(shí)也可按下式（42）計(jì)算”，用支護(hù)力與剩余下滑力之間傾角關(guān)系計(jì)算邊坡支護(hù)力。剩余下滑力公式簡(jiǎn)單表示為：

式中：P—潛在滑體單位寬度剩余下滑力；

Fst—潛在滑體安全穩(wěn)定系數(shù)；

R—潛在滑體單位寬度抗滑力,根據(jù)滑體受力沿滑面分解求解；

T—潛在滑體單位寬度下滑力,根據(jù)滑體受力沿滑面分解求解。

3 設(shè)計(jì)支護(hù)力計(jì)算方法存在的問(wèn)題

3.1 側(cè)向巖石壓方法存在的問(wèn)題

《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》第6.3.1條和6.3.2條推薦的計(jì)算公式是采用剛體極限平衡推導(dǎo)出來(lái)的，表達(dá)式略有差異，但其本質(zhì)是一致的，潛在滑體在滑面處下滑力等于抗滑力，根據(jù)該規(guī)范5.2.4條和附錄A.0.2條，潛在滑體穩(wěn)定系數(shù)Fs=R/T=1.0,此時(shí)計(jì)算出的巖體側(cè)壓力合力是潛在滑體極限平衡狀態(tài)下 （Fs=1）外界所需要提供的力，而不是潛在滑體達(dá)到規(guī)范5.3.2條規(guī)定的潛在滑體穩(wěn)定安全系數(shù)Fst。

根據(jù)規(guī)范推薦方法，受外傾結(jié)構(gòu)面控制的邊坡，只有在穩(wěn)定系數(shù)＜1.0時(shí)，才能計(jì)算出主動(dòng)巖石壓力；穩(wěn)定系數(shù)≥1.0時(shí)，主動(dòng)巖石壓力為0，若穩(wěn)定系數(shù)Fs≥穩(wěn)定安全系數(shù)Fst，按規(guī)范5.3.2條規(guī)定可以不用處理；1.0≤穩(wěn)定系數(shù)Fs≤穩(wěn)定安全系數(shù)Fst時(shí)，按規(guī)范應(yīng)當(dāng)進(jìn)行支擋或放坡處理，但支擋計(jì)算時(shí)沒(méi)有巖石壓力，兩者相矛盾。規(guī)范附錄A.0.3規(guī)定折線滑動(dòng)面?zhèn)鬟f系數(shù)法計(jì)算剩余下滑力考慮了穩(wěn)定安全系數(shù)Fst，而直線滑動(dòng)面巖石壓力計(jì)算不考慮Fst，存在矛盾。

雖然該規(guī)范對(duì)巖石壓力合力作了很多調(diào)整，乘以一個(gè)或多個(gè)增大系數(shù)（重要性系數(shù)等）才作為設(shè)計(jì)支護(hù)力使用，但當(dāng)穩(wěn)定系數(shù)≥1.0或穩(wěn)定系數(shù)＜1.0但接近1.0時(shí)，主動(dòng)巖石壓力為0或很小的巖石壓力值，此時(shí)不管增大系數(shù)多大，計(jì)算出的設(shè)計(jì)支護(hù)力也與使?jié)撛诨w達(dá)到穩(wěn)定安全系數(shù)Fst所需要的支護(hù)力存在很大差距，無(wú)法進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算或計(jì)算出來(lái)的支護(hù)結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)達(dá)不到規(guī)范規(guī)定的安全儲(chǔ)備。

3.2 增大抗滑力法計(jì)算方法（FstT）的不足

由于側(cè)向巖石壓方法沒(méi)有考慮安全儲(chǔ)備，計(jì)算公式未與邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)建立聯(lián)系，設(shè)計(jì)過(guò)程中常采用增大下滑力法計(jì)算剩余下滑力。雖然公式彌補(bǔ)了安全儲(chǔ)備的問(wèn)題，但依然存在問(wèn)題，計(jì)算出的剩余下滑力作為設(shè)計(jì)支護(hù)力時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生抗力經(jīng)力平衡分解，對(duì)原有體系抗滑力和下滑力產(chǎn)生作用，邊坡支護(hù)后計(jì)算出來(lái)的穩(wěn)定系數(shù)Fs不等于邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fst，即不等于抗滑力增大系數(shù)，支護(hù)力未能與邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)Fst建立準(zhǔn)確聯(lián)系。

4 推薦基于邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)的計(jì)算方法

4.1 設(shè)計(jì)支護(hù)力思路

巖質(zhì)邊坡受外傾結(jié)構(gòu)面控制的潛在滑體為整體結(jié)構(gòu)，計(jì)算設(shè)計(jì)支護(hù)力時(shí)采用剛體極限平衡分析方法。潛在滑體只有一個(gè)條塊，不用進(jìn)行迭代計(jì)算，將擬設(shè)支護(hù)結(jié)構(gòu)抗力（設(shè)計(jì)支護(hù)力）、滑體重力、外部荷載力、滑面處的反力、總水壓力等滑體上所有作用力根據(jù)力的大小、方向?qū)⑵浞謩e分解到垂直于滑動(dòng)面和平行于滑動(dòng)面上，計(jì)算出抗滑力R和下滑力T，利用邊坡穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算公式Fs=R/T建立力系平衡方程，取穩(wěn)定系數(shù)Fs為穩(wěn)定安全系數(shù)Fst，由于滑體重力、外荷載、總水壓力等均為已知力，滑面作用反力也可根據(jù)已知力推導(dǎo)出，只有支護(hù)結(jié)構(gòu)抗力未知，根據(jù)力系平衡方程可推導(dǎo)出邊坡達(dá)到穩(wěn)定安全系數(shù)所需要的支護(hù)結(jié)構(gòu)抗力解析解，即設(shè)計(jì)支護(hù)力。

4.2 設(shè)計(jì)支護(hù)力推導(dǎo)

外傾結(jié)構(gòu)面控制的潛在滑體支護(hù)力具體公式推導(dǎo)詳見(jiàn)表1。

5 工程實(shí)際案例及驗(yàn)算方法

重慶某大型廣場(chǎng)西側(cè)存在挖方邊坡，根據(jù)赤平投影分析，該邊坡為順向坡，坡高10～25m，坡體主要由互層的砂泥巖組成，層面傾38°，根據(jù)層面特征，層面抗剪參數(shù)C取40kPa，Φ取18kPa。無(wú)外部附加荷載，坡頂無(wú)裂縫。受地形和周邊環(huán)境限制，方案擬按1:0.5放坡，選取三個(gè)代表性剖面進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算，穩(wěn)定系數(shù)均不能大于等于穩(wěn)定安全系數(shù)要求，為了高速公路安全運(yùn)營(yíng)，需要進(jìn)行支擋。擬采用錨桿（索），錨桿傾角20°。該高速路路塹邊坡失穩(wěn)破壞后果嚴(yán)重，邊坡安全等級(jí)為一級(jí)，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)取1.30?，F(xiàn)通過(guò)該實(shí)例采用三種方法進(jìn)行支護(hù)力計(jì)算和支護(hù)后穩(wěn)定系數(shù)驗(yàn)算，邊坡1、2、3剖面支護(hù)力計(jì)算穩(wěn)定性驗(yàn)算對(duì)比一覽表見(jiàn)表2。

根據(jù)表2分析可知：

表1 受外傾結(jié)構(gòu)面控制的潛在滑體支護(hù)力計(jì)算模型及計(jì)算公式

（1）規(guī)范方法計(jì)算出支護(hù)力沒(méi)有安全儲(chǔ)備，當(dāng)穩(wěn)定系數(shù)Fs＜0時(shí)，按計(jì)算出的支護(hù)力進(jìn)行支擋后穩(wěn)定系數(shù)Fs=1.0；當(dāng)穩(wěn)定系數(shù)Fs≥0時(shí)，計(jì)算結(jié)果為0或負(fù)值。

（2）增大下滑力（FstT）方法計(jì)算時(shí)，當(dāng)穩(wěn)定系數(shù)Fs≥安全系數(shù)Fst時(shí)，支護(hù)力為0；當(dāng)穩(wěn)定系數(shù)Fs＜Fst時(shí)，F(xiàn)s越小，按計(jì)算支護(hù)力支護(hù)后的Fs越大，均大于Fst，因此按增大下滑力（FstT）法偏于安全，支護(hù)力偏保守，易造成浪費(fèi)。

（3） 按本文推薦方法，當(dāng)Fs＜Fst時(shí)，安全儲(chǔ)備不足時(shí)，可以計(jì)算出支護(hù)力，且按支護(hù)力支護(hù)后的邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs等于邊坡安全系數(shù)Fst，計(jì)算方法簡(jiǎn)便易懂，直接計(jì)算出支護(hù)力，不需要巖石壓力或剩余下滑力進(jìn)行分解轉(zhuǎn)換得到支護(hù)力。本方法既滿足規(guī)范規(guī)定的安全儲(chǔ)備，也不會(huì)造成浪費(fèi)。

6 結(jié)論

（1）上述邊坡實(shí)例為無(wú)外部附加荷載，坡頂無(wú)裂縫的簡(jiǎn)單情況，對(duì)于存在外部荷載、裂隙水、甚至考慮地震荷載的情況，推薦計(jì)算方法一樣適用。

表2 挖方邊坡1、2、3剖面支護(hù)力計(jì)算穩(wěn)定性驗(yàn)算對(duì)比一覽表

（2）受外傾結(jié)構(gòu)面巖質(zhì)邊坡支擋一般選用錨桿（索）或樁板擋墻結(jié)構(gòu)。當(dāng)采用錨桿（索）時(shí)，支護(hù)力傾角α取錨桿傾角，當(dāng)采用樁板擋墻時(shí)，支護(hù)力傾角α取0°。

（3）通過(guò)對(duì)公式（4.2-14）進(jìn)行變換，等式右邊分子分母同時(shí)除以邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fst，公式可寫成下式：

分析上式6.3-1可知，相當(dāng)于滑面強(qiáng)度(c和tanφ )同時(shí)除以Fst進(jìn)行折減，符合強(qiáng)度折減法理念，是基于邊坡強(qiáng)度折減法的計(jì)算方法。

7 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)有外傾結(jié)構(gòu)面巖質(zhì)邊坡設(shè)計(jì)支護(hù)力計(jì)算方法分析，指出其存在問(wèn)題和不足，分析推導(dǎo)出基于邊坡安全系數(shù)的支護(hù)力計(jì)算方法，通過(guò)邊坡實(shí)例驗(yàn)算可知，本文推薦的計(jì)算方法思路清晰，符合強(qiáng)度折減法理念，更易于理解和使用。計(jì)算的支護(hù)力既滿足規(guī)范規(guī)定的安全儲(chǔ)備，又節(jié)約邊坡治理成本。

[1]GB50330—2013建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013.

[2]DB50/143—2003地質(zhì)災(zāi)害防治工程勘察規(guī)范[S].重慶：重慶市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，2003.

[3]JTG D30—2015公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2015.

[4]黃求順，張四平，胡岱文.邊坡工程[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2013：第140頁(yè).

熱烈祝賀重慶市建筑科學(xué)研究院李成芳同志獲“全國(guó)住房城鄉(xiāng)建設(shè)系統(tǒng)勞動(dòng)模范”榮譽(yù)稱號(hào)

根據(jù)《人力資源社會(huì)保障部、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部關(guān)于表彰全國(guó)住房城鄉(xiāng)建設(shè)系統(tǒng)先進(jìn)集體、先進(jìn)工作者和勞動(dòng)模范的決定通知》，重慶市建科院副總工程師、檢測(cè)一分院副院長(zhǎng)李成芳同志喜獲“全國(guó)住房城鄉(xiāng)建設(shè)系統(tǒng)勞動(dòng)模范”榮譽(yù)稱號(hào)。

“勞動(dòng)模范”稱號(hào)的獲得，既是對(duì)李成芳同志工作的肯定，也是重慶市建科院的光榮。重慶市建筑科學(xué)研究院號(hào)召全體員工以勞動(dòng)模范為榜樣，學(xué)習(xí)和弘揚(yáng)勞模精神，以更加昂揚(yáng)的斗志和飽滿的熱情，譜寫出更加壯美的勞動(dòng)之歌，在城市建設(shè)中再立新功。(來(lái)源：重慶建科網(wǎng)）