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）

直線形滑面邊坡的識別與穩(wěn)定性及支護力計算

方玉樹1,2

（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）

在實際邊坡工程中，土層廣布、巖質(zhì)部分有外傾結(jié)構(gòu)面的土巖組合邊坡常常視為有土層超載的直線形滑面邊坡，甚至填土沿基巖面滑動的土巖組合邊坡、無外傾結(jié)構(gòu)面的土質(zhì)邊坡和巖質(zhì)邊坡也視為直線形滑面邊坡；直線形滑面邊坡穩(wěn)定性及支護力計算也常常只采用單塊極限平衡法。該文對這些做法存在的問題進行了分析并提出建議。

直線形滑面；邊坡；識別；穩(wěn)定性計算；支護力計算

0　引言

邊坡抗滑穩(wěn)定性計算和支護力計算需要先確定滑面形態(tài)。在實際邊坡工程中，土層廣布、巖質(zhì)部分有外傾結(jié)構(gòu)面的土巖組合邊坡常常視為有土層超載的直線形滑面邊坡，其中位于外傾結(jié)構(gòu)面上方的土質(zhì)部分（其后邊界為過外傾結(jié)構(gòu)面上端的直立面）視為坡頂附加荷載，甚至填土沿基巖面滑動的土巖組合邊坡、無外傾結(jié)構(gòu)面的土質(zhì)邊坡和巖質(zhì)邊坡也視為直線形滑面邊坡（這種情況出現(xiàn)在支護力計算中）；直線形滑面邊坡穩(wěn)定性及支護力計算也常常只采用單塊極限平衡法，外傾結(jié)構(gòu)面緩傾時滑塊沿坡向的長度取值則有不同做法：一種是取整個直線形滑面上方塊體長度，一種是取坡高的幾分之一（如：取坡高的0.3～0.4倍），一種是取臨界長度（邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1時的長度）。本文詳細(xì)分析了這些做法存在的問題并提出建議。

1　直線形滑面邊坡識別存在的問題及建議

1.1土層廣布、巖質(zhì)部分有外傾結(jié)構(gòu)面的土巖組合邊坡

對土層廣布、巖質(zhì)部分有外傾結(jié)構(gòu)面的土巖組合邊坡，當(dāng)巖質(zhì)部分及其上覆土層（其后邊界為過外傾結(jié)構(gòu)面上端的直立面）沿外傾結(jié)構(gòu)面滑動時，上覆土層后方土體一般不能保持穩(wěn)定，后方土體的非穩(wěn)定部分對前方土體有推力作用，因而對邊坡抗滑穩(wěn)定性有不利影響。因此，土層廣布、巖質(zhì)部分有外傾結(jié)構(gòu)面的土巖組合邊坡一般不是直線形滑面邊坡。滑面中的巖質(zhì)部分是直線形而土質(zhì)部分應(yīng)是上凹的曲線形，為便于計算，可取成與滑面直線段上端（內(nèi)端）相切的圓弧形，最危險圓弧位置可通過搜索確定。當(dāng)滑面直線段較陡（如：45°以上）時，因與滑面直線段上端（內(nèi)端）相切的圓弧形接近于直線形，可近似地取成直線形。當(dāng)上覆土層很薄（如：垂直厚度不超過2m且不超過坡高1/5）時，因其能夠自穩(wěn)或者非穩(wěn)定部分因范圍很小而對前方土體僅有很小的推力，可近似地將位于外傾結(jié)構(gòu)面上方的土質(zhì)部分視為坡頂附加荷載。總之，土層廣布、巖質(zhì)部分有外傾結(jié)構(gòu)面的土巖組合邊坡整體應(yīng)視為非均質(zhì)邊坡，滑面應(yīng)穿過土層且滑面整體不呈直線，對滑面的土質(zhì)部分應(yīng)采用土體抗剪強度指標(biāo)，只有在上覆土層很薄時才可簡化為有土層超載的直線形滑面邊坡，不加區(qū)分地視為有土層超載的直線形滑面邊坡可能導(dǎo)致穩(wěn)定系數(shù)偏大，支護力偏小。

1.2填土沿基巖面滑動的土巖組合邊坡

在實際邊坡工程的支護力計算中，為能應(yīng)用經(jīng)典庫倫土壓力理論，填土沿基巖面滑動的土巖組合邊坡視為直線形滑面邊坡。這種做法不僅在支護力大小上與穩(wěn)定系數(shù)需達到安全系數(shù)的要求矛盾，而且在滑面形態(tài)上也偏離實際過多[1]，因為基巖面大多有較大起伏而呈折線形。這種做法也與相應(yīng)穩(wěn)定性計算中的處理方式矛盾，在相應(yīng)穩(wěn)定性計算中，滑面多簡化為折線形。因此，填土沿基巖面滑動的土巖組合邊坡是否視為直線形滑面邊坡應(yīng)根據(jù)基巖面實際情況確定。

實際上，填土沿原地面滑動、原土沿基巖面滑動的邊坡也未必是直線形滑面邊坡，多是折線形滑面邊坡。

因此，在支護力計算中，填土沿基巖面滑動的土巖組合邊坡、填土沿原地面滑動的邊坡和原土沿基巖面滑動的邊坡，其滑面形態(tài)是采用折線形、直線形、圓弧形均應(yīng)根據(jù)基巖面和土層層面實際形態(tài)最接近何種形態(tài)來確定。

順便指出：

（1）一些標(biāo)準(zhǔn)[2-3]在支護力計算中除了將填土沿基巖面滑動的土巖組合邊坡視為直線形滑面邊坡外，還只給出基巖面傾角較大（不小于無限范圍填土直線形滑面傾角）時的支護力計算公式而忽略基巖面傾角較小（小于無限范圍填土直線形滑面傾角）情形，這種做法是不能保證安全的，當(dāng)基巖面抗剪強度指標(biāo)小于填土抗剪強度指標(biāo)時，填土也可能沿傾角較小的基巖面滑動。

（2）基巖面和土層層面為外傾但傾角不是很大的平面時，土體滑動時的滑面可能一部分是基巖面和土層層面，另一部分在土體中。此時滑面整體不是直線形，其形態(tài)與本文1.1節(jié)所述巖質(zhì)部分有外傾結(jié)構(gòu)面的土巖組合邊坡的滑面形態(tài)相當(dāng)。

1.3無外傾結(jié)構(gòu)面的土質(zhì)邊坡和巖質(zhì)邊坡

無外傾結(jié)構(gòu)面的土質(zhì)邊坡和巖質(zhì)邊坡其滑面是典型的曲線，相對而言接近于圓弧形而不是直線形。巖土體中的滑面為直線意味著巖土體中各點的滑面傾角相同。因巖土體中各點大小主應(yīng)力方向不同，各點滑面傾角相同是不可能的。因此，在實際邊坡工程的支護力計算中，為能采用經(jīng)典土壓力理論將滑面視為直線的做法不僅在支護力大小上與穩(wěn)定系數(shù)需達到安全系數(shù)的要求矛盾，而且在滑面形態(tài)上也偏離實際過多[1]。這種做法也與相應(yīng)穩(wěn)定性計算中的處理方式矛盾，在相應(yīng)穩(wěn)定性計算中，滑面一般簡化為圓弧形。

2　直線形滑面邊坡穩(wěn)定性及支護力計算存在的問題及建議

在實際邊坡工程中，直線形滑面邊坡穩(wěn)定性及支護力計算常常只采用單塊極限平衡法，外傾結(jié)構(gòu)面緩傾時滑塊沿坡向的長度取值有如下幾種做法：一種是取整個直線形滑面上方塊體長度，一種是取坡高的幾分之一（如：取坡高的0.3～0.4倍），一種是取臨界長度（邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1時的長度）。這幾種做法都不恰當(dāng)。

當(dāng)結(jié)構(gòu)面傾角較小時，滑體后緣有時沒有到達結(jié)構(gòu)面的上端，結(jié)構(gòu)面上方的巖土體從中間拉開。這是因為：滑面粘聚力對厚度小的滑體的穩(wěn)定性貢獻很大，厚度小的滑體可能是穩(wěn)定的。但不經(jīng)過計算并不能確定結(jié)構(gòu)面上方巖土體穩(wěn)定部分與非穩(wěn)定部分的邊界位置。當(dāng)推測的邊界位置偏前時，因少算了一部分推力，支護力偏??；當(dāng)推測的邊界位置偏后時，因?qū)⒇?fù)值推力計入，支護力也偏小。

滑塊沿坡向的長度取整個直線形滑面上方塊體長度的做法，可能因穩(wěn)定部分與非穩(wěn)定部分邊界位置偏后而使支護力偏?。换瑝K沿坡向的長度取坡高的幾分之一的做法，可能因穩(wěn)定部分與非穩(wěn)定部分邊界位置偏前或偏后而使支護力偏?。灰蚺R界長度不代表穩(wěn)定部分的長度（穩(wěn)定對應(yīng)著穩(wěn)定系數(shù)不小于安全系數(shù)而不是1），滑塊沿坡向的長度取臨界長度的做法，因穩(wěn)定部分與非穩(wěn)定部分邊界位置偏前而使支護力偏小。此外，當(dāng)坡形較復(fù)雜、因巖性變化導(dǎo)致巖土體重度及結(jié)構(gòu)面強度隨位置變化時，對應(yīng)于穩(wěn)定系數(shù)等于安全系數(shù)的滑塊長度也難以通過一個解析式求得。

因此，當(dāng)結(jié)構(gòu)面傾角較小時，單塊剛體極限平衡法這種計算方式是不合適的，應(yīng)采用條分法，此法能將土質(zhì)滑體中的負(fù)值推力設(shè)定為0。但當(dāng)滑面傾角很大時，巖土體中的穩(wěn)定部分規(guī)模極小，忽略這部分的影響引起的誤差很小。根據(jù)結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角一般小于45°但結(jié)構(gòu)面上還有粘聚力起抗滑作用這一情況，滑面傾角大于45°時采用單塊剛體極限平衡法引起的誤差應(yīng)較小。故建議當(dāng)直線形滑面傾角不超過45°時采用條分法。值得注意的是，為減小誤差，分條應(yīng)足夠多，但當(dāng)在穩(wěn)定性計算中發(fā)現(xiàn)某一條塊的推力已大于0時，在簡單地形條件下，該條塊以下的巖土體可視為一個條塊，不用再分條計算。

在某些情況下，邊坡前部巖土體可能有更低的穩(wěn)定系數(shù)。當(dāng)需要求出邊坡最小穩(wěn)定系數(shù)時，可根據(jù)實際地形和變形開裂情況或通過搜索找出對應(yīng)于最小穩(wěn)定系數(shù)的滑體后緣邊界。此時，無論滑面傾角如何，均可采用單塊剛體極限平衡法。

應(yīng)當(dāng)指出，當(dāng)前的直線形滑面邊坡支護力計算，不僅存在條塊劃分的簡單化問題，更存在支護力大小（無論是按主動土壓力概念算出的還是按剩余下滑力概念算出的）與穩(wěn)定系數(shù)達到安全系數(shù)的要求矛盾以及支護力大小本身自相矛盾的問題，對于后者，筆者已有文章[1,4,5]進行分析并提出建議。

3　結(jié)論

（1）穩(wěn)定性和支護力計算時，土層廣布、巖質(zhì)部分有外傾結(jié)構(gòu)面的土巖組合邊坡整體應(yīng)視為非均質(zhì)邊坡，滑面應(yīng)穿過土層且滑面整體不呈直線，對滑面的土質(zhì)部分應(yīng)采用土體抗剪強度指標(biāo)，只有在上覆土層很薄時才可簡化為有土層超載的直線形滑面邊坡，不加區(qū)分地視為有土層超載的直線形滑面邊坡可能導(dǎo)致穩(wěn)定系數(shù)偏大，支護力偏小。

（2）在支護力計算中，填土沿基巖面滑動的土巖組合邊坡的滑面，不區(qū)分情況一律視為直線形是不恰當(dāng)?shù)模钔裂鼗鶐r面滑動的土巖組合邊坡、填土沿原地面滑動的邊坡和原土沿基巖面滑動的邊坡，其滑面形態(tài)是采用折線形、直線形、圓弧形均應(yīng)根據(jù)基巖面和土層層面實際形態(tài)最接近何種形態(tài)來確定。

（3）在支護力計算中，無外傾結(jié)構(gòu)面的土質(zhì)邊坡和巖質(zhì)邊坡，其滑面視為直線形是不合適的，可簡化為圓弧形。

（4）在直線形滑面邊坡穩(wěn)定性和支護力計算中，當(dāng)結(jié)構(gòu)面傾角較小時，采用單塊剛體極限平衡法可能導(dǎo)致失穩(wěn)范圍偏大或偏小、支護力偏小，建議：除確定最小穩(wěn)定系數(shù)的計算外，當(dāng)直線形滑面傾角不超過45°時采用條分法。

[1]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）：190-195.

[2]建設(shè)部.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.

[3]建設(shè)部.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.

[4]方玉樹.滑坡支擋結(jié)構(gòu)荷載取值問題研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報.2007（2）：200-204.

[5]方玉樹.從平面滑動思考滑坡支擋結(jié)構(gòu)荷載取值問題[J].工程勘察.2009（9）：7-8.

責(zé)任編輯：孫蘇，李紅

Recognition and Stability and Supporting Force Calculation of Slope with Linear Slip Surface

In practical slope engineering,the earth-rock combined slope,with widely spread soil and part of the rock with extroversion joint,is usually regarded as slope of linear slide surface with overloading soil,and even the earth-rock combined slope with filling soil sliding along the bedrock surface, soil slope without extroversion joint and rock slope are also viewed as linear slide surface.The single chunk limit equilibrium method is often applied to calculate the stability and supporting force of the linear slide surface.The existing problems in the method are analyzed with suggestions presented.

linear slide surface;slope;recognition;stability calculation;supporting force calculation

U416.1+4

A

1671-9107（2015）07-0032-02

10.3969／j.issn.1671-9107.2015.07.032

2015-06-15

方玉樹（1958-），男，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(guān)的研究和勘察設(shè)計工作。