【摘要】本文對(duì)存在外傾結(jié)構(gòu)面的巖質(zhì)邊坡進(jìn)行受力分析，建立在抗滑樁提供的抗力、滑體重力、滑面強(qiáng)度提供的抗滑力、滑面對(duì)滑體提供的支撐力作用下保持“平衡”的力學(xué)模型，并建立了抗滑樁提供的抗力力值與平面滑動(dòng)法中剩余下滑力力值的關(guān)系式，關(guān)式表明：無(wú)論采用剩余下滑力力值還是采用其水平分力力值作為支擋結(jié)構(gòu)的荷載取值，都不能確保工程設(shè)計(jì)的安全性。

【關(guān)鍵詞】外傾結(jié)構(gòu)面;巖質(zhì)邊坡;抗滑樁提供的抗力;剩余下滑力力值? ? ? ? ? ?【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.34.078

1、引言

隨著城市的發(fā)展，工程建設(shè)大量開(kāi)展，建設(shè)空間越來(lái)越狹窄，很多城市特別在重慶，大量的工程建設(shè)開(kāi)始向地下空間發(fā)展，地下空間的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，勢(shì)必會(huì)形成大量的挖方巖質(zhì)邊坡，巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題越來(lái)越受到工程的重視，穩(wěn)定性主要受兩種情況控制：一種為無(wú)外傾結(jié)構(gòu)面（外傾結(jié)構(gòu)面系指傾向與坡向的夾角小于30°的外傾結(jié)構(gòu)面（1））的邊坡，穩(wěn)定性受巖體強(qiáng)度控制;另一種為有外傾結(jié)構(gòu)面的邊坡，穩(wěn)定性受結(jié)構(gòu)面性狀控制。針對(duì)該類有外傾結(jié)構(gòu)面巖質(zhì)邊坡的治理，抗滑樁支護(hù)結(jié)構(gòu)以施工方便、布置靈活、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)在空間狹窄的施工現(xiàn)場(chǎng)得到了廣泛地應(yīng)用。

在抗滑樁設(shè)計(jì)時(shí)，作用在抗滑樁上的荷載取值問(wèn)題在工程界做法不一，但大體上有兩種做法：（1）以傳遞系數(shù)法（或平面滑動(dòng)法）為基礎(chǔ)，取支擋結(jié)構(gòu)處的剩余下滑力作為支擋結(jié)構(gòu)上的荷載，文獻(xiàn)3中的條文說(shuō)明對(duì)這一方法予以肯定，認(rèn)為是“切合實(shí)際”。（2）剩余下滑力的作用方向?yàn)檠鼗蚍较蚺c抗滑樁支擋結(jié)構(gòu)提供的抗滑力水平方向不一致，采用剩余下滑力作為支擋結(jié)構(gòu)荷載是合適的。很顯然，第一種做法的設(shè)計(jì)者認(rèn)采用剩余下滑力值作為支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載使工程設(shè)計(jì)安全，而第二種做法的設(shè)計(jì)者認(rèn)為采用剩余下滑力值作為支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載使工程設(shè)計(jì)不夠經(jīng)濟(jì)。

2、巖質(zhì)邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)常用的荷載計(jì)算

巖質(zhì)邊坡主要是指在工程建設(shè)過(guò)程中，進(jìn)行土石方開(kāi)挖形成的坡體主要為巖體的邊坡，根據(jù)邊坡坡向與巖體結(jié)構(gòu)面傾向不同，有外傾結(jié)構(gòu)面的巖質(zhì)邊坡（順向邊坡）、無(wú)外傾結(jié)構(gòu)面巖質(zhì)邊坡，針對(duì)邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載取值，業(yè)界認(rèn)識(shí)各不相同，以下兩種情況為常用的計(jì)方法。

對(duì)無(wú)外傾結(jié)構(gòu)面巖質(zhì)邊坡，邊坡的穩(wěn)定性主要由巖體強(qiáng)度控制，通常以巖體等效內(nèi)摩擦角按側(cè)向土壓力方法計(jì)算巖石壓力并將其作為支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載，當(dāng)坡頂有重要建（構(gòu)）筑物時(shí)，根據(jù)建（構(gòu)）筑物基礎(chǔ)埋深及距坡腳線的水平距離進(jìn)行修正，當(dāng)基礎(chǔ)外邊緣距腳線的水平距離小于基礎(chǔ)深埋一半時(shí)，取以巖體等效內(nèi)摩擦角取主動(dòng)土壓力方法計(jì)算，并根據(jù)邊坡巖體類型進(jìn)行修正。當(dāng)基礎(chǔ)外邊緣距腳線的水平距離不小于基礎(chǔ)深埋一半時(shí)，取以巖體等效內(nèi)摩擦角取主動(dòng)土壓力方法計(jì)算巖體側(cè)壓力。

對(duì)有外傾結(jié)構(gòu)面（潛在滑面）的邊坡，一般邊坡穩(wěn)定性由結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度和巖體強(qiáng)度其中較弱者控制，支護(hù)結(jié)構(gòu)荷載一般取剩余下滑力與巖土側(cè)壓力兩者較大值。當(dāng)外傾結(jié)構(gòu)面為硬性結(jié)構(gòu)面時(shí)，巖土側(cè)壓力應(yīng)分別以外傾硬性結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度參數(shù)按《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB50330-2013）中6.3.1條的方法計(jì)算和以巖體等效內(nèi)摩擦角按側(cè)向土壓力計(jì)算出的巖體側(cè)壓力，取兩都較大值;當(dāng)坡頂有重要建筑物時(shí)，巖體側(cè)壓力應(yīng)進(jìn)行修正。

針對(duì)有外傾結(jié)構(gòu)面的邊坡，當(dāng)由結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度控制邊坡穩(wěn)定性時(shí)，將剩余下滑力作為支護(hù)結(jié)構(gòu)上的作用荷載是最為常見(jiàn)的一種取值方法。筆者認(rèn)為有外傾結(jié)構(gòu)面的巖質(zhì)邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)的目的是在抗滑樁提供的抗力、滑體重力、滑面強(qiáng)度提供的抗滑力、滑面對(duì)滑體提供的支撐力作用下保持“平衡”（這里的平衡是考慮了一定安全余度的平衡，如考慮一定的安全系數(shù)下，擴(kuò)大下滑力）的一種簡(jiǎn)化的平面力系，并非一種單一的下滑力與支擋力作用的簡(jiǎn)單的二力“平衡”。本文基于這種理念建立了抗滑樁提供的抗力力值與平面滑動(dòng)法中剩余下滑力力值的關(guān)系。

3、滑體作用力分析

假設(shè)有外傾結(jié)構(gòu)面的巖質(zhì)邊坡，巖層層面平直，不受地下水作用，坡頂無(wú)荷載等，滑體受到的荷載有自重G、抗滑樁的支擋作用力F、滑面強(qiáng)度產(chǎn)生的抗滑力f、滑面對(duì)滑體提供的支撐力N，設(shè)巖層層面傾角為α，滑體受力簡(jiǎn)圖如圖1

根據(jù)建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范（GB50330-2013）A.0.2平面滑動(dòng)法計(jì)算邊坡穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算公式（A.0.2-1），邊坡剩余下滑力P可用下式表示：

（1）

式中：P—剩余下滑力（kN/m）;

T—下滑力（kN/m）;

R—抗滑力（kN/m）;

Fs—邊坡安全系數(shù);

在不考慮坡頂荷載和后緣裂隙水壓力及滑面水壓力情況下，滑體受力如圖1所示，

由式（1）有：

（2）

式中：c —滑面的黏聚力（kPa）;

—滑面的內(nèi)摩擦角（°）;

l —滑面長(zhǎng)度（m）。

當(dāng)在支擋結(jié)構(gòu)支擋力F作用下對(duì)滑體進(jìn)行受力分析可知：

下滑面抗滑力：

（3）

支擋結(jié)構(gòu)在滑面處的抗滑分力為： ;滑面處下滑力為： ;

根據(jù)平面滑動(dòng)法則：

（4）

即：

（5）

由式（2）、式（5）得：

（6）

當(dāng)時(shí)，P>F，則用剩余下滑力作為支擋結(jié)構(gòu)上作用荷載時(shí)，荷載偏大，不經(jīng)濟(jì);當(dāng)時(shí)，P<F ，則用剩余下滑力作為支擋結(jié)構(gòu)上作用荷載時(shí)，荷載偏小，不安全;

令：

（7）

根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系式有：

（8）

由于 ，則 ;因此當(dāng)時(shí)，Y>0，P>F;時(shí)，Y>0，P<F;時(shí)，Y=0，P=F;

由此可見(jiàn)無(wú)論采用剩余下滑力力值還是采用其水平分力力值作為支擋結(jié)構(gòu)的荷載取值，都不能確保工程設(shè)計(jì)的安全性，是造成工程設(shè)計(jì)不經(jīng)濟(jì)還是不安全與滑面傾角及滑面內(nèi)摩擦角有關(guān)，巖層層面傾角越陡，層面結(jié)合越差，采用剩余下滑力作為支擋結(jié)構(gòu)上作用荷載時(shí)，越不安全。巖層層面傾角較緩時(shí)，層面結(jié)合較好，采用剩余下滑力作為支擋結(jié)構(gòu)上作用荷載時(shí)，安全性較好，經(jīng)濟(jì)性較差。

4、工程實(shí)例

某場(chǎng)地巖體為中風(fēng)化砂巖泥巖互層，巖層產(chǎn)狀為102°∠25°，場(chǎng)地體發(fā)育兩組裂隙分別為J1：產(chǎn)狀290 ° ∠56 °，J2：產(chǎn)狀192°∠80°，根據(jù)設(shè)計(jì)方案平場(chǎng)后，將形成高度不等、坡向各異的巖質(zhì)基坑邊坡，垂直開(kāi)挖。根據(jù)場(chǎng)地內(nèi)勘察報(bào)告，巖體平均重度取24.8kN/m3，巖層層面內(nèi)摩擦角取16 °，內(nèi)粘聚力取25kPa，裂隙面內(nèi)摩擦角取18 °，內(nèi)粘聚力取50kPa，邊坡安全等級(jí)為一級(jí)，安全系數(shù)取1.35。

當(dāng)巖層層面為外傾結(jié)構(gòu)面時(shí)有： ，F(xiàn)=0.97P;

當(dāng)裂隙J1為外傾結(jié)構(gòu)面時(shí)有： ，F(xiàn)=1.21P;

當(dāng)裂隙J2為外傾結(jié)構(gòu)面時(shí)有： ，F(xiàn)=1.93P;

上述計(jì)算結(jié)果表明：在該場(chǎng)地內(nèi)，若巖質(zhì)邊坡為順向邊坡，邊坡穩(wěn)定性由巖層層面強(qiáng)度控制，采用剩余下滑力為支擋結(jié)構(gòu)上的荷載時(shí)，工程設(shè)計(jì)安全好，經(jīng)濟(jì)性差;若巖質(zhì)邊坡存在裂隙J1外傾結(jié)構(gòu)面或裂隙J2外傾結(jié)構(gòu)面時(shí)，采用剩余下滑力為支擋結(jié)構(gòu)上的荷載時(shí)，工程設(shè)計(jì)安全性差。在外傾結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度一定的情況下，結(jié)構(gòu)面傾角越陡，采用剩余下滑力為支擋結(jié)構(gòu)上的荷載時(shí)，安全性越差。

結(jié)論：

本文對(duì)存在外傾結(jié)構(gòu)面的巖質(zhì)邊坡進(jìn)行受力分析，建立在抗滑樁提供的抗力、滑體重力、滑面強(qiáng)度提供的抗滑力、滑面對(duì)滑體提供的支撐力作用下保持“平衡”的力模型，并建立了抗滑樁提供的抗力力值與平面滑動(dòng)法中剩余下滑力力值的關(guān)系式。并通過(guò)工程實(shí)例對(duì)新的計(jì)算公式進(jìn)行了驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：

（1）無(wú)論采用剩余下滑力力值還是采用其水平分力力值作為支擋結(jié)構(gòu)的荷載取值，都不能確保工程設(shè)計(jì)的安全性。

（2）當(dāng)時(shí)，平面滑動(dòng)法中剩余下滑力力值大于抗滑樁提供的抗力力值;當(dāng)時(shí)，Y>0，平面滑動(dòng)法中剩余下滑力力值小于抗滑樁提供的抗力力值;時(shí)，平面滑動(dòng)法中剩余下滑力力值等于抗滑樁提供的抗力力值。

（3） 在外傾結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度一定的情況下，結(jié)構(gòu)面傾角越陡，采用剩余下滑力為支擋結(jié)構(gòu)上的荷載時(shí)，安全性越差。

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作者簡(jiǎn)介：

袁恒，1983年生，男，湖北黃岡人，高級(jí)工程師，主要從事巖土工程勘察設(shè)計(jì)及施工質(zhì)量檢測(cè)工作。