近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城鄉(xiāng)建設(shè)相繼出現(xiàn)了多項(xiàng)規(guī)模巨大、影響面廣的大型工程。我國地形地貌復(fù)雜多樣，分布著大量的山地、高原、丘陵、盆地等，部分工程項(xiàng)目建設(shè)區(qū)域普遍存在地形復(fù)雜、山勢(shì)陡峭、高差較大、高填深挖等現(xiàn)象，使得高邊坡問題成為工程建設(shè)領(lǐng)域常見重要問題之一，尤其是巖石高邊坡問題已成為工程領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，給工程建設(shè)項(xiàng)目的投資、施工、工期、環(huán)境、安全運(yùn)營等帶來巨大影響。本文在分析規(guī)范對(duì)不超過30m的高邊坡設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，總結(jié)現(xiàn)階段巖質(zhì)超限邊坡在安全系數(shù)、參數(shù)選擇、地質(zhì)調(diào)查和勘察方法、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)等方面存在的問題，并對(duì)超限邊坡在設(shè)計(jì)參數(shù)選擇、變形計(jì)算、暴雨工況、施工爆破工況等方面的設(shè)計(jì)作出展望。

規(guī)范對(duì)不超過30m的高邊坡設(shè)計(jì)要求及現(xiàn)狀

建筑、公路和市政設(shè)計(jì)規(guī)范[1]-[3]中都把30m作為超限邊坡分界，而對(duì)于30m以下的巖質(zhì)高邊坡、無外傾軟弱結(jié)構(gòu)面的巖質(zhì)挖方邊坡，則按坡率法進(jìn)行設(shè)計(jì)。具體情況見表1。

建筑、公路和市政在III、IV類巖質(zhì)邊坡坡率取值基本一致，但建筑邊坡規(guī)范在I、II類坡率更大，而公路、市政工程坡率更小。上述規(guī)定的不一致，致使出現(xiàn)了公路、市政高邊坡坡率比較平緩、建筑高邊坡相對(duì)陡峭的現(xiàn)狀。

表1 公路、市政路基和建筑邊坡規(guī)范關(guān)于巖質(zhì)挖方邊坡坡率表

表2 公路、市政路基和建筑邊坡規(guī)范關(guān)于邊坡的安全系數(shù)

上述規(guī)范規(guī)定的坡率成為設(shè)計(jì)單位的重要參考標(biāo)準(zhǔn)，客觀上造成超限邊坡的最終設(shè)計(jì)邊坡只能小于上述坡率，若超限邊坡采用坡率法進(jìn)行設(shè)計(jì)，坡口占地范圍會(huì)隨著邊坡高度的增加越來越大，否則只能采取邊坡加固增加坡率的方案，最終將造成單個(gè)工點(diǎn)的邊坡造價(jià)越來越高，嚴(yán)重影響項(xiàng)目的推動(dòng)和實(shí)施。

邊坡的穩(wěn)定坡率受邊坡的坡高、巖體的產(chǎn)值、質(zhì)量等級(jí)、巖體的力學(xué)參數(shù)、施工方案、項(xiàng)目使用壽命、周圍環(huán)境等多重因素影響。在上世紀(jì)七八十年代西南地區(qū)設(shè)計(jì)建設(shè)的低等級(jí)公路項(xiàng)目中，存在大量陡峭的邊坡，許多邊坡一坡到頂，最大邊坡高度達(dá)50m ～60m，坡率均大于表1所示邊坡坡率，坡率表與作為穩(wěn)定性的邊坡安全系數(shù)并不匹配。巖質(zhì)超限邊坡坡率，應(yīng)按數(shù)值分析法所得出的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果來確定。

超限邊坡現(xiàn)狀及存在問題

穩(wěn)定計(jì)算

建筑邊坡規(guī)范對(duì)超限邊坡的設(shè)計(jì)和施工應(yīng)進(jìn)行專門的論證。

城市道路路基設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)超限邊坡規(guī)定為：宜綜合采用工程地質(zhì)類比法、圖解分析法、極限平衡法和數(shù)值分析法進(jìn)行穩(wěn)定評(píng)價(jià)，再進(jìn)行個(gè)別設(shè)計(jì)。

公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)超限邊坡規(guī)定為：應(yīng)遵循“以定性分析為基礎(chǔ)、定量計(jì)算為手段”的原則，進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。穩(wěn)定計(jì)算方法主要有簡化Bishop、平面滑動(dòng)面解析法、不平衡推力法、持平投影法和實(shí)體比例投影分析法及楔形滑動(dòng)面法、數(shù)值分析法。

邊坡安全系數(shù)

不同規(guī)范對(duì)邊坡安全系數(shù)要求如表2所示。

邊坡是否處于穩(wěn)定狀態(tài)是進(jìn)行邊坡分析的首要問題，目前國內(nèi)外常用的辦法是采取邊坡穩(wěn)定系數(shù)分析法?？蒲袉挝?、高校、工程設(shè)計(jì)單位都十分重視安全系數(shù)，并進(jìn)行了大量的研究，但由于行業(yè)、工程重要性、習(xí)慣經(jīng)驗(yàn)、區(qū)域差異等方面的不同，導(dǎo)致設(shè)計(jì)安全系數(shù)比較混亂，各行業(yè)以及不同地區(qū)所采用的設(shè)計(jì)安全系數(shù)存在較大差異。即使同一行業(yè)在進(jìn)行某一具體工程項(xiàng)目安全系數(shù)取值時(shí)，不同人員采用的不同計(jì)算模式、方法，也會(huì)對(duì)安全系數(shù)的結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，通常需要通過人為提高安全系數(shù)的方式來提高安全度。邊坡是否穩(wěn)定是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜、非簡單的線性關(guān)系，邊坡的狀態(tài)是動(dòng)態(tài)、開放的，施工爆破、地震等都會(huì)對(duì)邊坡的軟弱夾層產(chǎn)生巨大影響，軟弱夾層穩(wěn)定系數(shù)降幅約30%～35%，遠(yuǎn)大于一般5%～10%的假設(shè)。規(guī)范僅考慮了暴雨或連續(xù)降雨工況，研究表明，邊坡軟弱夾層強(qiáng)度在長期地下水作用下會(huì)顯著下降，僅為直剪強(qiáng)度的64%。采用單一的安全系數(shù)難以滿足實(shí)際需要，相關(guān)分析評(píng)價(jià)體系亟待進(jìn)一步完善。

邊坡力學(xué)參數(shù)取值

巖體力學(xué)參數(shù)相對(duì)于土體力學(xué)而言，更不易獲得。市政工程邊坡參數(shù)取值參考建筑工程邊坡，建筑和公路行業(yè)的規(guī)范多優(yōu)先采取工程巖土試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)獲得相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)或結(jié)合經(jīng)驗(yàn)值的方法，在結(jié)構(gòu)面、巖體抗剪指標(biāo)值取值規(guī)定上基本一致。

根據(jù)大量工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來的結(jié)果，建筑邊坡工程可采用等效內(nèi)摩擦角參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，其標(biāo)準(zhǔn)值見表3。

邊坡工程設(shè)計(jì)，首先要選擇巖體設(shè)計(jì)參數(shù)。參數(shù)選取是邊坡設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，關(guān)系到工程的成敗。采用原位試驗(yàn)方法確定巖體強(qiáng)度參數(shù)比較合理，但是現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)需要較長時(shí)間，費(fèi)用昂貴。目前，大部分勘察設(shè)計(jì)單位多采用經(jīng)驗(yàn)法提供巖土參數(shù)，等效內(nèi)摩擦是其中最為重要的一項(xiàng)參數(shù)。然而相關(guān)研究表明，等效內(nèi)摩擦角并不是真正的巖體等效內(nèi)摩擦角的近似值，導(dǎo)致抗滑設(shè)計(jì)失去閾值。對(duì)于粘聚力遠(yuǎn)大于土體和軟弱結(jié)構(gòu)面受強(qiáng)度控制的巖質(zhì)邊坡，建議舍棄等效內(nèi)摩擦角概念[5]。在進(jìn)行巖質(zhì)超限邊坡設(shè)計(jì)前，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)周邊既有人工高邊坡、天然高邊坡、采石場(chǎng)、天然斷裂面等方面的調(diào)查，尤其是對(duì)開挖高度、巖層產(chǎn)值、結(jié)構(gòu)面高度類似的邊坡展開深入研究，為超限邊坡的判斷提供依據(jù)。

巖質(zhì)超限邊坡設(shè)計(jì)存在的其他問題

近年來，雖然我國在高邊坡破壞變形機(jī)理、穩(wěn)定評(píng)價(jià)、邊坡加固、邊坡監(jiān)測(cè)等方面的研究取得巨大進(jìn)展，但是從勘察設(shè)計(jì)方面進(jìn)行分析，仍存在一些不足：

一是過于注重研究鉆孔巖芯照片，區(qū)域地質(zhì)資料調(diào)查不夠全面，對(duì)水文地質(zhì)、區(qū)域地質(zhì)、邊坡地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查不夠詳細(xì)，對(duì)周邊既有高邊坡的調(diào)查、分析和評(píng)價(jià)不夠充分和全面。

二是勘察技術(shù)投入不夠、手段落后，多采用小孔徑的單管鉆探法，對(duì)巖體擾動(dòng)、破壞較大，不能有效評(píng)價(jià)巖體的傾向、傾角及軟弱結(jié)構(gòu)面的狀況；缺少必要的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，巖土參數(shù)多以間接方法獲得，尤其是軟弱結(jié)構(gòu)面評(píng)價(jià)，參數(shù)取值依據(jù)不足，也不合理。

三是我國的科研單位、高校學(xué)者雖然在邊坡穩(wěn)定計(jì)算、參數(shù)選取、參數(shù)反算、變形預(yù)測(cè)、室內(nèi)試驗(yàn)等方面做了大量工作，但是高邊坡設(shè)計(jì)工作大部分是由國內(nèi)各家設(shè)計(jì)院承擔(dān)，理論與實(shí)際脫離，致使許多理論研究沒有應(yīng)用到具體的工程中，不能解決具體的工程問題。

四是邊坡動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的理念沒有得到有效貫徹。目前，國內(nèi)大部分市政、公路、建筑工程多由設(shè)計(jì)和施工兩家不同的單位承擔(dān)。在設(shè)計(jì)階段，為了保證邊坡安全，設(shè)計(jì)單位采用大量的錨桿、錨索對(duì)邊坡進(jìn)行加固或調(diào)整坡率的方法，確保邊坡系數(shù)足夠大，設(shè)計(jì)過于保守。同時(shí)在施工階段，存在對(duì)邊坡的開挖、工序、加固、排水等環(huán)節(jié)重視不夠的現(xiàn)象，由于受制于現(xiàn)有建設(shè)程序和制度約束，為了避免不必要的變更等，如若邊坡未出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，設(shè)計(jì)單位也不會(huì)根據(jù)邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)整邊坡設(shè)計(jì)參數(shù)，邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)未能得到有效利用。

表3 邊坡巖體等效內(nèi)摩察角標(biāo)準(zhǔn)值

超限邊坡設(shè)計(jì)展望及建議

采用工程類比法

工程地質(zhì)具有高度的關(guān)聯(lián)性、相似性和可比性，建設(shè)工程不是孤立的。工程地質(zhì)類比法相比較其他方法，更具有可靠、方便、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)。在進(jìn)行巖質(zhì)超限邊坡設(shè)計(jì)前，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)周邊既有人工高邊坡、天然高邊坡、采石場(chǎng)、天然斷裂面等方面的調(diào)查，尤其是對(duì)開挖高度、巖層產(chǎn)值、結(jié)構(gòu)面高度類似的邊坡展開深入研究，為超限邊坡的判斷提供依據(jù)。建議對(duì)類似的穩(wěn)定邊坡，反算邊坡巖體、結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)。

優(yōu)化邊坡暴雨設(shè)計(jì)工況

現(xiàn)階段，高邊坡設(shè)計(jì)在暴雨或連續(xù)暴雨階段的安全穩(wěn)定系數(shù)多小于一般工況，許多公路、鐵路項(xiàng)目的高邊坡在雨季施工期經(jīng)常出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象。相關(guān)研究表明，巖石浸水后會(huì)發(fā)生軟化、膨脹、崩解等現(xiàn)象，巖石的強(qiáng)度隨含水率增加不斷下降，最終達(dá)到一個(gè)平穩(wěn)值。有的巖體單軸抗壓強(qiáng)度下降高達(dá)50%，粉質(zhì)泥巖、砂巖的粘聚力降幅高達(dá)50%，強(qiáng)風(fēng)化花崗巖的粘聚力降幅達(dá)33%。具體情況如表4所示。

表4 邊坡巖土內(nèi)摩擦的折減系數(shù)

暴雨工況下，巖石的軟化程度采用表4計(jì)算出來的安全系數(shù)顯然過小，與實(shí)際情況不符。在施工階段，不同坡級(jí)受暴雨浸泡的時(shí)間也不盡相同，位于不同高度處的邊坡采用同一安全系數(shù)也不合理。為此，建議根據(jù)巖石類型、結(jié)構(gòu)面分布，加強(qiáng)觀測(cè)和原位測(cè)試，建立巖體強(qiáng)度與時(shí)間周期的本構(gòu)關(guān)系，從而計(jì)算出邊坡不同位置、時(shí)間的安全系數(shù)。

引入應(yīng)力位移場(chǎng)等邊坡計(jì)算新方法

現(xiàn)有的國內(nèi)邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定主要集中在邊坡的破壞機(jī)理、穩(wěn)定性方面，應(yīng)用最多的方法是極限平衡法，而變形計(jì)算規(guī)范規(guī)定主要集中在支護(hù)結(jié)構(gòu)，如擋土墻、抗滑樁、錨桿、錨索等方面。實(shí)際上邊坡情況異常復(fù)雜，同一高度不同巖土類型的邊坡會(huì)產(chǎn)出不同的變形，即使同一高度、同一巖土類型的邊坡在不同工況、邊坡位置、不同時(shí)間變形也會(huì)不同，在實(shí)際工程中與變形對(duì)應(yīng)的安全穩(wěn)定性問題成為一個(gè)難點(diǎn)和棘手問題。國內(nèi)，楊光華[6]、韓小雷[7]等學(xué)者對(duì)應(yīng)力位移場(chǎng)和邊坡安全等進(jìn)行了研究并取得了較大進(jìn)展。設(shè)計(jì)單位有必要引入應(yīng)力位移場(chǎng)等邊坡計(jì)算新方法進(jìn)行邊坡設(shè)計(jì)，以指導(dǎo)設(shè)計(jì)、施工和監(jiān)測(cè)。

完善巖石爆破設(shè)計(jì)及施工

巖石邊坡經(jīng)常采用爆破法，爆破會(huì)對(duì)巖體周圍產(chǎn)生不同程度的破壞，尤其是順層巖質(zhì)邊坡，致使許多邊坡在施工過程中經(jīng)常出現(xiàn)垮塌、滑坡現(xiàn)象。爆破會(huì)引起軟弱泥化層水膜化，使泥化夾層的抗剪強(qiáng)度大幅降低，有的甚至接近于零，還會(huì)引起高應(yīng)力巖體卸載，在邊坡頂部產(chǎn)生開裂、倒變形破壞。由此可見，爆破的施工工況計(jì)算、施工方案對(duì)邊坡工程非常重要。

爆破荷載作用的巖質(zhì)邊坡安全系數(shù)、安全閾值、變形分析，采用動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征法進(jìn)行分析，顯然比擬靜力法更加接近事實(shí)情況、更加科學(xué)，能夠更好地反映邊坡的真實(shí)狀態(tài)。邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范及施工應(yīng)引進(jìn)邊坡動(dòng)力法的相關(guān)研究成果，增加施工爆破工況驗(yàn)算內(nèi)容，并針對(duì)不同巖層、坡段位置采取不同的安全措施。

結(jié)論

基于上述分析，本研究得出以下結(jié)論：

一是規(guī)范規(guī)定的30m以下高邊坡坡率法不能真實(shí)反映邊坡的安全狀態(tài)，超限邊坡的坡率設(shè)計(jì)不應(yīng)受規(guī)范規(guī)定的最大坡率限制，應(yīng)以穩(wěn)定計(jì)算方式確定。規(guī)范在設(shè)計(jì)安全系數(shù)上比較混亂，各行各業(yè)取值差異較大，采用單一的安全系數(shù)難以滿足實(shí)際需要，必須完善分析評(píng)價(jià)體系；二是建議巖質(zhì)超限邊坡在參數(shù)取值方面，不采用等效內(nèi)摩擦角進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，推薦采用工程類比法反算巖體參數(shù)，尤其是粘聚力，加強(qiáng)工程地質(zhì)調(diào)查和原位測(cè)試。要獲得高質(zhì)量的超限邊坡設(shè)計(jì)，必須落實(shí)好邊坡動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)；三是建立巖體強(qiáng)度與時(shí)間周期的本構(gòu)關(guān)系，采用應(yīng)力位移場(chǎng)建立邊坡變形與安全穩(wěn)定性性關(guān)聯(lián)；四是超限邊坡設(shè)計(jì)需完善暴雨工況內(nèi)容，根據(jù)巖石軟化指標(biāo)、坡率位置制定不同穩(wěn)定系數(shù)。存在軟弱夾層、順層產(chǎn)狀的超限邊坡在施工爆破過程中易出現(xiàn)垮塌、滑坡等現(xiàn)象，建議在巖質(zhì)超限邊坡的穩(wěn)定分析中引入采用動(dòng)力法，并完善邊坡施工工況驗(yàn)算。