張振海

(上海新榮陽投資控股集團，上海 200082)

中國經濟正處于飛速發(fā)展階段，基礎設施建設發(fā)展迅速。然而，中國地域遼闊，地形、地質條件復雜，山區(qū)與丘陵地區(qū)的基本建設工程(鐵路、公路、水利、水電及建筑等)，往往需要對所處的自然邊坡進行改造，滿足工程建設的需要，從而不可避免地涉及到邊坡工程。隨著國家重大項目的不斷開展,復雜地質條件下的邊坡支護問題逐漸成為國內外研究的一大難題,“安全、經濟、有效”的支護方案成為學者與工程師群體不斷研究的重點。

邊坡承載著自身的安全與保護建筑物的安全使命，同時也體現(xiàn)在經濟性、技術可行性、美觀性、保護環(huán)境性等多個方面；特別是其中的經濟性方面尤為重要，甚至決定著邊坡類型的選擇。其根源在于邊坡自身不產生直接的使用價值(間接價值是保護建筑物)，因而其自身所發(fā)生的費用可以稱為“無效”成本，故追求其成本之最小化往往是治理的重點與難點。

邊坡工程穩(wěn)定性研究沿革已久，最早涉及此問題是英國學者查理士·萊伊爾(Charles Lyell)，在1830年—1833年所著《地質學原理》中首次提出滑坡[1]；其后國外有代表性的學者為鄧肯(Duncan J M),對邊坡的穩(wěn)定性問題進行了系統(tǒng)性的研究與闡述[2]。相比于國外，中國的學術理論與工程實踐方面的研究相對較晚，但近幾十年來國內的研究明顯加快，緣于號稱“基建狂魔”的國內大量理論發(fā)展與工程實踐，兩者相得益彰，互相推進了彼此的進一步向前發(fā)展(理論的創(chuàng)新應用與實踐的技術水平)。

本文正是基于此背景以華北某邊坡治理為案例，為邊坡治理的技術可行性、經濟合理性等方面研究提出一個方案演變與優(yōu)化的邏輯性工具，從而為治理邊坡提供一個因地制宜與借鑒的機制與理論范例，應用于類似的邊坡工程中。

研究案例的邊坡系正在建設的住宅小區(qū)邊緣，其原始邊坡垂直高差約30 m，而樓房邊緣距邊坡的側向距離只有一幢為3 m左右、另一幢為9 m左右；此邊坡的治理涉及到樓房的安全性，也涉及到小區(qū)場地的正常使用，如圖1,圖2所示。

1 巖層特征及力學參數(shù)

表1 巖層特征及力學參數(shù)fak

2 方案遴選的演變過程

本文遴選方案是基于穩(wěn)定性與安全性為原則，還關注到其排水性與景觀綠化的美觀性，以及涉及到本文的創(chuàng)新點：建筑物與邊坡的“側向限制距離”，即側限1.5倍～2.0倍的安全經驗系數(shù)(根據(jù)本文研究統(tǒng)計大量設計案例與施工案例得出規(guī)律。按1.5倍深度的水平側向距離，基本能夠滿足常規(guī)建筑物安全要求；按2.0倍深度的水平側向距離，基本滿足填后黏聚力較小或內摩擦角較小的土壤所承載建筑物安全要求)。

針對上述原則，本文邊坡治理前后制定了五個方案，由于特殊地形與紅線以及涉及到附近居民住宅區(qū)域；方案是一個逐步選擇與演變的過程，并且這些方案各具特色與優(yōu)缺點，可以適應于不同的條件。而本案例則通過對比，選擇其中最適合的一個方案(近似于坡率法)進行實施，具體有如下幾種方案。

2.1 方案一(紅線內加筋土)

紅線內加筋土與攪拌樁與灌注樁的組合結構。此符合“頭輕、腳重(不明顯)、身固(不明顯)”的邊坡支護理念。也按常規(guī)的工程做法，在規(guī)定的紅線內進行施工，具體的做法如圖3所示。

2.1.1 技術分析

1)一般工狀應用圓弧穩(wěn)定畢肖普法。假設土條寬度3.00 m，搜索圓心步長3.00 m，搜索半徑步長1.00 m，滑動半徑50.19 m；計算得出結論：安全系數(shù)為1.4[4]，達到穩(wěn)定性要求[5]。2)地震工狀應用圓弧穩(wěn)定畢肖普法。假設地震烈度8度，土條寬度2.00 m，搜索圓心步長2.00 m，搜索半徑步長1.00 m，滑動半徑68.62 m；計算得出結論：安全系數(shù)為1.25，達到穩(wěn)定性要求。

2.1.2 經濟分析

成本與費用組成。由基礎處理、加筋處理、主體結構、土方回填共四個部分構成，總費用高達1.07億元，具體如表2所示。

表2 紅線內加筋土、攪拌樁與灌注樁的組合結構方案

2.1.3 利弊分析

本方案的優(yōu)點是在紅線內施工，不涉及到政府規(guī)劃的道路范圍，無需協(xié)調工作與拆遷民宅。缺點是成本巨大，達到1.07億元的數(shù)額，遠遠超過常規(guī)治理成本；其次是邊坡的景觀形象較差，很難進行綠化與美化。側限要求的約45 m(邊坡深度30 m×1.5倍)也達不到要求。

2.2 方案二(紅線內錨索)

紅線內錨索與攪拌樁與灌注樁的組合結構。此符合“頭輕、腳重(不明顯)、身固(更明顯)”的邊坡支護理念。也按常規(guī)的工程做法，在規(guī)定的紅線內進行施工，具體的做法如圖4所示。

2.2.1 技術分析

1)一般工狀應用瑞典條分法。假設土條寬度1.00 m，滑動半徑42.5 m，計算得出結論：安全系數(shù)為2.7；達到穩(wěn)定性要求。

2)地震工狀應用瑞典條分法。假設地震烈度8度，土條寬度1.0 m，滑動半徑58.1 m，計算得出結論：安全系數(shù)2.3；達到穩(wěn)定性要求。

2.2.2 經濟分析

成本與費用組成。由基礎結構、回填土方、主體結構、錨索共為四個部分構成，總費用達0.97億元，具體如表3所示。

表3 紅線內錨索和攪拌樁與灌注樁的組合結構方案

2.2.3 利弊分析

本方案的優(yōu)點是在紅線內施工，不涉及到政府規(guī)劃的道路范圍，無需協(xié)調工作與拆遷民宅。缺點是成本巨大，成本達到0.97億元。其次是邊坡的景觀形象較差，很難進行綠化與美化。側限要求的約45 m也達不到。

2.3 邊坡支護設計方案三(部分紅線外加筋土)

部分紅線外加筋土組合擋墻的結構。此符合“頭輕、腳重、身固”的邊坡支護理念。此方案已為非常規(guī)的工程做法，中部與底部已突出于規(guī)定的紅線外進行施工，具體的做法如圖5所示。

2.3.1 技術分析

1)一般工狀應用圓弧穩(wěn)定畢肖普法。假設土條寬度3.00 m，搜索圓心步長3.00 m，搜索半徑步長1.00 m，滑動半徑50.19 m，計算得出：安全系數(shù)為1.4，達到穩(wěn)定性要求。

2)地震工狀應用圓弧穩(wěn)定畢肖普法。假設地震烈度8度，土條寬度3.00 m，搜索圓心步長3.00 m，搜索半徑步長1.00 m，滑動半徑68.62 m，計算得出：安全系數(shù)為1.3，達到穩(wěn)定性要求。

2.3.2 經濟分析

成本與費用組成：由基礎結構、加筋土、主體結構、表層保護共四個部分構成，總費用減小到0.70億元，具體如表4所示。

表4 部分紅線外加筋土組合擋墻的結構方案

2.3.3 利弊分析

本方案的優(yōu)點是成本進一步降低，施工工藝相對簡單。缺點是下部在紅線外施工，涉及到政府規(guī)劃的道路范圍，需協(xié)調工作(但不需要拆遷民宅)；其次是邊坡的景觀形象較差，很難進行綠化與美化。側限要求的約45 m也達不到。

2.4 方案四(部分紅線外放坡與加筋土)

部分紅線外放坡組合加筋土的結構。此符合“頭輕、腳重(更明顯)、身固(上段)”的邊坡支護理念。已為非常規(guī)的工程做法，在規(guī)定的紅線外進行施工，具體的做法見圖6。

2.4.1 技術分析

1)一般工狀應用圓弧穩(wěn)定畢肖普法。假設土條寬度2.00 m，搜索圓心步長2.00 m，搜索半徑步長1.00 m，滑動半徑68.4 m，計算得出結論：安全系數(shù)為1.4，達到穩(wěn)定性要求。

2)地震工狀應用圓弧穩(wěn)定畢肖普法。假設地震烈度8度，土條寬度2.00 m，搜索圓心步長2.00 m，搜索半徑步長1.00 m，滑動半徑68.62 m，計算得出結論：安全系數(shù)為1.2，達到穩(wěn)定性要求。

2.4.2 經濟分析

成本與費用組成。由基礎處理、加筋土、土方放坡、表層保護、部分拆遷賠償共五個部分，總費用減小到0.34億元，具體如表5所示。

表5 部分紅線外放坡組合加筋土的結構方案

2.4.3 利弊分析

本方案的優(yōu)點是成本進一步降低，施工工藝相對簡單；其次是邊坡的景觀可以進行適當?shù)木G化與美化。缺點是下部在紅線外施工，涉及到政府規(guī)劃的道路范圍，需協(xié)調工作與拆遷部分民宅；側限要求的約45 m也達不到。

2.5 方案五(全部紅線外放坡與水泥土)

紅線外放坡組合水泥土的結構。此符合“頭輕、腳重(更明顯)、身固(上段)”的邊坡支護理念。已為非常規(guī)的工程做法，在規(guī)定的紅線外進行施工，包括上部、中部與下部，具體的做法如圖7所示。

2.5.1 技術分析

1)一般工狀應用圓弧穩(wěn)定畢肖普法。假設土條寬度2.00 m，搜索圓心步長2.00 m，搜索半徑步長1.00 m，滑動半徑73.4 m，計算得出：安全系數(shù)為1.9，達到穩(wěn)定性要求。

2)地震工狀應用圓弧穩(wěn)定畢肖普法。假設地震烈度8度，土條寬度2.00 m，搜索圓心步長2.00 m，搜索半徑步長1.00 m，滑動半徑81.62 m，計算得出：安全系數(shù)為1.7，達到穩(wěn)定性要求。

2.5.2 經濟分析

成本與費用組成。由基礎處理、加筋土、土方放坡、表層保護、拆遷賠償共五個部分構成，總費用進一步減小到0.32億元，具體如表6所示。

表6 全部紅線外放坡組合水泥土的結構方案

2.5.3 利弊分析

本方案的優(yōu)點是成本進一步降低，施工工藝更加簡單；其次是側限已能達到約45 m的要求。再次是邊坡的景觀可以進行較為有利的綠化與美化。缺點是下部在紅線外施工，涉及到政府規(guī)劃的道路范圍，需協(xié)調工作與全部拆遷民宅。

2.5.4 坡率法應用

此類型已非常接近于完全的坡率法(完全的坡率法不適合于此處，涉及到濕陷性黃土，上部水泥土相當于進行了濕陷性處理)了，即邊坡斜率控制的方法(簡稱坡率法)，通常指“放坡開挖”或“放坡回填”。核心理念是控制邊坡的高度與坡度，而無需對邊坡進行整體加固就能使邊坡達到自身穩(wěn)定的方案。此為人類歷史上邊坡處理中最古老與最傳統(tǒng)的方法，但同時也是最經濟與最方便的方法，更是需要優(yōu)先采用的方法[6]。因此當工程條件許可時，應優(yōu)先采用坡率法；本案例正是基于此理念，在條件不具備的情況下，創(chuàng)造條件而實施(選擇在小區(qū)紅線外多投入填土的方式進行，也有利于以后政府規(guī)劃道路的施工，當?shù)匾?guī)劃部門許可此種做法；其次是企業(yè)出資配合政府對民宅進行拆遷)。

3 方案遴選的基本原則

通過第二章節(jié)闡述，本文邊坡治理的理念可以歸納為六個部分：頭需輕(減載)、腳要重(增強)、身必固(拉撐中部)、水應防(排水)、景宜美(綠化增強)以及側須限(邊線距離)。

1)基本原則。邊坡方案要解決的根本問題是穩(wěn)定性與經濟性之間選擇一個合理的平衡點，力求以最經濟的途徑使服務于建筑工程的邊坡滿足其穩(wěn)定性與可靠性(安全性、適用性、耐久性之總稱)的要求。a.安全性具體是指邊坡及其支護結構在正常施工與正常使用時能夠承擔大概率事件發(fā)生時出現(xiàn)的各種荷載作用，以及在小概率事件發(fā)生時應該保持必要的穩(wěn)定性。b.適用性具體是指邊坡及其支護結構在正常使用時能滿足預定的使用要求。c.耐久性具體是指邊坡及其支護結構在正常維護下，伴隨著時間的變化，仍然能夠保持自身整體穩(wěn)定，同時不會因邊坡的變形而影響到建筑物本身的正常使用。

2)經濟原則。本文案例在遴選方案的過程中，從常規(guī)紅線內加固到出紅線外加固，方案的經濟性得到了很大的提高，從方案一的1.07億元到方案五的0.32億元，費用降低了約70%；以及鑒于本案例不能完全實施“坡率”法(基于此類土壤為濕陷性黃土，需要進行處理)。其次是涉及到紅線外，經向規(guī)劃部門申請占用道路回填土的原因，需要給遠期規(guī)劃道路預留施工的標高控制，因此沒有采用完全的坡率法。

3)可行性原則。類似本文案例中超出紅線部分，因非建設占用(邊坡加固占用)，需要協(xié)調相關鄰里關系；只要能達到總體邊坡的穩(wěn)定性，即使出一定的成本費用，在經濟性方面通過對比從而遴選出一個相對最經濟的方案(即“非至善之策，卻是現(xiàn)實之策”)，則是最可行的方案了，更是達到邊坡治理之目的。治理過程中回填土的實景圖如圖8所示(初步完成回填土工程)。

4 支護與高樓施工的關系

邊坡加固涉及到高樓基礎埋置深度、邊坡的高度、兩者施工的順序、高樓建設的高度。

4.1 高樓基礎埋深的規(guī)定

1)基礎埋置深度規(guī)定。高樓的基礎埋深涉及到基礎的形式以及抗震設防烈度；當抗震設防的烈度為7度及7度以上時，對于天然地基，基礎埋深不宜小于建筑物高度的1/12，對于樁基，基礎埋深不宜小于建筑物高度的1/15；樁基礎的長度不應計算在埋置的深度之內；基礎埋置深度，一般從室外地面算起。本案例中涉及到的高樓，高度99.5 m，地下室深度為14.0 m。按1/15的基礎埋置深度要求為6.6 m，已達到此規(guī)定。

2)側限邊界寬度規(guī)定。埋入地下部分是否具有可靠的側向限制，非為夯實的回填土、淤泥質土、軟土等都不能算作可靠的側向限制；也就是埋入密實土的深度應達到1/15建筑物高度以上。如果有裙房，高層建筑的基礎埋深從裙房的地下室地面算起。側限的寬度根據(jù)本文大量設計方案與施工案例統(tǒng)計，得出經驗數(shù)據(jù)為1.5倍～2.0倍的邊坡深度。按此經驗值，本案例在邊坡加固前不符合此規(guī)定，在邊坡加固前不能無限制進行建設。

4.2 現(xiàn)行通常的做法與案例做法

1)按正常規(guī)定做法。按一般的規(guī)律是先進行邊坡的加固，完成后再進行高樓的施工，以及一些工期寬松的工程中往往是這樣的施工順序。

2)現(xiàn)行通常做法。目前由于房地產企業(yè)受制于資本的驅動而往往采用“高速周轉”的運營模式，在開發(fā)建設項目時，大多采用先建樓后加固的順序，或者是同時進行兩者的施工。目的是將樓房建到一定的高度后進行“預售樓盤”而回籠資金；高度的要求在各個地區(qū)規(guī)定有所不同，本文案例中是建到基礎工程完成，即可以進行預售(本案例預售規(guī)定的條件之一：預售商品房已完成該建筑物建設總投資20%以上或基礎工程已完成)。

3)本案例做法。正是基于“高速周轉”運營的建設模式，工期要求非常緊張，在邊坡沒有加固前即開始進行高樓的建設，但同時基于安全的要求，在建設至第10層時停止，等待邊坡的加固工作。判斷的依據(jù)是邊坡的深度約為30 m，相當于10層樓高度，以及在地下室沒有側限的前提下，高層的常規(guī)安全高度也約為10層，此為大量的工程經驗規(guī)律，源于地下基礎結構尚不是一個完全可以按數(shù)學模型進行準確計量的學科。本案例正是基于此經驗，在建設至第10層時停止，等待加固邊坡后再繼續(xù)向上建設。

5 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階段：第一階段是定性分析(理論導向、經驗判斷)，對初勘所取得的地質資料進行研究，做出初步的評估。第二階段是定量分析(實測算量、檢驗驗證)，對定性階段分析所判斷的存在風險部分進行詳勘與專業(yè)設計。但基于邊坡工程在內的巖土工程是一個尚不能“精準”計算的學科，其根源在于影響因素的多樣性、材料的復雜性、條件的不可確定性。因此第二階段的定量計算仍需要回歸到第一階段的定性分析中再檢驗驗證(即經驗不可缺失、計算非為萬能)。

2)分析方法選用原則。邊坡的核心問題是穩(wěn)定性，其目的是確定經濟合理的結構參數(shù)及分析已有邊坡的穩(wěn)定程度，為治理的措施提供可靠的依據(jù)。對大量現(xiàn)有研究文獻與現(xiàn)實中應用的方法進行歸納，有以下八種分析的方法：工程地質類比法、坡率法、圖解法、極限平衡法、數(shù)值模擬法、敏感性分析法、概率設計方法、荷載抗力系數(shù)設計法，它們各具特色，具體如表7所示。針對不同的邊坡，需因地制宜，對于高等級邊坡則需要采用多種定性與定量方法進行綜合分析而應用。

表7 邊坡穩(wěn)定性分析的方法

3)本案例采用分析方法。案例中共設計了五個方案，從規(guī)定的紅線內(現(xiàn)有條件下)發(fā)展到突破紅線外(創(chuàng)造條件后)，從加筋土、錨索、水泥攪拌樁、灌注樁到水泥土組合的放坡法，是一個逐步探索與演變的過程。因地制宜與對外協(xié)調(包括拆遷)相關方，最終采用接近于“坡率法”組合水泥土的方案。而分析的方法主要采用工程地質類比法、極限平衡法、坡率法三個類型。

6 邊坡需要的排水措施

發(fā)生事故的巖土工程(包括邊坡在內)，往往與水有關聯(lián)性。水對邊坡的穩(wěn)定性影響是多方面的，按統(tǒng)計資料顯示，大多數(shù)邊坡的變形破壞都與水相關，尤其是在暴雨之后往往發(fā)生災害的概率更高。水對邊坡的穩(wěn)定影響體現(xiàn)在地表水與地下水兩個方面。而水對邊坡的力學作用主要包括靜水壓力、浮托力、動水壓力，它們共同影響到邊坡的穩(wěn)定性。在增強邊坡穩(wěn)定性方面，排水降壓比力學加固措施更加具有明顯的穩(wěn)定效果與經濟性能更加優(yōu)越，因此幾乎所有的邊坡工程均要設計排水措施，是不可或缺的內容，排水的形式有以下幾種。

6.1 坡面防、截、排體系

從外部進行防范。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。措施可采用平面進行硬化處理或者防水處理后收集積水，集中后以管道或明溝進行排除水源，達到防、截、排的目的。

6.2 水平鉆孔排水

從內部將水排出。又分為短排水孔與深排水孔，前者通常應用于較小規(guī)模邊坡，并與邊坡?lián)鯄β?lián)合使用，為了防止支撐結構受到土壤巖體中水壓力，通過設計短水平孔(在反面鋪設反濾層)，將水排出坡體，從而減少水壓。后者是應用于較大規(guī)模邊坡，深度可達200 m左右。排水孔這種類型，在所有的邊坡中幾乎都進行設置，目的是將邊坡中水排出。

6.3 排水管網(wǎng)

為防范寒冷地區(qū)排水孔結冰堵死與河道護岸高水位時倒流，此類情況則需要在墻后設置排水管網(wǎng)，地下水通過排水管網(wǎng)集中到合適的部位排走。此種類型在中國北方地區(qū)常用。

6.4 專業(yè)用排水隧道

采用排水隧道用于改變坡體內的滲流場，減小滲流荷載。如中國三峽工程的船閘部分，在閘室兩側各布置7層水平排水隧道[7]。此種類型在民用建筑中較少，往往用于大型水利與水電工程的高邊坡。

6.5 排水孔幕

排水隧道中以一定方向和間距向巖石中鉆孔，形成排水孔幕；主要的作用是用于加強排水的影響范圍，將原本不流向隧道內排的水通過鉆孔引入排水隧道。此種方法與第四類相似，大多用于水利水電工程中。

本案例中主要采用前三類方式進行，特別是防、截、排體系與水平鉆孔排水坡面，而排水管網(wǎng)是適當應用了此類型，考慮到案例所在系華北地區(qū)，冬天有結冰的現(xiàn)象。

7 綠化與景觀工程

7.1 結構與綠化組合

傳統(tǒng)的邊坡防護往往單純從力學視角出發(fā)，采用混凝土類的護面措施，其主要問題是景觀效果差，與現(xiàn)在提倡的住宅小區(qū)景觀優(yōu)美的理念不匹配。隨著中國經濟發(fā)展水平的提高與提倡的“綠水青山就是金山銀山”的生態(tài)文明建設的推廣，需要采用受力結構結合植物防護兩者的方式，兼顧結構的穩(wěn)定安全與景觀的優(yōu)美；并且綠化景觀有利于加強保護坡面、防治水土流失，增加坡面穩(wěn)定性，一舉兩得；兩者的組合更是集巖土工程學、植物學、土壤學與環(huán)境生態(tài)等學科于一體的綜合工程技術。

7.2 邊坡綠化的原則

需要從以下4個方面進行：1)植物防護與混凝土結構有機結合，建立既穩(wěn)定牢固安全又有生態(tài)效應的防護系統(tǒng)。2)本土化因地制宜，適合于當?shù)氐闹参?，在采購、種植、養(yǎng)護等方面成本較低。3)對護坡植物進行規(guī)劃設計，喬木、灌木、花草達到層次分明、錯落有序，形成美麗的圖畫或風景線。4)護坡植物與城市人文相結合，營造城市綠化景點，既提升了住宅小區(qū)的品味(取得商業(yè)利潤)，又彰顯了城市的美感(取得社會效應外溢)。

7.3 坡面綠化的要點

1)骨架圖案多樣化。支撐結構的混凝土邊坡需要結合景觀進行美化。如將坡面改為方格形、菱形、正方形、拱形等圖形的骨架，將多種圖形按一定的規(guī)律進行分布，形成多個種類的圖形，有利于形成多姿多彩的景觀種類。

2)坡面植物選擇。邊坡綠化的植物種類有：野牛草、林地早熟禾、草地早熟禾、白三葉、匍匐翦股穎、白穎苔草、穎茅苔草等種類，以適應當?shù)厣鷳B(tài)的植物，以及保養(yǎng)也相對容易。

3)硬化圖形點綴。在一部分全部為混凝土坡面的部分，如護腳部分，采用“化硬為軟”的方式，即用浮雕式圖形、彩繪式圖形等方法，將呆板的混凝土護坡變?yōu)槎嘧硕嗖实木坝^。

4)其他理念。化高為低，宜將一面直立的邊坡設計為緩坡式，降低視線的高度并配合綠化；化整為零，宜將一面邊坡設計為多級的邊坡并每級坡腳處種植綠化；化大為小，如高差大的擋土墻可以做成“板凳”式，并在板凳凹面處種植綠化；化陡為緩，將直立的擋土墻改為傾斜式，使得空間視覺開敞，環(huán)境顯得明快[8]。

8 結論

本文研究選取一個實際工程為案例，通過對比五個邊坡支護的方案，分別對其技術、經濟以及利弊方面進行分析，基于遴選的基本原則，得出經濟最優(yōu)與技術最為簡便的支護方案。同時進一步闡述邊坡支護與高樓施工的時間關系、邊坡穩(wěn)定性分析的方法、排水以及邊坡綠化原則。從而達到以點帶面為邊坡的治理提供一個范例，以供類似工程得以借鑒與參考。