曹 慧 許利東 呂仲鳴

云南建投基礎工程有限責任公司 云南 昆明 650501

邊坡巖土體抗剪強度參數(shù)的微小變化會導致滑坡推力的大幅度增長或減小，所以合理的抗剪強度參數(shù)取值是保證邊坡穩(wěn)定性評價結果準確性的關鍵[1]。用于獲取邊坡工程地層抗剪強度指標的方法有很多種，比如土工試驗法、經(jīng)驗法和反演法，但因巖土試樣在取樣、運輸、試驗的過程中會受到不同程度的擾動，尤其是破碎的風化巖層，所以很多時候試驗法得到的參數(shù)并不能完全反映巖土體的全部真實狀態(tài)[2]。反演分析法是根據(jù)邊坡現(xiàn)狀、監(jiān)測數(shù)據(jù)等聯(lián)系滑動面位置與地層抗剪強度參數(shù)間內(nèi)在規(guī)律進行抗剪強度參數(shù)反演的方法。本文通過一個高邊坡工程實例，在工程已有試驗法得到的物理力學參數(shù)的基礎上，發(fā)現(xiàn)已開挖邊坡工程穩(wěn)定性與地層試驗法得到的抗剪強度指標不匹配，進而提出采用反演法對地層抗剪強度指標進行修正，以指導邊坡工程的支護設計。

1 工程實例

1.1 項目概況

擬建某高級中學選址建設用地位于紅河縣樂育鎮(zhèn)然仁村委會石崗的一處山凹緩坡，總用地面積約244畝（約162 666 m2）。場地現(xiàn)狀下為空地，原地形為坡地，擬建場地周邊有鄉(xiāng)村道路通過，交通條件一般。

擬建建筑物包括教學樓、圖書館、實驗樓、專用教室、報告廳、藝術室、行政辦公樓、風雨球場、食堂、宿舍等。

1.2 邊坡工程概況

根據(jù)場平標高及原始地形分析，擬建場地內(nèi)場平完成后工程邊坡主要有以下3種類型。

1）場地外圍挖方邊坡：主要分布在場地外圍東側(cè)，一般邊坡高度較大，最高約70 m，屬一級邊坡。

2）場地外圍填方邊坡：主要分布在場地外圍南西側(cè)，填方邊坡最高38 m，屬一級邊坡。

3）場地內(nèi)分臺邊坡：分布在場地內(nèi)各分臺位置，以挖方邊坡為主，局部存在少量填方邊坡，一般高度介于4～8 m，以三級邊坡為主。

本文主要討論分析挖方高邊坡的支擋設計。

1.3 工程地質(zhì)條件

擬建場地地貌上屬于低中山緩坡地帶，地形相對開闊，呈坡階臺地狀，場地相對高差約109.0 m，場地現(xiàn)狀主要為部分挖方及部分填方場地，地表第四系耕土層基本被清除、部分坡殘積層被清除，下伏基巖地層為上元古界哀牢山群片麻巖。場地內(nèi)分布的主要地層由第四系人工填土（Q4ml）層、第四系殘坡積（Q4el＋dl）粉質(zhì)黏土及上元古界哀牢山群阿龍組（Ptab）片麻巖等地層所構成。

第①1層雜填土：褐灰色、褐色，稍濕，松散，主要成分為黏性土及砂土，含角礫、碎石、塊石（主要成分為全-強風化片麻巖、混合花崗巖等）等，局部夾少量植物根系、塑料、磚塊、生活垃圾等雜物；未壓實，為無序堆填，均勻性差。

第①2層素填土：褐灰色、褐色，稍濕，欠固結，主要為黏性土及砂土，含角礫、碎石（主要成分為全-強風化片麻巖、混合花崗巖）等，為場地挖方回填土，填方整平地段經(jīng)分層壓實，為有序堆填土，密實度及均勻性較好。

第②層粉質(zhì)黏土：褐灰色、灰褐色，局部為褐黃色，稍濕，可塑-硬塑狀態(tài)，刀切面粗糙，斷續(xù)夾薄層狀礫砂，局部含少量片麻巖、砂巖、花崗巖風化巖屑，干強度中等，韌性中等，具中壓縮性。

第③1層全風化片麻巖：灰色、深灰色、灰白色，結構、構造已被破壞，巖芯呈粉砂、粗砂狀、角礫狀，局部呈土狀，具浸水可軟化性、無膨脹性、崩解性，開挖后易進一步加速風化，局部夾雜強風化巖塊。

第③2層強風化片麻巖：灰色、深灰色、灰白色，主要礦物成分為石英、長石、黑云母、角閃石等，鱗片粒狀變晶結構、片麻狀構造，巖芯呈粉砂、粗砂狀、角礫狀，局部呈塊狀、短柱狀，巖芯采取率78%～88%，巖石質(zhì)量指標＜25，巖體完整程度為破碎，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ級。具有浸水可軟化性、無膨脹性、崩解性，開挖后易進一步加速風化。該層存在分化不均勻情況，局部間夾少量中風化片麻巖硬塊。

1.4 巖土物理力學性質(zhì)指標

巖土物理力學指標參數(shù)見表1。

表1 巖土物理力學指標參數(shù)

2 挖方邊坡支護設計初步方案

2.1 邊坡支護現(xiàn)狀穩(wěn)定性核算

因場地處于一個高差109.0 m的斜坡上，在地質(zhì)勘察進入以前，現(xiàn)場已進行了施工場地的平整與施工通道的修筑，其中進出場地的通道設于高邊坡坡腰上，在確定邊坡永久開挖后的支護方案以前，首先對現(xiàn)狀邊坡選取2個代表性的斷面32-32和35-35進行穩(wěn)定性驗算。

利用巖土計算軟件，采用Bishop條分法分析挖方邊坡現(xiàn)狀的穩(wěn)定性，計算結果如表2所示。32及35剖面的地質(zhì)斷面及潛在最危險滑面如圖1、圖2所示。

表2 邊坡穩(wěn)定性計算結果

圖1 32-32地質(zhì)斷面及潛在滑面（單位：m）

圖2 35-35地質(zhì)斷面及潛面滑面（單位：m）

2.2 邊坡支護現(xiàn)狀穩(wěn)定性分析

根據(jù)以上計算結果，邊坡現(xiàn)狀整體穩(wěn)定性系數(shù)遠小于1.35，邊坡處于失穩(wěn)狀態(tài)，而經(jīng)過設計人員的實地勘察，邊坡頂部地表未出現(xiàn)裂縫，坡面未出現(xiàn)鼓丘、擠壓變形和裂縫；坡面陡坎處未出滑塌、開裂跡象，所以設計人員認為：本現(xiàn)狀邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，而勘察報告中所提物理力學參數(shù)指標與實際地層不匹配，并將驗算結果反饋至建設方及勘察方，提請檢查勘察過程數(shù)據(jù)及結論。同時設計人員根據(jù)地層原物理力學參數(shù)對本邊坡進行了支擋設計和穩(wěn)定性分析。

本邊坡共劃分為40個斷面進行支護，其中1～18斷面為填方邊坡，此處不作討論。19～40斷面為挖方邊坡，其中25～40為高度超過25 m的高邊坡，且31～35斷面緊鄰本高級中學宿舍樓，一旦邊坡失穩(wěn)，失穩(wěn)滑塌后山體將淹埋宿舍樓，對學生造成極大的人身安全隱患，對本項目高邊坡支擋的處理只能采用強支擋方案：強樁＋強錨支擋。斷面32采用強支擋理論驗算，結果如下。

1）邊坡支擋高度：63 m（計算至用地紅線處）。

2）開挖后未支擋前剩余下滑力：4 423 kN/m。

3）抗滑樁截面尺寸：2 m×3 m，樁的懸臂段15 m。

4）樁身錨索：6排，15索～24索，錨索長度20～35 m。

5）樁頂以上分臺放坡，共分4臺，每臺坡高10 m，坡比1∶1。坡面框格梁錨索，錨索為8索，長度25～35 m。

由于下滑力過大以及強支擋參數(shù)的極度不合理，設計人員提出以下建議。

1）調(diào)整場地布置，盡量減少邊坡挖方。

2）加大場地征地范圍，盡量讓邊坡自穩(wěn)。

3）復核勘察參數(shù)，提出與實際現(xiàn)場相符的地層參數(shù)。

假設按強支擋方案進行設計，將造成設計保守、施工造價高、施工難度大等后果，以下將采取基于強度折減法的邊坡抗剪強度參數(shù)反演方法，合理修正本邊坡項目巖土體抗剪強度參數(shù)取值，提供本邊坡工程的最優(yōu)設計方案。

3 地層抗剪強度參數(shù)反演修正

3.1 確定安全系數(shù)

根據(jù)邊坡體所處狀態(tài)，取其最危險潛在滑動面上的安全系數(shù)Fs為1.20。

3.2 引入?yún)?shù)λ

因項目勘察包括室內(nèi)試驗，故取勘察報告所提供值為初始值，并通過邊坡現(xiàn)狀驗算確定，本邊坡坡體危險滑面處于全風化片麻巖巖層③1中。假設坡體③1層巖體真實抗剪強度指標為（c0，φ0），其相應的安全系數(shù)為F0。取邊坡體穩(wěn)定系數(shù)最小的滑面為最危險潛在滑移面，在已知本邊坡坡體最危險滑面的情況下，是可以確定c0/tanφ0比值的。

引入無量綱參數(shù)λ，通過λ可以確定c0與tanφ0的比值，計算關系為：λ＝c/γhtanφ。λ的取值與滑面深度h相關。相關規(guī)律為：隨著λ的增大，坡體滑動面逐漸加深。

3.3 土體抗剪強度范圍確定

考慮到本邊坡坡體處于穩(wěn)定狀態(tài)，取最危險滑面上的穩(wěn)定系數(shù)Fs＝1.20，③1層全風化片麻巖的初值抗剪強度指標為（32，16），計算得出λ為0.077，第1次驗算λ的取值范圍為0.040～0.070，驗算范圍初步確定強度參數(shù)值范圍為32～44 kPa，根據(jù)強度參數(shù)的取值范圍和λ的取值范圍及公式λ＝c/γhtanφ，計算得到相應的內(nèi)摩擦角φ。采用Bishop條分法計算得到各組強度參數(shù)下的穩(wěn)定系數(shù)值及潛在滑動面，通過選取各組強度參數(shù)取值下的穩(wěn)定系數(shù)與所給穩(wěn)定系數(shù)誤差和潛在滑動面位置綜合確定抗剪強度參數(shù)實際值。以下計算均以32剖面為例。λ的第1次取值計算見表3。

表3 第1次λ取值下邊滑潛在滑移面位置等參數(shù)

3.4 確定參數(shù)及修正后的抗剪強度指標

從表3中數(shù)據(jù)規(guī)律可以看到，根據(jù)每一組λ取值下的強度參數(shù)計算得到的穩(wěn)定系數(shù)與給定的穩(wěn)定系數(shù)之間的誤差和，判斷λ的取值在0.04～0.05之間，為了更快確定無量綱參數(shù)λ的取值，選取λ＝0.0480、0.0485、0.0490進行計算，得到相關結果如表4所示。

表4 第2次λ取值下邊滑潛在滑移面位置等參數(shù)

通過第2次計算分析，當λ＝0.0490時計算得到的穩(wěn)定系數(shù)與所給穩(wěn)定系數(shù)的誤差和為正且最小，所以這里取λ＝0.0490，得到的③1層風化片麻巖巖層反演強度參數(shù)為（c＝38.00 kPa，φ＝28.22°）。

4 反演指標用于原狀及現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性分析

將反演后的抗剪強度參數(shù)指標重新進行原狀邊坡32及35剖面的穩(wěn)定性驗算，計算結果如表5。

表5 修正指標后邊坡穩(wěn)定性計算結果

修正指標后邊坡穩(wěn)定性的驗算結果為：2個斷面均處于穩(wěn)定狀態(tài)，與現(xiàn)狀相符。故以下將采用修正后的巖土物理力學參數(shù)指標對邊坡進行支護設計。

5 修正后抗剪強度指標應用于邊坡支擋設計

以32-32為例進行邊坡支擋設計，相較指標未修正以前，方案設計有了較大的優(yōu)化。指標修正后支擋設計穩(wěn)定性驗算結果為：滑面上下滑力的總和為26 966.731 kN/m，滑面上抗滑力的總和為37 753.422 kN/m，下滑力矩為5 412 762.286 kN·m/m，抗滑力矩為7 577 866.835 kN·m/m，安全系數(shù)為1.40＞1.35。優(yōu)化以后邊坡支護方案如圖3所示，優(yōu)化設計后與原方案的支擋參數(shù)對比見表6。

圖3 32-32邊坡支護剖面

表6 參數(shù)修正前后32斷面支護參數(shù)

從表6的對比可以看出，通過合理的地質(zhì)參數(shù)，盡量減少邊坡挖方，利用原狀邊坡的自穩(wěn)性，可以很大程度上優(yōu)化設計結果，減少工程造價。

6 邊坡支擋施工技術要求

6.1 鉆孔要求

1）施工前應進行錨索基本試驗，試驗數(shù)量及要求按錨索試驗技術要求及相關規(guī)范規(guī)定執(zhí)行。

2）錨索孔位施放后進行錨索鉆孔施工，錨索鉆孔完畢后，進行清孔，然后進行錨索安放，土層中錨索采用履帶式錨索鉆機進行施工，盡量采用干成孔，若采用水鉆時必須以全套管跟進鉆進，且注漿前應采用水泥漿清洗，錨索孔深應超過設計深度0.5 m。

6.2 注漿要求

1）錨索施工采用二次高壓注漿并采取注漿補漏工藝。

2）錨索孔注漿前應采用空氣清孔，排出孔內(nèi)雜物和積水，灌漿管插入距孔底30～50 cm處，漿液自下而上連續(xù)灌注。注漿采用雙管，第1次孔口壓力不小于0.8 MPa，中途不得停漿，在初凝前要進行補漿，必須使?jié){液均勻地填滿錨索與孔壁間的空隙。待第1次注漿初凝后（6～8 h）進行二次高壓注漿，注漿壓力不小于2.0 MPa。二次高壓注漿管間隔1.5 m左右交錯開2排孔，直徑0.6 cm左右，開孔處及端頭采用膠帶紙封閉，端頭不能反折。

3）一次注漿水泥漿用量≥85 kg/m，水灰比0.45～0.55，二次注漿水泥漿用量≥45 kg/m，水灰比0.45～0.50，注漿補漏注至壁面翻漿且錨孔周邊無滲水為止。

6.3 錨索防腐要求

1）自由段防腐：每根鋼絞線除銹、除油后，自由段錨索表面涂潤滑油或刷防腐漆進行防腐處理，然后裝入塑料套管中，并于錨固段一側(cè)的套管端部100～200 mm長度內(nèi)繞扎工程膠布固定。

2）錨固段防腐：鋼絞線除銹、除油后，采用水泥砂漿防腐，施工中應使錨索位于錨孔中部，要求桿體周圍水泥砂漿保護層厚度不小于35 mm。

3）錨頭防腐：錨索張拉鎖定、二次灌漿完成后封口，從錨具量起留100 mm的鋼絞線，并做厚度不小于100 mm的1∶2水泥砂漿保護層，再用鋼筋網(wǎng)罩封閉，并做100 mm厚C35細石混凝土外封，混凝土保護層厚度不小于100 mm。

6.4 錨索張拉要求

1）錨固體及外錨墩強度均達到設計強度的80%后方可進行張拉及鎖定，臺座的承壓面應平整，并與錨桿軸線的方向垂直，張拉分級進行。

2）錨索正式張拉前，應取錨索設計軸向拉力值的10%～20%進行預張拉1～2次，使桿體完全平直，各部位接觸緊密，錨索張拉至1.10倍張拉設計值時，對于黏性土保持15 min，然后卸荷至軸向拉力標準值進行鎖定，鎖定后預應力損失大于設計值的10%時，應進行補償張拉。

3）錨索張拉應按一定程序進行，錨索張拉順序應考慮鄰近錨索的相互影響，同時張拉時，張拉的2根錨索的間距不應小于2倍錨索間距。

7 結語

1）邊坡工程中，坡體巖土工程參數(shù)對坡體剩余下滑力的計算結果影響很大，進而會嚴重影響邊坡的支護支擋設計方案及加固措施。

2）通過原始邊坡的穩(wěn)定性狀態(tài)，同時結合邊坡勘察提出的巖土參數(shù)，可以對巖土參數(shù)的準確性和合理性進行復核驗證。

3）在已知邊坡最危險潛在滑動面的情況下，c0與tanφ0的比值可以唯一確定，引入無量綱參數(shù)λ，可以確定c0與tanφ0的比值。

4）通過反復的試算，根據(jù)每一組λ取值下的強度參數(shù)計算得到穩(wěn)定系數(shù)與給定的穩(wěn)定系數(shù)之間的差值，判斷λ的取值范圍，進而獲得誤差接近0時所對應的巖土體強度參數(shù)，稱之為修正后的強度參數(shù)。

5）使用修正后的強度參數(shù)對原狀邊坡的穩(wěn)定性進行重新驗算，更進一步驗證修正后強度參數(shù)的合理性。

6）采用修正后的強度參數(shù)進行邊坡支擋設計及加固治理，提出更為合理、可行、經(jīng)濟、安全的設計方案。