關于有外傾結構面的巖質邊坡作用在抗滑樁上荷載取值的探討

【摘要】本文對存在外傾結構面的巖質邊坡進行受力分析，建立在抗滑樁提供的抗力、滑體重力、滑面強度提供的抗滑力、滑面對滑體提供的支撐力作用下保持“平衡”的力學模型，并建立了抗滑樁提供的抗力力值與平面滑動法中剩余下滑力力值的關系式，關式表明：無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構的荷載取值，都不能確保工程設計的安全性。

【關鍵詞】外傾結構面;巖質邊坡;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

隨著城市的發展，工程建設大量開展，建設空間越來越狹窄，很多城市特別在重慶，大量的工程建設開始向地下空間發展，地下空間的開發過程中，勢必會形成大量的挖方巖質邊坡，巖質邊坡穩定性問題越來越受到工程的重視，穩定性主要受兩種情況控制：一種為無外傾結構面（外傾結構面系指傾向與坡向的夾角小于30°的外傾結構面（1））的邊坡，穩定性受巖體強度控制;另一種為有外傾結構面的邊坡，穩定性受結構面性狀控制。針對該類有外傾結構面巖質邊坡的治理，抗滑樁支護結構以施工方便、布置靈活、技術成熟等優點在空間狹窄的施工現場得到了廣泛地應用。

在抗滑樁設計時，作用在抗滑樁上的荷載取值問題在工程界做法不一，但大體上有兩種做法：（1）以傳遞系數法（或平面滑動法）為基礎，取支擋結構處的剩余下滑力作為支擋結構上的荷載，文獻3中的條文說明對這一方法予以肯定，認為是“切合實際”。（2）剩余下滑力的作用方向為沿滑向方向與抗滑樁支擋結構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構荷載是合適的。很顯然，第一種做法的設計者認采用剩余下滑力值作為支護結構上的荷載使工程設計安全，而第二種做法的設計者認為采用剩余下滑力值作為支護結構上的荷載使工程設計不夠經濟。

2、巖質邊坡支護設計時常用的荷載計算

巖質邊坡主要是指在工程建設過程中，進行土石方開挖形成的坡體主要為巖體的邊坡，根據邊坡坡向與巖體結構面傾向不同，有外傾結構面的巖質邊坡（順向邊坡）、無外傾結構面巖質邊坡，針對邊坡支護設計時作用在支護結構上的荷載取值，業界認識各不相同，以下兩種情況為常用的計方法。

對無外傾結構面巖質邊坡，邊坡的穩定性主要由巖體強度控制，通常以巖體等效內摩擦角按側向土壓力方法計算巖石壓力并將其作為支護結構上的荷載，當坡頂有重要建（構）筑物時，根據建（構）筑物基礎埋深及距坡腳線的水平距離進行修正，當基礎外邊緣距腳線的水平距離小于基礎深埋一半時，取以巖體等效內摩擦角取主動土壓力方法計算，并根據邊坡巖體類型進行修正。當基礎外邊緣距腳線的水平距離不小于基礎深埋一半時，取以巖體等效內摩擦角取主動土壓力方法計算巖體側壓力。

對有外傾結構面（潛在滑面）的邊坡，一般邊坡穩定性由結構面強度和巖體強度其中較弱者控制，支護結構荷載一般取剩余下滑力與巖土側壓力兩者較大值。當外傾結構面為硬性結構面時，巖土側壓力應分別以外傾硬性結構面的強度參數按《建筑邊坡工程技術規范》（GB50330-2013）中6.3.1條的方法計算和以巖體等效內摩擦角按側向土壓力計算出的巖體側壓力，取兩都較大值;當坡頂有重要建筑物時，巖體側壓力應進行修正。

針對有外傾結構面的邊坡，當由結構面強度控制邊坡穩定性時，將剩余下滑力作為支護結構上的作用荷載是最為常見的一種取值方法。筆者認為有外傾結構面的巖質邊坡支護設計的目的是在抗滑樁提供的抗力、滑體重力、滑面強度提供的抗滑力、滑面對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下，擴大下滑力）的一種簡化的平面力系，并非一種單一的下滑力與支擋力作用的簡單的二力“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法中剩余下滑力力值的關系。

3、滑體作用力分析

假設有外傾結構面的巖質邊坡，巖層層面平直，不受地下水作用，坡頂無荷載等，滑體受到的荷載有自重G、抗滑樁的支擋作用力F、滑面強度產生的抗滑力f、滑面對滑體提供的支撐力N，設巖層層面傾角為α，滑體受力簡圖如圖1

根據建筑邊坡工程技術規范（GB50330-2013）A.0.2平面滑動法計算邊坡穩定性系數計算公式（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;

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）;

—滑面的內摩擦角（°）;

l —滑面長度（m）。

當在支擋結構支擋力F作用下對滑體進行受力分析可知：

下滑面抗滑力：

（3）

支擋結構在滑面處的抗滑分力為： ;滑面處下滑力為： ;

根據平面滑動法則：

（4）

即：

（5）

由式（2）、式（5）得：

（6）

當時，P>F，則用剩余下滑力作為支擋結構上作用荷載時，荷載偏大，不經濟;當時，P<F ，則用剩余下滑力作為支擋結構上作用荷載時，荷載偏小，不安全;

令：

（7）

根據三角函數關系式有：

（8）

由于 ，則 ;因此當時，Y>0，P>F;時，Y>0，P<F;時，Y=0，P=F;

由此可見無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構的荷載取值，都不能確保工程設計的安全性，是造成工程設計不經濟還是不安全與滑面傾角及滑面內摩擦角有關，巖層層面傾角越陡，層面結合越差，采用剩余下滑力作為支擋結構上作用荷載時，越不安全。巖層層面傾角較緩時，層面結合較好，采用剩余下滑力作為支擋結構上作用荷載時，安全性較好，經濟性較差。

4、工程實例

某場地巖體為中風化砂巖泥巖互層，巖層產狀為102°∠25°，場地體發育兩組裂隙分別為J1：產狀290 ° ∠56 °，J2：產狀192°∠80°，根據設計方案平場后，將形成高度不等、坡向各異的巖質基坑邊坡，垂直開挖。根據場地內勘察報告，巖體平均重度取24.8kN/m3，巖層層面內摩擦角取16 °，內粘聚力取25kPa，裂隙面內摩擦角取18 °，內粘聚力取50kPa，邊坡安全等級為一級，安全系數取1.35。

當巖層層面為外傾結構面時有： ，F=0.97P;

當裂隙J1為外傾結構面時有： ，F=1.21P;

當裂隙J2為外傾結構面時有： ，F=1.93P;

上述計算結果表明：在該場地內，若巖質邊坡為順向邊坡，邊坡穩定性由巖層層面強度控制，采用剩余下滑力為支擋結構上的荷載時，工程設計安全好，經濟性差;若巖質邊坡存在裂隙J1外傾結構面或裂隙J2外傾結構面時，采用剩余下滑力為支擋結構上的荷載時，工程設計安全性差。在外傾結構面強度一定的情況下，結構面傾角越陡，采用剩余下滑力為支擋結構上的荷載時，安全性越差。

結論：

本文對存在外傾結構面的巖質邊坡進行受力分析，建立在抗滑樁提供的抗力、滑體重力、滑面強度提供的抗滑力、滑面對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法中剩余下滑力力值的關系式。并通過工程實例對新的計算公式進行了驗證，得出以下結論：

（1）無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構的荷載取值，都不能確保工程設計的安全性。

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

（3） 在外傾結構面強度一定的情況下，結構面傾角越陡，采用剩余下滑力為支擋結構上的荷載時，安全性越差。

參考文獻：

[1]重慶市城鄉建設委員會.（GB50330-2013）建筑邊坡工程技術規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2013.

[2]中國建筑科學研究院.（JGJ120-99）建筑基坑支護技術規程[S].北京：中國建筑工業出版社，1999.

[3]中華人民共和國建設部.（GB50021-2001）巖土工程勘察規范（2009年版）北京：中國建筑工業出版社，2009.

作者簡介：

袁恒，1983年生，男，湖北黃岡人，高級工程師，主要從事巖土工程勘察設計及施工質量檢測工作。