巖質超限邊坡設計現(xiàn)狀及展望

近年來，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，城鄉(xiāng)建設相繼出現(xiàn)了多項規(guī)模巨大、影響面廣的大型工程。我國地形地貌復雜多樣，分布著大量的山地、高原、丘陵、盆地等，部分工程項目建設區(qū)域普遍存在地形復雜、山勢陡峭、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領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域的熱點和難點，給工程建設項目的投資、施工、工期、環(huán)境、安全運營等帶來巨大影響。本文在分析規(guī)范對不超過30m的高邊坡設計方法的基礎上，總結現(xiàn)階段巖質超限邊坡在安全系數(shù)、參數(shù)選擇、地質調查和勘察方法、動態(tài)設計等方面存在的問題，并對超限邊坡在設計參數(shù)選擇、變形計算、暴雨工況、施工爆破工況等方面的設計作出展望。

規(guī)范對不超過30m的高邊坡設計要求及現(xiàn)狀

建筑、公路和市政設計規(guī)范[1]-[3]中都把30m作為超限邊坡分界，而對于30m以下的巖質高邊坡、無外傾軟弱結構面的巖質挖方邊坡，則按坡率法進行設計。具體情況見表1。

建筑、公路和市政在III、IV類巖質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、建筑高邊坡相對陡峭的現(xiàn)狀。

表1 公路、市政路基和建筑邊坡規(guī)范關于巖質挖方邊坡坡率表

表2 公路、市政路基和建筑邊坡規(guī)范關于邊坡的安全系數(shù)

上述規(guī)范規(guī)定的坡率成為設計單位的重要參考標準，客觀上造成超限邊坡的最終設計邊坡只能小于上述坡率，若超限邊坡采用坡率法進行設計，坡口占地范圍會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，最終將造成單個工點的邊坡造價越來越高，嚴重影響項目的推動和實施。

邊坡的穩(wěn)定坡率受邊坡的坡高、巖體的產值、質量等級、巖體的力學參數(shù)、施工方案、項目使用壽命、周圍環(huán)境等多重因素影響。在上世紀七八十年代西南地區(qū)設計建設的低等級公路項目中，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。巖質超限邊坡坡率，應按數(shù)值分析法所得出的穩(wěn)定性計算結果來確定。

超限邊坡現(xiàn)狀及存在問題

穩(wěn)定計算

建筑邊坡規(guī)范對超限邊坡的設計和施工應進行專門的論證。

城市道路路基設計規(guī)范對超限邊坡規(guī)定為：宜綜合采用工程地質類比法、圖解分析法、極限平衡法和數(shù)值分析法進行穩(wěn)定評價，再進行個別設計。

公路路基設計規(guī)范對超限邊坡規(guī)定為：應遵循“以定性分析為基礎、定量計算為手段”的原則，進行穩(wěn)定性計算。穩(wěn)定計算方法主要有簡化Bishop、平面滑動面解析法、不平衡推力法、持平投影法和實體比例投影分析法及楔形滑動面法、數(shù)值分析法。

邊坡安全系數(shù)

不同規(guī)范對邊坡安全系數(shù)要求如表2所示。

邊坡是否處于穩(wěn)定狀態(tài)是進行邊坡分析的首要問題，目前國內外常用的辦法是采取邊坡穩(wěn)定系數(shù)分析法。科研單位、高校、工程設計單位都十分重視安全系數(shù)，并進行了大量的研究，但由于行業(yè)、工程重要性、習慣經(jīng)驗、區(qū)域差異等方面的不同，導致設計安全系數(shù)比較混亂，各行業(yè)以及不同地區(qū)所采用的設計安全系數(shù)存在較大差異。即使同一行業(yè)在進行某一具體工程項目安全系數(shù)取值時，不同人員采用的不同計算模式、方法，也會對安全系數(shù)的結果產生較大的影響，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)定是一個相當復雜、非簡單的線性關系，邊坡的狀態(tài)是動態(tài)、開放的，施工爆破、地震等都會對邊坡的軟弱夾層產生巨大影響，軟弱夾層穩(wěn)定系數(shù)降幅約30%～35%，遠大于一般5%～10%的假設。規(guī)范僅考慮了暴雨或連續(xù)降雨工況，研究表明，邊坡軟弱夾層強度在長期地下水作用下會顯著下降，僅為直剪強度的64%。采用單一的安全系數(shù)難以滿足實際需要，相關分析評價體系亟待進一步完善。

邊坡力學參數(shù)取值

巖體力學參數(shù)相對于土體力學而言，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標準獲得相應的力學參數(shù)或結合經(jīng)驗值的方法，在結構面、巖體抗剪指標值取值規(guī)定上基本一致。

根據(jù)大量工程經(jīng)驗總結出來的結果，建筑邊坡工程可采用等效內摩擦角參數(shù)進行計算，其標準值見表3。

邊坡工程設計，首先要選擇巖體設計參數(shù)。參數(shù)選取是邊坡設計的關鍵環(huán)節(jié)，關系到工程的成敗。采用原位試驗方法確定巖體強度參數(shù)比較合理，但是現(xiàn)場試驗需要較長時間，費用昂貴。目前，大部分勘察設計單位多采用經(jīng)驗法提供巖土參數(shù)，等效內摩擦是其中最為重要的一項參數(shù)。然而相關研究表明，等效內摩擦角并不是真正的巖體等效內摩擦角的近似值，導致抗滑設計失去閾值。對于粘聚力遠大于土體和軟弱結構面受強度控制的巖質邊坡，建議舍棄等效內摩擦角概念[5]。在進行巖質超限邊坡設計前，應加強對周邊既有人工高邊坡、天然高邊坡、采石場、天然斷裂面等方面的調查，尤其是對開挖高度、巖層產值、結構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)。

巖質超限邊坡設計存在的其他問題

近年來，雖然我國在高邊坡破壞變形機理、穩(wěn)定評價、邊坡加固、邊坡監(jiān)測等方面的研究取得巨大進展，但是從勘察設計方面進行分析，仍存在一些不足：

一是過于注重研究鉆孔巖芯照片，區(qū)域地質資料調查不夠全面，對水文地質、區(qū)域地質、邊坡地質災害調查不夠詳細，對周邊既有高邊坡的調查、分析和評價不夠充分和全面。

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

三是我國的科研單位、高校學者雖然在邊坡穩(wěn)定計算、參數(shù)選取、參數(shù)反算、變形預測、室內試驗等方面做了大量工作，但是高邊坡設計工作大部分是由國內各家設計院承擔，理論與實際脫離，致使許多理論研究沒有應用到具體的工程中，不能解決具體的工程問題。

四是邊坡動態(tài)設計的理念沒有得到有效貫徹。目前，國內大部分市政、公路、建筑工程多由設計和施工兩家不同的單位承擔。在設計階段，為了保證邊坡安全，設計單位采用大量的錨桿、錨索對邊坡進行加固或調整坡率的方法，確保邊坡系數(shù)足夠大，設計過于保守。同時在施工階段，存在對邊坡的開挖、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)異常現(xiàn)象，設計單位也不會根據(jù)邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)調整邊坡設計參數(shù)，邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)未能得到有效利用。

表3 邊坡巖體等效內摩察角標準值

超限邊坡設計展望及建議

采用工程類比法

工程地質具有高度的關聯(lián)性、相似性和可比性，建設工程不是孤立的。工程地質類比法相比較其他方法，更具有可靠、方便、經(jīng)濟等特點。在進行巖質超限邊坡設計前，應加強對周邊既有人工高邊坡、天然高邊坡、采石場、天然斷裂面等方面的調查，尤其是對開挖高度、巖層產值、結構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)。建議對類似的穩(wěn)定邊坡，反算邊坡巖體、結構面力學參數(shù)。

優(yōu)化邊坡暴雨設計工況

現(xiàn)階段，高邊坡設計在暴雨或連續(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、鐵路項目的高邊坡在雨季施工期經(jīng)常出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象。相關研究表明，巖石浸水后會發(fā)生軟化、膨脹、崩解等現(xiàn)象，巖石的強度隨含水率增加不斷下降，最終達到一個平穩(wěn)值。有的巖體單軸抗壓強度下降高達50%，粉質泥巖、砂巖的粘聚力降幅高達50%，強風化花崗巖的粘聚力降幅達33%。具體情況如表4所示。

表4 邊坡巖土內摩擦的折減系數(shù)

暴雨工況下，巖石的軟化程度采用表4計算出來的安全系數(shù)顯然過小，與實際情況不符。在施工階段，不同坡級受暴雨浸泡的時間也不盡相同，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、結構面分布，加強觀測和原位測試，建立巖體強度與時間周期的本構關系，從而計算出邊坡不同位置、時間的安全系數(shù)。

引入應力位移場等邊坡計算新方法

現(xiàn)有的國內邊坡設計規(guī)范規(guī)定主要集中在邊坡的破壞機理、穩(wěn)定性方面，應用最多的方法是極限平衡法，而變形計算規(guī)范規(guī)定主要集中在支護結構，如擋土墻、抗滑樁、錨桿、錨索等方面。實際上邊坡情況異常復雜，同一高度不同巖土類型的邊坡會產出不同的變形，即使同一高度、同一巖土類型的邊坡在不同工況、邊坡位置、不同時間變形也會不同，在實際工程中與變形對應的安全穩(wěn)定性問題成為一個難點和棘手問題。國內，楊光華[6]、韓小雷[7]等學者對應力位移場和邊坡安全等進行了研究并取得了較大進展。設計單位有必要引入應力位移場等邊坡計算新方法進行邊坡設計，以指導設計、施工和監(jiān)測。

完善巖石爆破設計及施工

巖石邊坡經(jīng)常采用爆破法，爆破會對巖體周圍產生不同程度的破壞，尤其是順層巖質邊坡，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。爆破會引起軟弱泥化層水膜化，使泥化夾層的抗剪強度大幅降低，有的甚至接近于零，還會引起高應力巖體卸載，在邊坡頂部產生開裂、倒變形破壞。由此可見，爆破的施工工況計算、施工方案對邊坡工程非常重要。

爆破荷載作用的巖質邊坡安全系數(shù)、安全閾值、變形分析，采用動態(tài)響應特征法進行分析，顯然比擬靜力法更加接近事實情況、更加科學，能夠更好地反映邊坡的真實狀態(tài)。邊坡設計規(guī)范及施工應引進邊坡動力法的相關研究成果，增加施工爆破工況驗算內容，并針對不同巖層、坡段位置采取不同的安全措施。

結論

基于上述分析，本研究得出以下結論：

一是規(guī)范規(guī)定的30m以下高邊坡坡率法不能真實反映邊坡的安全狀態(tài)，超限邊坡的坡率設計不應受規(guī)范規(guī)定的最大坡率限制，應以穩(wěn)定計算方式確定。規(guī)范在設計安全系數(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)難以滿足實際需要，必須完善分析評價體系；二是建議巖質超限邊坡在參數(shù)取值方面，不采用等效內摩擦角進行穩(wěn)定計算，推薦采用工程類比法反算巖體參數(shù)，尤其是粘聚力，加強工程地質調查和原位測試。要獲得高質量的超限邊坡設計，必須落實好邊坡動態(tài)設計；三是建立巖體強度與時間周期的本構關系，采用應力位移場建立邊坡變形與安全穩(wěn)定性性關聯(lián)；四是超限邊坡設計需完善暴雨工況內容，根據(jù)巖石軟化指標、坡率位置制定不同穩(wěn)定系數(shù)。存在軟弱夾層、順層產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，建議在巖質超限邊坡的穩(wěn)定分析中引入采用動力法，并完善邊坡施工工況驗算。