高邊坡工程抗剪強度參數反演分析修正及應用

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取值是保證邊坡穩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并不能完全反映巖土體的全部真實狀態[2]。反演分析法是根據邊坡現狀、監測數據等聯系滑動面位置與地層抗剪強度參數間內在規律進行抗剪強度參數反演的方法。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的基礎上，發現已開挖邊坡工程穩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）。場地現狀下為空地，原地形為坡地，擬建場地周邊有鄉村道路通過，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

根據場平標高及原始地形分析，擬建場地內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，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，填方邊坡最高38 m，屬一級邊坡。

3）場地內分臺邊坡：分布在場地內各分臺位置，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，填方整平地段經分層壓實，為有序堆填土，密實度及均勻性較好。

第②層粉質黏土：褐灰色、灰褐色，局部為褐黃色，稍濕，可塑-硬塑狀態，刀切面粗糙，斷續夾薄層狀礫砂，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%，巖石質量指標＜25，巖體完整程度為破碎，巖體基本質量等級為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 巖土物理力學性質指標

巖土物理力學指標參數見表1。

表1 巖土物理力學指標參數

2 挖方邊坡支護設計初步方案

2.1 邊坡支護現狀穩定性核算

因場地處于一個高差109.0 m的斜坡上，在地質勘察進入以前，現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，首先對現狀邊坡選取2個代表性的斷面32-32和35-35進行穩定性驗算。

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

表2 邊坡穩定性計算結果

圖1 32-32地質斷面及潛在滑面（單位：m）

圖2 35-35地質斷面及潛面滑面（單位：m）

2.2 邊坡支護現狀穩定性分析

根據以上計算結果，邊坡現狀整體穩定性系數遠小于1.35，邊坡處于失穩狀態，而經過設計人員的實地勘察，邊坡頂部地表未出現裂縫，坡面未出現鼓丘、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：本現狀邊坡處于穩定狀態，而勘察報告中所提物理力學參數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據及結論。同時設計人員根據地層原物理力學參數對本邊坡進行了支擋設計和穩定性分析。

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，失穩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的極度不合理，設計人員提出以下建議。

1）調整場地布置，盡量減少邊坡挖方。

2）加大場地征地范圍，盡量讓邊坡自穩。

3）復核勘察參數，提出與實際現場相符的地層參數。

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反演方法，合理修正本邊坡項目巖土體抗剪強度參數取值，提供本邊坡工程的最優設計方案。

3 地層抗剪強度參數反演修正

3.1 確定安全系數

根據邊坡體所處狀態，取其最危險潛在滑動面上的安全系數Fs為1.20。

3.2 引入參數λ

因項目勘察包括室內試驗，故取勘察報告所提供值為初始值，并通過邊坡現狀驗算確定，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），其相應的安全系數為F0。取邊坡體穩定系數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定狀態，取最危險滑面上的穩定系數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值范圍為32～44 kPa，根據強度參數的取值范圍和λ的取值范圍及公式λ＝c/γhtanφ，計算得到相應的內摩擦角φ。采用Bishop條分法計算得到各組強度參數下的穩定系數值及潛在滑動面，通過選取各組強度參數取值下的穩定系數與所給穩定系數誤差和潛在滑動面位置綜合確定抗剪強度參數實際值。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

3.4 確定參數及修正后的抗剪強度指標

從表3中數據規律可以看到，根據每一組λ取值下的強度參數計算得到的穩定系數與給定的穩定系數之間的誤差和，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

通過第2次計算分析，當λ＝0.0490時計算得到的穩定系數與所給穩定系數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為（c＝38.00 kPa，φ＝28.22°）。

4 反演指標用于原狀及現狀邊坡穩定性分析

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

表5 修正指標后邊坡穩定性計算結果

修正指標后邊坡穩定性的驗算結果為：2個斷面均處于穩定狀態，與現狀相符。故以下將采用修正后的巖土物理力學參數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化。指標修正后支擋設計穩定性驗算結果為：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，安全系數為1.40＞1.35。優化以后邊坡支護方案如圖3所示，優化設計后與原方案的支擋參數對比見表6。

圖3 32-32邊坡支護剖面

表6 參數修正前后32斷面支護參數

從表6的對比可以看出，通過合理的地質參數，盡量減少邊坡挖方，利用原狀邊坡的自穩性，可以很大程度上優化設計結果，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，試驗數量及要求按錨索試驗技術要求及相關規范規定執行。

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，必須使漿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，并于錨固段一側的套管端部100～200 mm長度內繞扎工程膠布固定。

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）通過原始邊坡的穩定性狀態，同時結合邊坡勘察提出的巖土參數，可以對巖土參數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λ，可以確定c0與tanφ0的比值。

4）通過反復的試算，根據每一組λ取值下的強度參數計算得到穩定系數與給定的穩定系數之間的差值，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，稱之為修正后的強度參數。

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

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