关于有外倾结构面的岩质边坡作用在抗滑桩上荷载取值的探讨

【摘要】本文对存在外倾结构面的岩质边坡进行受力分析，建立在抗滑桩提供的抗力、滑体重力、滑面强度提供的抗滑力、滑面对滑体提供的支撑力作用下保持“平衡”的力学模型，并建立了抗滑桩提供的抗力力值与平面滑动法中剩余下滑力力值的关系式，关式表明：无论采用剩余下滑力力值还是采用其水平分力力值作为支挡结构的荷载取值，都不能确保工程设计的安全性。

【关键词】外倾结构面;岩质边坡;抗滑桩提供的抗力;剩余下滑力力值           【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.34.078

1、引言

随着城市的发展，工程建设大量开展，建设空间越来越狭窄，很多城市特别在重庆，大量的工程建设开始向地下空间发展，地下空间的开发过程中，势必会形成大量的挖方岩质边坡，岩质边坡稳定性问题越来越受到工程的重视，稳定性主要受两种情况控制：一种为无外倾结构面（外倾结构面系指倾向与坡向的夹角小于30°的外倾结构面（1））的边坡，稳定性受岩体强度控制;另一种为有外倾结构面的边坡，稳定性受结构面性状控制。针对该类有外倾结构面岩质边坡的治理，抗滑桩支护结构以施工方便、布置灵活、技术成熟等优点在空间狭窄的施工现场得到了广泛地应用。

在抗滑桩设计时，作用在抗滑桩上的荷载取值问题在工程界做法不一，但大体上有两种做法：（1）以传递系数法（或平面滑动法）为基础，取支挡结构处的剩余下滑力作为支挡结构上的荷载，文献3中的条文说明对这一方法予以肯定，认为是“切合实际”。（2）剩余下滑力的作用方向为沿滑向方向与抗滑桩支挡结构提供的抗滑力水平方向不一致，采用剩余下滑力作为支挡结构荷载是合适的。很显然，第一种做法的设计者认采用剩余下滑力值作为支护结构上的荷载使工程设计安全，而第二种做法的设计者认为采用剩余下滑力值作为支护结构上的荷载使工程设计不够经济。

2、岩质边坡支护设计时常用的荷载计算

岩质边坡主要是指在工程建设过程中，进行土石方开挖形成的坡体主要为岩体的边坡，根据边坡坡向与岩体结构面倾向不同，有外倾结构面的岩质边坡（顺向边坡）、无外倾结构面岩质边坡，针对边坡支护设计时作用在支护结构上的荷载取值，业界认识各不相同，以下两种情况为常用的计方法。

对无外倾结构面岩质边坡，边坡的稳定性主要由岩体强度控制，通常以岩体等效内摩擦角按侧向土压力方法计算岩石压力并将其作为支护结构上的荷载，当坡顶有重要建（构）筑物时，根据建（构）筑物基础埋深及距坡脚线的水平距离进行修正，当基础外边缘距脚线的水平距离小于基础深埋一半时，取以岩体等效内摩擦角取主动土压力方法计算，并根据边坡岩体类型进行修正。当基础外边缘距脚线的水平距离不小于基础深埋一半时，取以岩体等效内摩擦角取主动土压力方法计算岩体侧压力。

对有外倾结构面（潜在滑面）的边坡，一般边坡稳定性由结构面强度和岩体强度其中较弱者控制，支护结构荷载一般取剩余下滑力与岩土侧压力两者较大值。当外倾结构面为硬性结构面时，岩土侧压力应分别以外倾硬性结构面的强度参数按《建筑边坡工程技术规范》（GB50330-2013）中6.3.1条的方法计算和以岩体等效内摩擦角按侧向土压力计算出的岩体侧压力，取两都较大值;当坡顶有重要建筑物时，岩体侧压力应进行修正。

针对有外倾结构面的边坡，当由结构面强度控制边坡稳定性时，将剩余下滑力作为支护结构上的作用荷载是最为常见的一种取值方法。笔者认为有外倾结构面的岩质边坡支护设计的目的是在抗滑桩提供的抗力、滑体重力、滑面强度提供的抗滑力、滑面对滑体提供的支撑力作用下保持“平衡”（这里的平衡是考虑了一定安全余度的平衡，如考虑一定的安全系数下，扩大下滑力）的一种简化的平面力系，并非一种单一的下滑力与支挡力作用的简单的二力“平衡”。本文基于这种理念建立了抗滑桩提供的抗力力值与平面滑动法中剩余下滑力力值的关系。

3、滑体作用力分析

假设有外倾结构面的岩质边坡，岩层层面平直，不受地下水作用，坡顶无荷载等，滑体受到的荷载有自重G、抗滑桩的支挡作用力F、滑面强度产生的抗滑力f、滑面对滑体提供的支撑力N，设岩层层面倾角为α，滑体受力简图如图1

根据建筑边坡工程技术规范（GB50330-2013）A.0.2平面滑动法计算边坡稳定性系数计算公式（A.0.2-1），边坡剩余下滑力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—边坡安全系数;

在不考虑坡顶荷载和后缘裂隙水压力及滑面水压力情况下，滑体受力如图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 —滑面长度（m）。

当在支挡结构支挡力F作用下对滑体进行受力分析可知：

下滑面抗滑力：

（3）

支挡结构在滑面处的抗滑分力为： ;滑面处下滑力为： ;

根据平面滑动法则：

（4）

即：

（5）

由式（2）、式（5）得：

（6）

当时，P>F，则用剩余下滑力作为支挡结构上作用荷载时，荷载偏大，不经济;当时，P<F ，则用剩余下滑力作为支挡结构上作用荷载时，荷载偏小，不安全;

令：

（7）

根据三角函数关系式有：

（8）

由于 ，则 ;因此当时，Y>0，P>F;时，Y>0，P<F;时，Y=0，P=F;

由此可见无论采用剩余下滑力力值还是采用其水平分力力值作为支挡结构的荷载取值，都不能确保工程设计的安全性，是造成工程设计不经济还是不安全与滑面倾角及滑面内摩擦角有关，岩层层面倾角越陡，层面结合越差，采用剩余下滑力作为支挡结构上作用荷载时，越不安全。岩层层面倾角较缓时，层面结合较好，采用剩余下滑力作为支挡结构上作用荷载时，安全性较好，经济性较差。

4、工程实例

某场地岩体为中风化砂岩泥岩互层，岩层产状为102°∠25°，场地体发育两组裂隙分别为J1：产状290 ° ∠56 °，J2：产状192°∠80°，根据设计方案平场后，将形成高度不等、坡向各异的岩质基坑边坡，垂直开挖。根据场地内勘察报告，岩体平均重度取24.8kN/m3，岩层层面内摩擦角取16 °，内粘聚力取25kPa，裂隙面内摩擦角取18 °，内粘聚力取50kPa，边坡安全等级为一级，安全系数取1.35。

当岩层层面为外倾结构面时有： ，F=0.97P;

当裂隙J1为外倾结构面时有： ，F=1.21P;

当裂隙J2为外倾结构面时有： ，F=1.93P;

上述计算结果表明：在该场地内，若岩质边坡为顺向边坡，边坡稳定性由岩层层面强度控制，采用剩余下滑力为支挡结构上的荷载时，工程设计安全好，经济性差;若岩质边坡存在裂隙J1外倾结构面或裂隙J2外倾结构面时，采用剩余下滑力为支挡结构上的荷載时，工程设计安全性差。在外倾结构面强度一定的情况下，结构面倾角越陡，采用剩余下滑力为支挡结构上的荷载时，安全性越差。

结论：

本文对存在外倾结构面的岩质边坡进行受力分析，建立在抗滑桩提供的抗力、滑体重力、滑面强度提供的抗滑力、滑面对滑体提供的支撑力作用下保持“平衡”的力模型，并建立了抗滑桩提供的抗力力值与平面滑动法中剩余下滑力力值的关系式。并通过工程实例对新的计算公式进行了验证，得出以下结论：

（1）无论采用剩余下滑力力值还是采用其水平分力力值作为支挡结构的荷载取值，都不能确保工程设计的安全性。

（2）当时，平面滑动法中剩余下滑力力值大于抗滑桩提供的抗力力值;当时，Y>0，平面滑动法中剩余下滑力力值小于抗滑桩提供的抗力力值;时，平面滑动法中剩余下滑力力值等于抗滑桩提供的抗力力值。

（3） 在外倾结构面强度一定的情况下，结构面倾角越陡，采用剩余下滑力为支挡结构上的荷载时，安全性越差。

参考文献：

[1]重庆市城乡建设委员会.（GB50330-2013）建筑边坡工程技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.

[2]中国建筑科学研究院.（JGJ120-99）建筑基坑支护技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，1999.

[3]中华人民共和国建设部.（GB50021-2001）岩土工程勘察规范（2009年版）北京：中国建筑工业出版社，2009.

作者简介：

袁恒，1983年生，男，湖北黄冈人，高级工程师，主要从事岩土工程勘察设计及施工质量检测工作。