岩质超限边坡设计现状及展望

近年来，随着我国经济的快速发展，城乡建设相继出现了多项规模巨大、影响面广的大型工程。我国地形地貌复杂多样，分布着大量的山地、高原、丘陵、盆地等，部分工程项目建设区域普遍存在地形复杂、山势陡峭、高差较大、高填深挖等现象，使得高边坡问题成为工程建设领域常见重要问题之一，尤其是岩石高边坡问题已成为工程领域的热点和难点，给工程建设项目的投资、施工、工期、环境、安全运营等带来巨大影响。本文在分析规范对不超过30m的高边坡设计方法的基础上，总结现阶段岩质超限边坡在安全系数、参数选择、地质调查和勘察方法、动态设计等方面存在的问题，并对超限边坡在设计参数选择、变形计算、暴雨工况、施工爆破工况等方面的设计作出展望。

规范对不超过30m的高边坡设计要求及现状

建筑、公路和市政设计规范[1]-[3]中都把30m作为超限边坡分界，而对于30m以下的岩质高边坡、无外倾软弱结构面的岩质挖方边坡，则按坡率法进行设计。具体情况见表1。

建筑、公路和市政在III、IV类岩质边坡坡率取值基本一致，但建筑边坡规范在I、II类坡率更大，而公路、市政工程坡率更小。上述规定的不一致，致使出现了公路、市政高边坡坡率比较平缓、建筑高边坡相对陡峭的现状。

表1 公路、市政路基和建筑边坡规范关于岩质挖方边坡坡率表

表2 公路、市政路基和建筑边坡规范关于边坡的安全系数

上述规范规定的坡率成为设计单位的重要参考标准，客观上造成超限边坡的最终设计边坡只能小于上述坡率，若超限边坡采用坡率法进行设计，坡口占地范围会随着边坡高度的增加越来越大，否则只能采取边坡加固增加坡率的方案，最终将造成单个工点的边坡造价越来越高，严重影响项目的推动和实施。

边坡的稳定坡率受边坡的坡高、岩体的产值、质量等级、岩体的力学参数、施工方案、项目使用寿命、周围环境等多重因素影响。在上世纪七八十年代西南地区设计建设的低等级公路项目中，存在大量陡峭的边坡，许多边坡一坡到顶，最大边坡高度达50m ～60m，坡率均大于表1所示边坡坡率，坡率表与作为稳定性的边坡安全系数并不匹配。岩质超限边坡坡率，应按数值分析法所得出的稳定性计算结果来确定。

超限边坡现状及存在问题

稳定计算

建筑边坡规范对超限边坡的设计和施工应进行专门的论证。

城市道路路基设计规范对超限边坡规定为：宜综合采用工程地质类比法、图解分析法、极限平衡法和数值分析法进行稳定评价，再进行个别设计。

公路路基设计规范对超限边坡规定为：应遵循“以定性分析为基础、定量计算为手段”的原则，进行稳定性计算。稳定计算方法主要有简化Bishop、平面滑动面解析法、不平衡推力法、持平投影法和实体比例投影分析法及楔形滑动面法、数值分析法。

边坡安全系数

不同规范对边坡安全系数要求如表2所示。

边坡是否处于稳定状态是进行边坡分析的首要问题，目前国内外常用的办法是采取边坡稳定系数分析法。科研单位、高校、工程设计单位都十分重视安全系数，并进行了大量的研究，但由于行业、工程重要性、习惯经验、区域差异等方面的不同，导致设计安全系数比较混乱，各行业以及不同地区所采用的设计安全系数存在较大差异。即使同一行业在进行某一具体工程项目安全系数取值时，不同人员采用的不同计算模式、方法，也会对安全系数的结果产生较大的影响，通常需要通过人为提高安全系数的方式来提高安全度。边坡是否稳定是一个相当复杂、非简单的线性关系，边坡的状态是动态、开放的，施工爆破、地震等都会对边坡的软弱夹层产生巨大影响，软弱夹层稳定系数降幅约30%～35%，远大于一般5%～10%的假设。规范仅考虑了暴雨或连续降雨工况，研究表明，边坡软弱夹层强度在长期地下水作用下会显著下降，仅为直剪强度的64%。采用单一的安全系数难以满足实际需要，相关分析评价体系亟待进一步完善。

边坡力学参数取值

岩体力学参数相对于土体力学而言，更不易获得。市政工程边坡参数取值参考建筑工程边坡，建筑和公路行业的规范多优先采取工程岩土试验标准获得相应的力学参数或结合经验值的方法，在结构面、岩体抗剪指标值取值规定上基本一致。

根据大量工程经验总结出来的结果，建筑边坡工程可采用等效内摩擦角参数进行计算，其标准值见表3。

边坡工程设计，首先要选择岩体设计参数。参数选取是边坡设计的关键环节，关系到工程的成败。采用原位试验方法确定岩体强度参数比较合理，但是现场试验需要较长时间，费用昂贵。目前，大部分勘察设计单位多采用经验法提供岩土参数，等效内摩擦是其中最为重要的一项参数。然而相关研究表明，等效内摩擦角并不是真正的岩体等效内摩擦角的近似值，导致抗滑设计失去阈值。对于粘聚力远大于土体和软弱结构面受强度控制的岩质边坡，建议舍弃等效内摩擦角概念[5]。在进行岩质超限边坡设计前，应加强对周边既有人工高边坡、天然高边坡、采石场、天然断裂面等方面的调查，尤其是对开挖高度、岩层产值、结构面高度类似的边坡展开深入研究，为超限边坡的判断提供依据。

岩质超限边坡设计存在的其他问题

近年来，虽然我国在高边坡破坏变形机理、稳定评价、边坡加固、边坡监测等方面的研究取得巨大进展，但是从勘察设计方面进行分析，仍存在一些不足：

一是过于注重研究钻孔岩芯照片，区域地质资料调查不够全面，对水文地质、区域地质、边坡地质灾害调查不够详细，对周边既有高边坡的调查、分析和评价不够充分和全面。

二是勘察技术投入不够、手段落后，多采用小孔径的单管钻探法，对岩体扰动、破坏较大，不能有效评价岩体的倾向、倾角及软弱结构面的状况；缺少必要的现场试验，岩土参数多以间接方法获得，尤其是软弱结构面评价，参数取值依据不足，也不合理。

三是我国的科研单位、高校学者虽然在边坡稳定计算、参数选取、参数反算、变形预测、室内试验等方面做了大量工作，但是高边坡设计工作大部分是由国内各家设计院承担，理论与实际脱离，致使许多理论研究没有应用到具体的工程中，不能解决具体的工程问题。

四是边坡动态设计的理念没有得到有效贯彻。目前，国内大部分市政、公路、建筑工程多由设计和施工两家不同的单位承担。在设计阶段，为了保证边坡安全，设计单位采用大量的锚杆、锚索对边坡进行加固或调整坡率的方法，确保边坡系数足够大，设计过于保守。同时在施工阶段，存在对边坡的开挖、工序、加固、排水等环节重视不够的现象，由于受制于现有建设程序和制度约束，为了避免不必要的变更等，如若边坡未出现异常现象，设计单位也不会根据边坡监测数据调整边坡设计参数，边坡监测数据未能得到有效利用。

表3 边坡岩体等效内摩察角标准值

超限边坡设计展望及建议

采用工程类比法

工程地质具有高度的关联性、相似性和可比性，建设工程不是孤立的。工程地质类比法相比较其他方法，更具有可靠、方便、经济等特点。在进行岩质超限边坡设计前，应加强对周边既有人工高边坡、天然高边坡、采石场、天然断裂面等方面的调查，尤其是对开挖高度、岩层产值、结构面高度类似的边坡展开深入研究，为超限边坡的判断提供依据。建议对类似的稳定边坡，反算边坡岩体、结构面力学参数。

优化边坡暴雨设计工况

现阶段，高边坡设计在暴雨或连续暴雨阶段的安全稳定系数多小于一般工况，许多公路、铁路项目的高边坡在雨季施工期经常出现滑坡现象。相关研究表明，岩石浸水后会发生软化、膨胀、崩解等现象，岩石的强度随含水率增加不断下降，最终达到一个平稳值。有的岩体单轴抗压强度下降高达50%，粉质泥岩、砂岩的粘聚力降幅高达50%，强风化花岗岩的粘聚力降幅达33%。具体情况如表4所示。

表4 边坡岩土内摩擦的折减系数

暴雨工况下，岩石的软化程度采用表4计算出来的安全系数显然过小，与实际情况不符。在施工阶段，不同坡级受暴雨浸泡的时间也不尽相同，位于不同高度处的边坡采用同一安全系数也不合理。为此，建议根据岩石类型、结构面分布，加强观测和原位测试，建立岩体强度与时间周期的本构关系，从而计算出边坡不同位置、时间的安全系数。

引入应力位移场等边坡计算新方法

现有的国内边坡设计规范规定主要集中在边坡的破坏机理、稳定性方面，应用最多的方法是极限平衡法，而变形计算规范规定主要集中在支护结构，如挡土墙、抗滑桩、锚杆、锚索等方面。实际上边坡情况异常复杂，同一高度不同岩土类型的边坡会产出不同的变形，即使同一高度、同一岩土类型的边坡在不同工况、边坡位置、不同时间变形也会不同，在实际工程中与变形对应的安全稳定性问题成为一个难点和棘手问题。国内，杨光华[6]、韩小雷[7]等学者对应力位移场和边坡安全等进行了研究并取得了较大进展。设计单位有必要引入应力位移场等边坡计算新方法进行边坡设计，以指导设计、施工和监测。

完善岩石爆破设计及施工

岩石边坡经常采用爆破法，爆破会对岩体周围产生不同程度的破坏，尤其是顺层岩质边坡，致使许多边坡在施工过程中经常出现垮塌、滑坡现象。爆破会引起软弱泥化层水膜化，使泥化夹层的抗剪强度大幅降低，有的甚至接近于零，还会引起高应力岩体卸载，在边坡顶部产生开裂、倒变形破坏。由此可见，爆破的施工工况计算、施工方案对边坡工程非常重要。

爆破荷载作用的岩质边坡安全系数、安全阈值、变形分析，采用动态响应特征法进行分析，显然比拟静力法更加接近事实情况、更加科学，能够更好地反映边坡的真实状态。边坡设计规范及施工应引进边坡动力法的相关研究成果，增加施工爆破工况验算内容，并针对不同岩层、坡段位置采取不同的安全措施。

结论

基于上述分析，本研究得出以下结论：

一是规范规定的30m以下高边坡坡率法不能真实反映边坡的安全状态，超限边坡的坡率设计不应受规范规定的最大坡率限制，应以稳定计算方式确定。规范在设计安全系数上比较混乱，各行各业取值差异较大，采用单一的安全系数难以满足实际需要，必须完善分析评价体系；二是建议岩质超限边坡在参数取值方面，不采用等效内摩擦角进行稳定计算，推荐采用工程类比法反算岩体参数，尤其是粘聚力，加强工程地质调查和原位测试。要获得高质量的超限边坡设计，必须落实好边坡动态设计；三是建立岩体强度与时间周期的本构关系，采用应力位移场建立边坡变形与安全稳定性性关联；四是超限边坡设计需完善暴雨工况内容，根据岩石软化指标、坡率位置制定不同稳定系数。存在软弱夹层、顺层产状的超限边坡在施工爆破过程中易出现垮塌、滑坡等现象，建议在岩质超限边坡的稳定分析中引入采用动力法，并完善边坡施工工况验算。