山区房建边坡加固理论及处理措施

邢 涛

云南省设计院集团勘察院有限公司，云南 昆明 650228

1 土体抗剪强度理论

1.1 抗剪强度理论

土体抗剪强度定义为土体对外荷载所产生的极限抵抗能力，即在自重与外荷载作用下土体中任意一点在某一平面上发生剪切破坏时的状态被称为极限平衡状态。影响土体抗剪强度的指标不仅有其内在因素，还有外在因素，通常情况下包括土自身颗粒组成成分、土含水量、土颗粒结构孔隙及水等方面。

1.2 抗剪强度破坏准则

抗剪强度破坏准则是判断土体破坏的标准，常用的破坏准则包括库伦公式、莫尔-库伦破坏准则。库伦根据砂土试验提出了抗剪强度与剪切破坏面上的法向应力存在一定的线性关系，即

后来又提出了适合黏性土的表达式：

式中：σ为剪切面上法向应力；c为内聚力；为内摩擦角。

公式（1）和公式（2）同称为抗剪强度公式，由上述公式可以看出，无黏性土的抗剪强度与总应力成正比，其本质是在无黏性土中，颗粒之间的黏结效应几乎不存在，只存在颗粒之间的滑动摩擦和镶嵌作用所产生的摩擦阻力，其大小受土的颗粒粗糙密实度、颗粒级配等因素的影响。对于黏性土来说，抗剪强度由摩擦阻力和颗粒吸引产生的正应力共同组成。

同时，研究表明，土体抗剪强度不仅和土的各种性质有关，同时还与试验的排水条件、应力状态、剪切速率等因素有关。根据太沙基有效应力原理，土内的剪应力只能由土的骨架承担，因此土中的抗剪强度就牵扯到有效黏聚力和有效内摩擦角两个因素。这时，库伦公式可以表示为

式中：σ'为剪切面上有效法向应力；c'为有效内聚力；ϕ'为有效内摩擦角。

莫尔提出，由于土体的破坏是剪切破坏，当土中任意平面上的剪应力达到抗剪强度时，该点就发生破坏，并说明破坏面上的剪应力是该平面上法向应力的函数。莫尔-库伦准则则是以库伦公式作为土体抗剪强度公式，根据剪应力是否达到抗剪强度作为破坏标准的理论，即

式中：σ1为摩尔应力圆内大主应力；σ3为小主应力；α为作用面与大主应力作用面的夹角。

从公式（5）可以看出，应力和抗剪强度是一个函数关系，被称为莫尔包络线。在莫尔-库伦准则中，当给定土体的抗剪强度指标c、φ值以及土中某一定点的应力状态时，就可以画出莫尔包络线图来判断土体是否破坏，见图1。

图1 莫尔圆与抗剪强度关系图

如图1所示，在莫尔-库伦抗剪强度准则中，当整个莫尔圆位于抗剪强度包络线下方时，说明该点上任意平面上的剪应力都小于土体的抗剪强度，土体处于弹性平衡状态；当莫尔圆与抗剪强度包络线相切，说明该点上的剪应力正好处于极限平衡状态；当包络线是莫尔圆上的一条割线时，说明土体已经发生了破坏。

2 工程实例

2.1 工程概况

云南某山区为当地农民修建房屋，其位置在一山腰处。当地地势东北高西南低，地面高程为1882～1922m，相对高差约40m，自然横坡为10º～30º，斜坡多开垦为耕地，坡度较缓，山坡呈圈椅状，便于汇集地表水。场地地下水多汇集于低洼平缓处，受大气降水、基岩裂隙水和岩溶水的补给，受季节影响明显，流量变化较大。据调查，该地区山坡容易出现滑坡失稳现象。

2.2 山坡滑坡影响因素

（1）工程地质条件。该山坡受人工开挖的影响，易形成平缓土地，有利于雨水及地表水汇集，进而软化土层，不利于坡体稳定。下部为可硬塑状黏土及碎石土，从而形成较为明显的软硬分层。场地的地下水位均较浅，土体呈饱和状态，力学强度差。房屋地基填方后，阻碍并改变了原地表水、地下水的排泄路径，地表水、地下水排泄不畅，抬升了地下水位，浅部土层不断软化，土体抗剪强度不断降低，在上部加载及降水等作用下最终导致滑坡形成。

（2）诱发条件。地基填方加载引起浅部软（弱）土层压密变形，受软（弱）土层厚度及下伏基岩面起伏较大等因素控制而导致软（弱）土层的不均匀沉降；软（弱）土厚度较大、差异大，导致基底软（弱）土产生了较大的压缩变形及差异，并顺坡向出现了一定的横向滑移。原浅表地下水排泄通道受阻，部分地下水不能及时排泄而导致地下水位上升；地表水及地下水排泄不畅、地表水汇集浸泡软化浅表土层而抗剪强度降低、地下水水位上升导致侧向水压力显著增加而坡体下滑力增大，土层软化及抗剪强度降低而抗滑力减小，故最终导致了坡体的滑移，形成了滑坡。

2.3 结论分析

通过上述对滑坡体的分析可知，滑坡体内部岩土体工程力学性质很差，存在软（弱）土层及破碎地带，这决定了岩土体内部有滑坡风险的存在，加上在房屋修建过程中的排水不畅导致地下水位升高，软化土层，降低了土颗粒之间的黏结力，使整体的抗剪强度显著降低，同时房屋修建中外荷载作用破坏了土体原有的静力平衡状态，增加了下滑力。这一系列的内外因素使得该土体抗剪强度降低，土体剪切变形加大，整个土体处于极限平衡状态，当某一降水过程或者过载发生，土体极限平衡状态就被打破，产生土体滑坡。

2.4 工程处理措施

对该山坡滑坡稳定性进行分析，从山坡修建房屋最顶端处向下依次取A、B、C、D4个点，其计算结果见表1。

根据《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330—2013），结合表1，该工程选择如下治理措施：（1）在A点处以1∶0.5坡比向右侧开挖至原坡顶挡墙、抗滑桩顶进行清方减载；（2）在B、C点右侧12.25m设圆形抗滑桩基挡墙，承台每12m一段设3个圆形抗滑桩，桩长20～40m，左侧段圆形抗滑桩直径为1.6m；（3）D点处设圆形抗滑桩，直径为1.8m，承台宽4m，高2m；（4）挡墙顶宽0.6m，高3.5～6m，采用C20片石混凝土砌筑；（5）待抗滑桩基承台挡墙施工完成后，开挖排水渠。

上述治理措施的目的主要是减少滑坡体外荷载，降低地下水位，增强土体的抗滑力，使其保持一定的稳定性状态。

3 总结

山区工程水文地质条件比较复杂，因而山区建设中搞好水文地质勘测工作显得尤为重要。山区建设中，要高度重视岩土体性质，尤其是抗剪强度，尽量做好防治措施，避免滑坡带来的灾难性后果。抗剪强度理论是土体对外荷载所产生的极限抵抗能力，当土体在外荷载作用下发生剪切变形时，土体会发生剪切破坏。对山区房建工作中不良边坡体的加固理论和处理措施进行研究，可为山区房建工程防灾处理提供依据。