岩土荷载作用下坡体支护结构强度验算强制性规定的分析

方玉树

（1陆军勤务学院，重庆 401311；2岩土力学与地质环境保护重庆市重点实验室，重庆 401311）

0 引言

全文强制的《建筑和市政地基基础通用规范》（GB 55003—2021）（以下称《地基通用规范》）对岩土荷载作用下坡体支护结构强度验算作出了规定。具体情况是：

（1）第2.2.2条第4款规定：“在确定……支挡结构截面、……支挡结构内力、确定配筋和验算材料强度时，……挡土墙土压力以及滑坡推力，应按承载能力极限状态下作用的基本组合，采用相应的分项系数……”

（2）第7.2.1条规定：“支护结构构件按承载能力极限状态设计时，应符合下式规定：

式中：γ0——支护结构重要性系数；Sd——作用基本组合的效应（轴力、弯矩、剪力）设计值；Rd——支护结构构件的抗力设计值。”

（3）第7.2.3条第1款规定：“支护结构稳定性验算应符合下式规定：

式中：Rk——抗滑力、抗滑力矩、抗倾覆力矩、锚杆和土钉的极限抗拔承载力等土的抗力标准值；Sk——滑动力、滑动力矩、倾覆力矩、锚杆和土钉拉力等作用标准值的效应；K——安全系数。”

可以看出，第7.2.1条规定与第2.2.2条第4款规定是一致的。

第7.2.1条规定与第7.2.3条第1款规定来自“基坑工程”一章，是针对基坑工程的，“边坡工程”一章没有相应规定，但根据“基坑工程”一章在前、“边坡工程”一章在后这个排序和基坑工程与边坡工程的相似性，可以认为边坡工程支护结构构件承载力验算和稳定性验算的要求与第7.2.1条、第7.2.3条第1款的规定相同。如果不能这样认识，则意味着《地基通用规范》在边坡工程支护结构构件承载力验算和稳定性验算方面未作规定（即边坡工程方面存在缺项），此时，如果在边坡工程稳定性验算方面采用与第7.2.3条相同的做法，那是符合《地基通用规范》精神的。

笔者对这些强制性规定涉及到的与岩土荷载有关的坡体支护结构强度验算问题进行讨论并提出建议。为叙述方便，在分析中将第2.2.2条第4款中的支挡结构和第7.2.1条、第7.2.3条第1款的支护结构统称为支护结构。

1 关于坡体作用在支护结构上的岩土荷载类型

关于坡体作用在支护结构上的岩土荷载，《地基通用规范》第2.2.2条第4款用了而且只用了“挡土墙土压力”和“滑坡推力”两个类型，这意味着在《地基通用规范》中坡体作用在支护结构上的岩土荷载有而且只有挡土墙土压力和滑坡推力两种。这样做存在下列问题：

（1）未包括非滑坡的边坡（以下称边坡）作用在无挡墙的支护结构（如单纯或仅有护面的锚杆群）上的荷载。不同于有挡墙的支护结构，无挡墙的支护结构没有墙背，继而没有墙背摩擦角、没有方向与墙背法向夹角为墙背摩擦角的挡墙反力，无法根据这种挡墙反力建立力平衡方程。

（2）挡土墙土压力概念不适用于以稳定系数不小于稳定安全系数为要求的土质边坡。《地基通用规范》第2.2.2条第4款中与滑坡推力并列出现的挡土墙土压力包括，甚至主要是主动土压力（静止土压力或其修正值只用于需要控制变形的边坡），但主动土压力概念只适用于不要求稳定系数不小于稳定安全系数的情况，例如：挡墙背后全填方的情况。主要原因是：主动土压力是基于极限平衡（即挡墙反力作用下稳定系数为1）算得的，与大于1的稳定安全系数无关，当边坡稳定系数不小于1而小于稳定安全系数时，相应主动土压力为0或为负值。这表明，在此情况下，《地基通用规范》第2.2.2条第4款的规定未达到该规范前言所称的“保障……工程安全……的控制性底线要求”。主动土压力概念之所以适用于挡墙背后全填方这种情况，是因为：在挡墙形成前，不存在一个侧面位置及倾斜情况和墙背相同的边坡，因而无需采用稳定系数概念；同时，离开了挡墙，背后填土自身是不稳定的，要发生垮塌，即使单独计算背后填土的稳定性，其稳定系数也将小于1，也就是说，无论借助土压力计算还是借助稳定性计算，都会得出需要支挡的结论。据此可知，虽然主动土压力理论是为挡墙背后全填方的情况提出的，但在挡墙背后的全软土或无黏性土体不视为坡体，从而无需采用稳定系数概念时，抗失稳挡墙岩土荷载也可采用主动土压力理论计算。不过，这样做与挡墙地基稳定性验算的做法是不匹配的。在当今高大挡墙和复杂或软弱地基条件经常遇到的时代背景下，不经验算越来越难保证挡墙地基稳定性满足要求。因此这种不匹配的情况会时常出现。

（3）未包括岩质边坡和土岩组合边坡作用在挡墙上的荷载。《地基通用规范》第2.1.2条、第2.1.5条、第2.1.10条、第3.1.1条、第3.1.2条、第3.2.1条均已采用“岩土”一词，所以“挡土墙土压力”中的“土”不能理解为“岩土”。如果像《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330—2013）[1]（以下称《边坡规范》2013版）所做的那样，对岩质边坡给出主动岩石压力概念，那么，与挡墙主动土压力概念不适用于以稳定系数不小于稳定安全系数为要求的土质边坡同理，挡墙主动岩石压力概念不适用于以稳定系数不小于稳定安全系数为要求的岩质边坡。因所有岩质边坡都要求稳定系数不小于稳定安全系数而没有例外，故挡墙主动岩石压力概念对所有岩质边坡都不适用。

（4）将滑坡推力与挡土墙土压力并列且同等对待是不正确的。实际上，目前的设计除了将主动土压力和剩余推力视为两个不同来源（来自不同滑面）的力，未作其它区分。《地基通用规范》第2.2.2条第4款将滑坡推力与挡土墙土压力并列且同等对待正是这种错误的延续。滑坡推力一般指滑坡剩余推力（在我国工程界，绝大多数情况下指用剩余滑动力法算得的滑坡剩余滑动力）。剩余推力的特点与主动土压力相反，它与大于1的稳定安全系数有关（随其增大而增大），但不满足挡墙反力作用下的力平衡方程，即不是挡墙反力的反力。因此，与主动土压力可以直接用于背后全填方的挡墙设计计算不同，剩余推力不能直接用于支护结构设计计算。

顺便指出，《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）[2]第6.8.3条中的“（岩质边坡）作用在支挡结构上的推力”既像用剩余滑动力法算得的剩余滑动力一样不满足挡墙反力作用下的力平衡方程，即不是挡墙反力的反力，又像主动土压力一样与大于1的稳定安全系数无关（当边坡稳定系数不小于1而小于稳定安全系数时，相应推力为0或为负值）。

（5）对滑坡和边坡进行稳定性评价时，均以稳定系数不小于稳定安全系数为要求，却在抗失稳支护时分别用剩余推力和主动岩土压力代表作用在抗失稳支护结构上的岩土荷载，在道理上是说不通的。虽然滑坡中的滑面是既有的，边坡中的滑面是潜在的，但当二者的滑面强度参数和形态以及其他条件相同时，二者的抗滑稳定系数相同，此时，在稳定安全系数和支护位置及支护结构相同的情况下，作用在抗失稳支护结构上的岩土荷载不应该不同。

笔者主张，将坡体作用在支护结构上的岩土荷载简称为坡体支护结构岩土荷载；将坡体支护结构岩土荷载分为坡体抗变形支护结构岩土荷载和坡体抗失稳支护结构岩土荷载（当不涉及滑动以外的失稳方式时，可称坡体抗滑支护结构岩土荷载）；坡体抗变形支护结构岩土荷载采用静止岩土压力修正法计算；坡体抗失稳支护结构岩土荷载采用按稳定性公式反算法计算。这里的“坡体”包括了滑坡坡体和非滑坡坡体、永久坡体和临时坡体，也可以包括挡墙背后全填方这种在设置挡墙之前以墙背为坡面的坡体物质尚未形成的坡体。

采用按稳定性公式反算法算得的坡体抗滑支护结构岩土荷载与最末条块传递的剩余滑动力的关系是：

式中：Pn——最末条块所传每延米剩余滑动力（kN/m）；θn——最末条块滑面倾角（°），滑面倾向与滑动方向相同时取正值，滑面倾向与滑动方向相反时取负值；φn——最末条块滑面内摩擦角（°）；Fst——坡体抗滑稳定安全系数；R0n——最末条块所传每延米岩土荷载的反力（kN/m）；αn——最末条块所传每延米岩土荷载的反力倾角（°）；反力方向指向斜下方时取正值，指向斜上方时取负值。

由此可知，按稳定性公式反算法所得抗滑支护结构岩土荷载一般大于剩余滑动力。

当滑面为直线形而主动土压力计算采用库伦型土压力理论时，用按稳定性公式反算法所得抗滑支护结构岩土荷载是滑面内摩擦系数和粘聚力按除以抗滑稳定安全系数的方式调整后所得主动土压力，也就是说，用除以抗滑稳定安全系数后的滑面新内摩擦系数和新粘聚力替换滑面原有内摩擦系数和粘聚力所得主动土压力就是用按稳定性公式反算法所得抗滑支护结构岩土荷载。由此可知，按稳定性公式反算法所得抗滑支护结构岩土荷载总是大于主动土压力。

采用笔者主张后，前述几个问题均不再存在。很多岩质边坡抗滑稳定性很高，但为防范拉裂变形，也需要支护，关于此种情况的岩土荷载计算问题，《边坡规范》2013版采用基于虚假的“岩体等效内摩擦角”计算虚假的“主动岩石压力”的方法来解决，这个思路是错误的。但这与主动土压力概念无关，也与主动岩石压力概念无关，因而与《地基通用规范》及其精神无关。静止岩土压力修正法可以解决岩质边坡抗变形支护结构岩土荷载计算问题。一些土质边坡抗变形支护结构岩土荷载视情采用静止土压力或其与主动土压力的平均值，当不采用主动土压力概念时，静止岩土压力修正法也可以解决土质边坡抗变形支护结构岩土荷载计算问题（该法可以包括以静止土压力为抗变形支护结构岩土荷载的情况，此时修正系数取1即可）。

按稳定性公式反算法和静止岩土压力修正法，笔者在多年前便已提出[3-5]，对此，拙著[6]有两个专章的论述。

2 关于岩土荷载作用下坡体支护结构材料强度验算

在坡体支护结构材料强度验算中，在岩土荷载同雪荷载和风荷载一样是标准值的情况下，像《地基通用规范》第2.2.2条第4款和第7.2.1条规定的那样，岩土荷载“按承载能力极限状态下作用的基本组合，采用相应的分项系数”并乘以支护结构重要性系数是很正常的。但第2.2.2条第4款中的滑坡推力不是像雪荷载和风荷载那样的标准值，而是与随支护结构重要性变化的稳定安全系数有关，随稳定安全系数增大而增大。因此，滑坡推力“按承载能力极限状态下作用的基本组合，采用相应的分项系数”并乘以支护结构重要性系数的规定是不正确的。在滑坡推力刚好等于由按稳定性公式反算法算得的坡体抗滑支护结构岩土荷载时，这种规定不属于《地基通用规范》前言所称的“保障……工程安全……的控制性底线要求”。当然，由于滑坡推力不是作用基本组合的结果，滑坡推力在性质上也不是荷载设计值。

由按稳定性公式反算法算得的坡体抗滑支护结构岩土荷载与滑坡推力同质，即：与随支护结构重要性变化的稳定安全系数有关，随稳定安全系数增大而增大，因此，对这种荷载也不能要求按承载能力极限状态下作用的基本组合，采用相应的分项系数，并乘以支护结构重要性系数。同样，这种荷载在性质上也不是荷载设计值。

由按稳定性公式反算法算得的坡体抗失稳支护结构岩土荷载是刚好使坡体稳定的支护力之反力。因此，当用安全系数表示支护结构安全度时，在理论上，坡体抗失稳支护结构安全系数可取1，或者说，坡体抗失稳支护结构极限承载力等于抗滑支护结构岩土荷载即可。但是，坡体抗失稳支护结构极限承载力的确定存在明显误差，比如：抗失稳支护结构岩土荷载在竖直和水平方向上的分布也难以准确确定，这导致抗失稳支护结构极限承载力的确定即使在构件极限承载力计算无误差时也有明显误差；另外，由于锚杆受拉力作用时砂浆与岩土层界面上应力分布不均并且因锚固长度的不同而不同，靠试验和相应经验确定的砂浆与岩土层极限粘结强度标准值有明显误差，尤其是工作条件会引起锚杆承载力发生很大变化。如果为考虑抗失稳支护结构极限承载力这一新因素的误差对稳定性计算结果的影响而提高稳定安全系数，又会造成同一工程重要性等级和同一失稳类型下的稳定安全系数取值不统一。因此，抗失稳支护结构本身应有一定安全度，但其安全度应低于以主动土压力为荷载时所设计的挡墙。

坡体支护结构材料强度验算时，鉴于按稳定性公式反算法算得的抗失稳支护结构岩土荷载随坡体稳定安全系数的增大而增大，而稳定安全系数随工程重要性的提高而提高，将这种荷载乘以结构重要性系数已无必要；鉴于坡体抗变形支护结构用于抗变形，其岩土荷载乘以结构重要性系数也无必要。

综合本节和上节所述，笔者主张，在坡体支护结构材料强度验算中，坡体抗变形支护结构岩土荷载按承载能力极限状态下作用的基本组合，采用相应的分项系数并乘以支护结构重要性系数，坡体抗失稳支护结构岩土荷载采用承载能力极限状态下作用的基本组合，但分项系数取1.0，支护结构重要性系数取1.0。

从这里和下节可以看出，由按稳定性公式反算法算得的抗失稳支护结构岩土荷载很特别：它在性质上既不是荷载标准值，也不是荷载设计值，但为符合强度验算的统一规则，需要在分项系数法中视为荷载分项系数为1.0的荷载设计值，在安全系数法中视为要求减小安全系数的荷载标准值。

笔者的上述主张在拙著[6]中已有较详细的论述。

3 关于坡体支护结构中锚杆和土钉抗拔承载力验算

《地基通用规范》第7.2.3条第1款将支护结构中锚杆和土钉抗拔承载力验算归为支护结构稳定性验算，要求锚杆和土钉拉力标准值与安全系数之积不小于锚杆和土钉的极限抗拔承载力这个土的抗力标准值。这一规定存在下列问题：

（1）将锚杆和土钉的极限抗拔承载力这种抗力归入土的抗力是不合适的。锚杆和土钉的极限抗拔承载力这种抗力不都属于土的抗力，在某些条件下锚杆和土钉的极限抗拔承载力受制于筋材极限抗拉断承载力或筋材极限抗拔承载力。岩石锚杆承载力也不属于土的抗力。

（2）将支护结构中锚杆和土钉抗拔承载力验算归为支护结构稳定性验算是不合适的。

①一般意义上说，锚杆和土钉的极限抗拔承载力由筋材极限抗拉断承载力、筋材极限抗拔承载力和锚固体极限抗拔承载力三者的小值决定，因此，锚杆和土钉承载力验算涵盖了筋材抗拉断承载力验算、筋材抗拔承载力验算和锚固体抗拔承载力验算。其中，前两种验算属于支护结构材料强度验算，《地基通用规范》是对材料强度验算和支护结构稳定性验算分别作出规定的；后一种验算属于支护结构岩土强度验算，与地基（桩基）承载力验算相当，《地基通用规范》是对地基（桩基）承载力验算和支护结构稳定性验算分别作出规定的。

②当支护结构承担岩土荷载的能力完全取决于锚杆群和土钉群时，一根锚杆和土钉抗拔承载力不满足要求并不表示所在支护结构稳定性不满足要求。

③当有挡墙的支护结构含有锚杆（如锚杆挡墙和锚拉桩挡墙）时，锚杆只是支护结构的一个组成部分，锚杆抗拔承载力验算显然不是支护结构稳定性验算。

（3）对锚杆和土钉的拉力类型不加区分是不合适的。如上两节所述，坡体抗失稳支护结构岩土荷载应根据按稳定性公式反算法计算，它在强度验算中不能像坡体抗变形支护结构岩土荷载那样对待，坡体支护结构中锚杆和土钉的拉力系由坡体支护结构岩土荷载算得，坡体抗失稳支护结构中锚杆和土钉的拉力也不能像坡体抗变形支护结构中锚杆和土钉的拉力那样对待。

（4）不给出锚杆和土钉承载安全系数取值要求是不合适的。在此情况下，安全系数即使取1.001或者1.01也没有违反《地基通用规范》的规定，而这样取值时，涉锚杆和土钉支护的工程安全度是远远不够的。也许有人认为，安全系数取值可以由其他标准确定。这一认识是不正确的，因为《地基通用规范》留下这个空白意味着该规范对支护锚杆和土钉没有给出其前言所称的“保障……工程安全……的控制性底线要求”。

为解决上述问题，理论上可以采取下列办法：锚杆和土钉材料强度验算（即筋材抗拉断承载力验算和筋材抗拔承载力验算）采用笔者在上节提出的主张；岩土强度验算（即锚固体抗拔承载力验算）按地基（桩基）承载力验算对待，采用安全系数法（关于地基（桩基）承载力验算改允许应力法为安全系数法这一主张的详细论述见笔者另文[6-7]），给出不随工程安全等级变化的承载安全系数取值（安全系数不随工程安全等级变化的做法与分项系数法中支护结构重要性系数取1.0的做法是一致的），其中，抗失稳支护结构中锚固体抗拔安全系数小于抗变形支护结构中锚固体抗拔安全系数。

但采取上述办法存在下列两个缺陷：

①为使安全度不下降，采用分项系数法时需引入工作条件系数（就像《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330—2002）[8]所做的那样），这使得计算方法不完全符合分项系数法的概念。但如果取消工作条件系数，又会使得筋材承载安全度显著降低。

②锚固段长度需取由筋材与砂浆粘结强度决定的锚固段长度和由砂浆与岩土体粘结强度决定的锚固段长度二者的大值，同是锚固段长度，一个（由杆体与砂浆粘结强度决定的锚固段长度）用分项系数法，一个（由砂浆与岩土体粘结强度决定的锚固段长度）用安全系数法，这使得设计计算较易出错。

为此，笔者主张：将锚杆和土钉承载力验算的规定单列（相应地，关于坡体支护结构材料强度验算的规定需注明不包括锚杆和土钉）；锚杆和土钉材料强度验算（即筋材抗拉断承载力验算和筋材抗拔承载力验算）和岩土强度验算（即锚固体抗拔承载力验算）均采用安全系数法，给出不随工程安全等级变化的承载安全系数取值，其中，抗失稳支护结构中锚杆承载（筋材抗拉、筋材抗拔、锚固体抗拔）安全系数小于抗变形支护结构中锚杆承载（筋材抗拉、筋材抗拔、锚固体抗拔）安全系数。

笔者的上述主张（包括承载安全系数取值）在拙著[6]中已有较详细的论述。

4 结论与建议

（1）将作用在坡体支护结构上的岩土荷载划分为挡土墙土压力和滑坡推力两类是不正确的，将主动岩土压力用作边坡抗失稳支护结构岩土荷载造成抗滑稳定系数大于或等于1但抗滑未达稳定的坡体和抗滑稳定但有拉裂变形之虞的永久高陡岩质边坡得不到治理，将给工程造成严重安全隐患。建议：将坡体作用在支护结构上的岩土荷载简称为坡体支护结构岩土荷载，将坡体支护结构岩土荷载分为坡体抗失稳支护结构岩土荷载（当不涉及滑动以外的失稳方式时可称坡体抗滑支护结构岩土荷载）和坡体抗变形支护结构岩土荷载，坡体抗失稳支护结构岩土荷载采用按稳定性公式反算法计算，坡体抗变形支护结构岩土荷载采用静止岩土压力修正法计算。这里的“坡体”包括了滑坡坡体和非滑坡坡体、永久坡体和临时坡体，也可以包括挡墙背后全填方这种在设置挡墙之前以墙背为坡面的坡体物质尚未形成的坡体。

（2）在坡体支护结构材料强度验算中，对抗变形支护结构岩土荷载和抗失稳支护结构岩土荷载不加区分、同等对待的做法是不正确的。建议：在除锚杆和土钉外的坡体支护结构材料强度验算中，坡体抗变形支护结构岩土荷载按承载能力极限状态下作用的基本组合，采用相应的分项系数，但支护结构重要性系数取1.0；坡体抗失稳支护结构岩土荷载采用承载能力极限状态下作用的基本组合，但分项系数取1.0，支护结构重要性系数取1.0。

（3）将锚杆和土钉的极限抗拔承载力这种抗力归入土的抗力、将支护结构中锚杆和土钉抗拔承载力验算归为支护结构稳定性验算、对锚杆和土钉的拉力类型不加区分这些做法都是不合适的，而不给出承载安全系数取值要求将留下安全隐患。建议：锚杆和土钉材料强度验算（即筋材抗拉断承载力验算和筋材抗拔承载力验算）和岩土强度验算（即锚固体抗拔承载力验算）均采用安全系数法，给出不随工程重要性等级变化的锚杆承载安全系数取值，其中抗失稳支护结构中锚杆承载（筋材抗拉、筋材抗拔、锚固体抗拔）安全系数小于抗变形支护结构中锚杆承载（筋材抗拉、筋材抗拔、锚固体抗拔）安全系数。

（4）长期的错误不应当作成熟的经验被强制延续。