高边坡工程抗剪强度参数反演分析修正及应用

曹 慧 许利东 吕仲鸣

云南建投基础工程有限责任公司 云南 昆明 650501

边坡岩土体抗剪强度参数的微小变化会导致滑坡推力的大幅度增长或减小，所以合理的抗剪强度参数取值是保证边坡稳定性评价结果准确性的关键[1]。用于获取边坡工程地层抗剪强度指标的方法有很多种，比如土工试验法、经验法和反演法，但因岩土试样在取样、运输、试验的过程中会受到不同程度的扰动，尤其是破碎的风化岩层，所以很多时候试验法得到的参数并不能完全反映岩土体的全部真实状态[2]。反演分析法是根据边坡现状、监测数据等联系滑动面位置与地层抗剪强度参数间内在规律进行抗剪强度参数反演的方法。本文通过一个高边坡工程实例，在工程已有试验法得到的物理力学参数的基础上，发现已开挖边坡工程稳定性与地层试验法得到的抗剪强度指标不匹配，进而提出采用反演法对地层抗剪强度指标进行修正，以指导边坡工程的支护设计。

1 工程实例

1.1 项目概况

拟建某高级中学选址建设用地位于红河县乐育镇然仁村委会石岗的一处山凹缓坡，总用地面积约244亩（约162 666 m2）。场地现状下为空地，原地形为坡地，拟建场地周边有乡村道路通过，交通条件一般。

拟建建筑物包括教学楼、图书馆、实验楼、专用教室、报告厅、艺术室、行政办公楼、风雨球场、食堂、宿舍等。

1.2 边坡工程概况

根据场平标高及原始地形分析，拟建场地内场平完成后工程边坡主要有以下3种类型。

1）场地外围挖方边坡：主要分布在场地外围东侧，一般边坡高度较大，最高约70 m，属一级边坡。

2）场地外围填方边坡：主要分布在场地外围南西侧，填方边坡最高38 m，属一级边坡。

3）场地内分台边坡：分布在场地内各分台位置，以挖方边坡为主，局部存在少量填方边坡，一般高度介于4～8 m，以三级边坡为主。

本文主要讨论分析挖方高边坡的支挡设计。

1.3 工程地质条件

拟建场地地貌上属于低中山缓坡地带，地形相对开阔，呈坡阶台地状，场地相对高差约109.0 m，场地现状主要为部分挖方及部分填方场地，地表第四系耕土层基本被清除、部分坡残积层被清除，下伏基岩地层为上元古界哀牢山群片麻岩。场地内分布的主要地层由第四系人工填土（Q4ml）层、第四系残坡积（Q4el＋dl）粉质黏土及上元古界哀牢山群阿龙组（Ptab）片麻岩等地层所构成。

第①1层杂填土：褐灰色、褐色，稍湿，松散，主要成分为黏性土及砂土，含角砾、碎石、块石（主要成分为全-强风化片麻岩、混合花岗岩等）等，局部夹少量植物根系、塑料、砖块、生活垃圾等杂物；未压实，为无序堆填，均匀性差。

第①2层素填土：褐灰色、褐色，稍湿，欠固结，主要为黏性土及砂土，含角砾、碎石（主要成分为全-强风化片麻岩、混合花岗岩）等，为场地挖方回填土，填方整平地段经分层压实，为有序堆填土，密实度及均匀性较好。

第②层粉质黏土：褐灰色、灰褐色，局部为褐黄色，稍湿，可塑-硬塑状态，刀切面粗糙，断续夹薄层状砾砂，局部含少量片麻岩、砂岩、花岗岩风化岩屑，干强度中等，韧性中等，具中压缩性。

第③1层全风化片麻岩：灰色、深灰色、灰白色，结构、构造已被破坏，岩芯呈粉砂、粗砂状、角砾状，局部呈土状，具浸水可软化性、无膨胀性、崩解性，开挖后易进一步加速风化，局部夹杂强风化岩块。

第③2层强风化片麻岩：灰色、深灰色、灰白色，主要矿物成分为石英、长石、黑云母、角闪石等，鳞片粒状变晶结构、片麻状构造，岩芯呈粉砂、粗砂状、角砾状，局部呈块状、短柱状，岩芯采取率78%～88%，岩石质量指标＜25，岩体完整程度为破碎，岩体基本质量等级为Ⅴ级。具有浸水可软化性、无膨胀性、崩解性，开挖后易进一步加速风化。该层存在分化不均匀情况，局部间夹少量中风化片麻岩硬块。

1.4 岩土物理力学性质指标

岩土物理力学指标参数见表1。

表1 岩土物理力学指标参数

2 挖方边坡支护设计初步方案

2.1 边坡支护现状稳定性核算

因场地处于一个高差109.0 m的斜坡上，在地质勘察进入以前，现场已进行了施工场地的平整与施工通道的修筑，其中进出场地的通道设于高边坡坡腰上，在确定边坡永久开挖后的支护方案以前，首先对现状边坡选取2个代表性的断面32-32和35-35进行稳定性验算。

利用岩土计算软件，采用Bishop条分法分析挖方边坡现状的稳定性，计算结果如表2所示。32及35剖面的地质断面及潜在最危险滑面如图1、图2所示。

表2 边坡稳定性计算结果

图1 32-32地质断面及潜在滑面（单位：m）

图2 35-35地质断面及潜面滑面（单位：m）

2.2 边坡支护现状稳定性分析

根据以上计算结果，边坡现状整体稳定性系数远小于1.35，边坡处于失稳状态，而经过设计人员的实地勘察，边坡顶部地表未出现裂缝，坡面未出现鼓丘、挤压变形和裂缝；坡面陡坎处未出滑塌、开裂迹象，所以设计人员认为：本现状边坡处于稳定状态，而勘察报告中所提物理力学参数指标与实际地层不匹配，并将验算结果反馈至建设方及勘察方，提请检查勘察过程数据及结论。同时设计人员根据地层原物理力学参数对本边坡进行了支挡设计和稳定性分析。

本边坡共划分为40个断面进行支护，其中1～18断面为填方边坡，此处不作讨论。19～40断面为挖方边坡，其中25～40为高度超过25 m的高边坡，且31～35断面紧邻本高级中学宿舍楼，一旦边坡失稳，失稳滑塌后山体将淹埋宿舍楼，对学生造成极大的人身安全隐患，对本项目高边坡支挡的处理只能采用强支挡方案：强桩＋强锚支挡。断面32采用强支挡理论验算，结果如下。

1）边坡支挡高度：63 m（计算至用地红线处）。

2）开挖后未支挡前剩余下滑力：4 423 kN/m。

3）抗滑桩截面尺寸：2 m×3 m，桩的悬臂段15 m。

4）桩身锚索：6排，15索～24索，锚索长度20～35 m。

5）桩顶以上分台放坡，共分4台，每台坡高10 m，坡比1∶1。坡面框格梁锚索，锚索为8索，长度25～35 m。

由于下滑力过大以及强支挡参数的极度不合理，设计人员提出以下建议。

1）调整场地布置，尽量减少边坡挖方。

2）加大场地征地范围，尽量让边坡自稳。

3）复核勘察参数，提出与实际现场相符的地层参数。

假设按强支挡方案进行设计，将造成设计保守、施工造价高、施工难度大等后果，以下将采取基于强度折减法的边坡抗剪强度参数反演方法，合理修正本边坡项目岩土体抗剪强度参数取值，提供本边坡工程的最优设计方案。

3 地层抗剪强度参数反演修正

3.1 确定安全系数

根据边坡体所处状态，取其最危险潜在滑动面上的安全系数Fs为1.20。

3.2 引入参数λ

因项目勘察包括室内试验，故取勘察报告所提供值为初始值，并通过边坡现状验算确定，本边坡坡体危险滑面处于全风化片麻岩岩层③1中。假设坡体③1层岩体真实抗剪强度指标为（c0，φ0），其相应的安全系数为F0。取边坡体稳定系数最小的滑面为最危险潜在滑移面，在已知本边坡坡体最危险滑面的情况下，是可以确定c0/tanφ0比值的。

引入无量纲参数λ，通过λ可以确定c0与tanφ0的比值，计算关系为：λ＝c/γhtanφ。λ的取值与滑面深度h相关。相关规律为：随着λ的增大，坡体滑动面逐渐加深。

3.3 土体抗剪强度范围确定

考虑到本边坡坡体处于稳定状态，取最危险滑面上的稳定系数Fs＝1.20，③1层全风化片麻岩的初值抗剪强度指标为（32，16），计算得出λ为0.077，第1次验算λ的取值范围为0.040～0.070，验算范围初步确定强度参数值范围为32～44 kPa，根据强度参数的取值范围和λ的取值范围及公式λ＝c/γhtanφ，计算得到相应的内摩擦角φ。采用Bishop条分法计算得到各组强度参数下的稳定系数值及潜在滑动面，通过选取各组强度参数取值下的稳定系数与所给稳定系数误差和潜在滑动面位置综合确定抗剪强度参数实际值。以下计算均以32剖面为例。λ的第1次取值计算见表3。

表3 第1次λ取值下边滑潜在滑移面位置等参数

3.4 确定参数及修正后的抗剪强度指标

从表3中数据规律可以看到，根据每一组λ取值下的强度参数计算得到的稳定系数与给定的稳定系数之间的误差和，判断λ的取值在0.04～0.05之间，为了更快确定无量纲参数λ的取值，选取λ＝0.0480、0.0485、0.0490进行计算，得到相关结果如表4所示。

表4 第2次λ取值下边滑潜在滑移面位置等参数

通过第2次计算分析，当λ＝0.0490时计算得到的稳定系数与所给稳定系数的误差和为正且最小，所以这里取λ＝0.0490，得到的③1层风化片麻岩岩层反演强度参数为（c＝38.00 kPa，φ＝28.22°）。

4 反演指标用于原状及现状边坡稳定性分析

将反演后的抗剪强度参数指标重新进行原状边坡32及35剖面的稳定性验算，计算结果如表5。

表5 修正指标后边坡稳定性计算结果

修正指标后边坡稳定性的验算结果为：2个断面均处于稳定状态，与现状相符。故以下将采用修正后的岩土物理力学参数指标对边坡进行支护设计。

5 修正后抗剪强度指标应用于边坡支挡设计

以32-32为例进行边坡支挡设计，相较指标未修正以前，方案设计有了较大的优化。指标修正后支挡设计稳定性验算结果为：滑面上下滑力的总和为26 966.731 kN/m，滑面上抗滑力的总和为37 753.422 kN/m，下滑力矩为5 412 762.286 kN·m/m，抗滑力矩为7 577 866.835 kN·m/m，安全系数为1.40＞1.35。优化以后边坡支护方案如图3所示，优化设计后与原方案的支挡参数对比见表6。

图3 32-32边坡支护剖面

表6 参数修正前后32断面支护参数

从表6的对比可以看出，通过合理的地质参数，尽量减少边坡挖方，利用原状边坡的自稳性，可以很大程度上优化设计结果，减少工程造价。

6 边坡支挡施工技术要求

6.1 钻孔要求

1）施工前应进行锚索基本试验，试验数量及要求按锚索试验技术要求及相关规范规定执行。

2）锚索孔位施放后进行锚索钻孔施工，锚索钻孔完毕后，进行清孔，然后进行锚索安放，土层中锚索采用履带式锚索钻机进行施工，尽量采用干成孔，若采用水钻时必须以全套管跟进钻进，且注浆前应采用水泥浆清洗，锚索孔深应超过设计深度0.5 m。

6.2 注浆要求

1）锚索施工采用二次高压注浆并采取注浆补漏工艺。

2）锚索孔注浆前应采用空气清孔，排出孔内杂物和积水，灌浆管插入距孔底30～50 cm处，浆液自下而上连续灌注。注浆采用双管，第1次孔口压力不小于0.8 MPa，中途不得停浆，在初凝前要进行补浆，必须使浆液均匀地填满锚索与孔壁间的空隙。待第1次注浆初凝后（6～8 h）进行二次高压注浆，注浆压力不小于2.0 MPa。二次高压注浆管间隔1.5 m左右交错开2排孔，直径0.6 cm左右，开孔处及端头采用胶带纸封闭，端头不能反折。

3）一次注浆水泥浆用量≥85 kg/m，水灰比0.45～0.55，二次注浆水泥浆用量≥45 kg/m，水灰比0.45～0.50，注浆补漏注至壁面翻浆且锚孔周边无渗水为止。

6.3 锚索防腐要求

1）自由段防腐：每根钢绞线除锈、除油后，自由段锚索表面涂润滑油或刷防腐漆进行防腐处理，然后装入塑料套管中，并于锚固段一侧的套管端部100～200 mm长度内绕扎工程胶布固定。

2）锚固段防腐：钢绞线除锈、除油后，采用水泥砂浆防腐，施工中应使锚索位于锚孔中部，要求杆体周围水泥砂浆保护层厚度不小于35 mm。

3）锚头防腐：锚索张拉锁定、二次灌浆完成后封口，从锚具量起留100 mm的钢绞线，并做厚度不小于100 mm的1∶2水泥砂浆保护层，再用钢筋网罩封闭，并做100 mm厚C35细石混凝土外封，混凝土保护层厚度不小于100 mm。

6.4 锚索张拉要求

1）锚固体及外锚墩强度均达到设计强度的80%后方可进行张拉及锁定，台座的承压面应平整，并与锚杆轴线的方向垂直，张拉分级进行。

2）锚索正式张拉前，应取锚索设计轴向拉力值的10%～20%进行预张拉1～2次，使杆体完全平直，各部位接触紧密，锚索张拉至1.10倍张拉设计值时，对于黏性土保持15 min，然后卸荷至轴向拉力标准值进行锁定，锁定后预应力损失大于设计值的10%时，应进行补偿张拉。

3）锚索张拉应按一定程序进行，锚索张拉顺序应考虑邻近锚索的相互影响，同时张拉时，张拉的2根锚索的间距不应小于2倍锚索间距。

7 结语

1）边坡工程中，坡体岩土工程参数对坡体剩余下滑力的计算结果影响很大，进而会严重影响边坡的支护支挡设计方案及加固措施。

2）通过原始边坡的稳定性状态，同时结合边坡勘察提出的岩土参数，可以对岩土参数的准确性和合理性进行复核验证。

3）在已知边坡最危险潜在滑动面的情况下，c0与tanφ0的比值可以唯一确定，引入无量纲参数λ，可以确定c0与tanφ0的比值。

4）通过反复的试算，根据每一组λ取值下的强度参数计算得到稳定系数与给定的稳定系数之间的差值，判断λ的取值范围，进而获得误差接近0时所对应的岩土体强度参数，称之为修正后的强度参数。

5）使用修正后的强度参数对原状边坡的稳定性进行重新验算，更进一步验证修正后强度参数的合理性。

6）采用修正后的强度参数进行边坡支挡设计及加固治理，提出更为合理、可行、经济、安全的设计方案。