某堆填土欠稳定高边坡抗剪强度参数取值研究

蔡长发 何辉祥 李爱华 严升华

收稿日期：2023-11-03；修回日期：2024-03-26

第一作者简介：蔡长发（1986- ），男，硕士，高级工程师，主要从事岩土工程勘察、岩土设计及治理方面的研究工作。E-mail：563651161@qq.com

引用格式：蔡长发，何辉祥，李爱华，严升华，2024.某堆填土欠稳定高边坡抗剪强度参数取值研究［J］.城市地质，19（2）：209-217

摘 要：梧州市某楼盘在建筑安全影响范围内有一削坡形成的高度20～45 m的堆填土高边坡，存在较大滑塌安全隐患，需对该欠稳定高边坡综合整治处理。为取得符合实际的、经济合理的边坡设计抗剪强度参数，采用了综合法确定抗剪强度参数，即采用现场原位直剪试验、室内重塑土样试验、多元线性回归法等，综合分析确定欠稳定高边坡的抗剪强度参数。结果表明：采用综合法参数取值能优化边坡设计、缩短治理工期、节约治理费用，治理效果显著。

关键词：抗剪强度参数；土石混合填土；原位直剪试验；软弱结构面；多元线性回归

Study on the parameter values of shear strength for unstable high slope of fill soil

CAI Changfa， HE Huixiang， LI Aihua， YAN Shenghua

（Building Materials Guangzhou Engineering Survey Institute Co.， Ltd.， Guangzhou 510403， Guangdong， China）

Abstract： Within the scope of building safety impact of a certain real estate project in Wuzhou City， there is a high slope of 20-45 meters formed by slope cutting， posing a high risk of land collapse. Therefore， comprehensive treatment is needed for the unstable high slope. In order to obtain practical and economically reasonable shear strength parameters for slope design， comprehensive methods were used to analyze and determine the shear strength parameters， including on-site direct shear tests， indoor remolded soil sample tests， multiple linear regression methods， etc. Comprehensive analysis was conducted to determine the shear strength parameters for unstable high slopes. The results show that using the comprehensive method parameter values can optimize slope design， shorten the treatment period， save treatment costs， and achieve significant treatment effects.

Keywords： shear strength parameters; mixed soil and rock fill; on-site direct shear tests; weak structural plane; multiple linear regression methods

本文研究的是梧州市某欠稳定堆填土高边坡的抗剪强度参数取值问题，为该边坡的综合整治处理设计提供经济合理的抗剪强度参数（c、φ）。国内外大量研究已证实，边坡是否发生滑坡常常取决于软弱结构面（带）的应力状态和强度变化，这些变化又最终取决于软弱结构面类型、微观结构特征、物质组分和形成机理（陈传胜等，2012）。确定软弱结构面（带）的位置及其抗剪强度参数（c、φ）已成为边坡稳定性分析的重要内容，是边坡稳定性评价及综合治理设计中的关键问题，参数值的大小直接影响着边坡稳定性计算及整治工程方案的选定。

经勘察，该边坡坡体为无序堆填的土石混合填土，堆填土由黏性土及不同粒径、不同岩性、不同强度、不同含石率的砾石块体混合而成，具有典型的非均质、非连续性，很难在现场采集到原状样来进行室内试验，而现场大尺度原位试验可以获得更接近实际情况的岩土体力学参数，因此室外原位试验已成为研究土石混合体特性的一种有效手段。据查，对三峡库区的土石混合体力学性质有过大量的研究，如油新华等（2002）、李晓等（2007）、徐文杰等（2008）通过大量室外原位试验，详细介绍了土石混合体分布特点、地质成因、结构特征及其变形破坏特性，为开展土石混合体力学参数关联因素研究奠定了良好的基础，室外原位试验多以获取土石混合体宏观力学参数为目的，难以深入揭示土石混合体变形破坏的本质规律、内在机理和决定性因素；邓华锋等（2013）通过对土石混合体采取大试样的室内剪切试验，深入提示了土石混合体的抗剪强度参数与岩土体有着很大的区别，土石混合体具有显著的非均匀性，提出用临塑抗剪强度和极限抗剪强度来分析土石混合体的剪强度参数；杨期祥（2022）为探究大型深层滑坡滑带土力学强度参数的选取，采取大型原位直剪试验、室内试验、参数反演法及工程类比法，综合确定滑带土的力学强度参数；刘小丽等（2004）系统总结滑带土的强度特性对滑坡稳定性的影响；张怡颖等（2021）采用环剪试验，研究滑坡滑动速率和滑带土含水率对滑带土的力学强度特性影响；易平（2014）采用传递系数法，建立反演计算模型，求解高含水浅层滑坡滑带土强度参数c、φ值；赖波等（2021）、黄锋等（2022）、王玉洁等（2023）对边坡变形破坏特征及边坡稳定性进行了研究；李方震等（2021）、刘仍阳（2024）对边坡危险性进行了评估；白金朋等（2022）对坝前堆积体抗剪强度特性进行了原位大型直剪试验研究。上述研究成果为把握土石混合体的力学特性积累了经验，但是这些试验，较少考虑试验剪切面与实际土体破坏滑动面的关联，剪切破坏面的特征及其影响因素，也较少考虑原位直剪试验后的稳定性计算的抗剪强度参数取值方法，进而直接影响工程设计计算和实际变形稳定。因此，本文主要在土石混合体原位直剪试验的基础上，对本场地抗剪强度参数取值进行了研究。

1  边坡概况

1）原位直剪试验时边坡状况

边坡分为东侧边坡、南侧边坡两段，大致呈“L”形，边坡体主要由碎块石、砂粒、黏性土组成，组成物极不均匀。边坡分级削坡坡率约1∶1，无任何处治裸露时间为2—6个月，边坡体已出现系列的边坡病害病险问题，如图1所示。东侧边坡的高度12.0～30.0 m，长度约350 m，该段边坡局部多处形成小型崩塌病害；南侧边坡的高度19.0～45.0 m，长度约290 m，该段边坡存在明显雨水冲刷破坏的沟槽现象，呈欠稳定状态。

该堆填边坡高度普遍大于20 m，且超一半坡段高度超30 m，超出《建筑边坡工程技术规范》适用范围（适用于土质边坡≤15 m），设计不能采用规范中坡率法（放坡法）进行稳定性验算。边坡坡脚距离高层住宅楼边缘15～35 m，万一发生滑坡会对高层建筑的墙体、柱梁等发生冲击甚至致使建筑破坏，可能还会影响中下游城区的安全。

2）初步整治处理方案

该填土边坡堆填物复杂、组分多变极不均匀，大多固结程度较差，且边坡高度大，考虑到采用锚杆（索）锚固力小，不能有效发挥锚杆支护结构性能，性价比低。经专家论证拟采用不加支护的纯放坡法（坡率法），辅助坡面绿化植草和地表截、排水，坡脚毛石压脚护面的综合整治方案。通过控制分级边坡的高度和放坡的坡度，靠边坡自身土体的自稳性来保证整体边坡的稳定性。

2  抗剪强度参数取值方法

2.1  边坡岩土工程勘察

边坡稳定性计算所需的抗剪强度参数，理论上很清楚也很明确，应取边坡体整个运营期间最不利或分坡段最不利的最软弱滑动面的抗剪强度值。但问题是有些技术人员对参数拿捏不准，取值过大时会使边坡失控失稳，取值过小时又会偏离实际造成浪费导致处治费用过大。各方对抗剪参数争议，出于以下原因：

1）组成该边坡的岩土成分复杂。该边坡岩土体主要为梧州市建筑弃土临时堆放场（渣土场），后因项目场地开挖而形成堆填土高边坡；物质组成颗粒大小极不均匀，有强中风化大块石泥砂岩，也有残冲积黏性土；边坡体岩土成分来源复杂，坡体碎块石含量普遍较高（15%～40%），堆填年代也长短不一（1～10 a），堆填方式基本未经压实，而是靠堆填时间自重固结密实，各区段的岩土渗透变化大导致雨季时水文地质条件复杂，所以该L型边坡体的岩性、固结程度和力学性质差异大，具有很大的不确定性，边坡填土体的强度变化大、均匀性极差、潜在软弱滑面多。

2）由于坡体岩土成分的复杂性、多相性、不均匀性，勘察阶段提供的抗剪强度参数是综合标贯试验、土工试验、钻进快慢、岩心形态等，结合工程经验给出的初步指标。勘察报告给出的建议值难以反映坡体岩土体强度特征，数值来源不严谨、依据不足，具有推测性。勘察报告建议值见表1。

3）滑动面（带）、滑体、滑床三者的抗剪强度大小关系，滑动面<滑体<滑床，滑动面比滑动面之上滑体的抗剪强度要小，甚至小很多。勘察阶段的勘察对象主要为潜在滑动面之上的滑体岩土体，而不是滑动面软弱土质，所以勘察阶段所提供的参数，往往是结合简易原位测试成果、室内土工试验、钻探岩心样及钻进情况等的工程经验推测值，难以代表土体中最不利滑动面的抗剪强度数值。

因此，为了更好解决上述参数争议，获取更准确、更符合实际的抗剪强度参数，边坡勘察后又专门进行了16组大型原位直剪试验，再综合分析抗剪强度参数的取值。

2.2  原位直剪试验

2.2.1  现场原位直剪试验

原位直剪试验共进行了9个浸水状态试验点和7个天然状态试验点，每个试验点（试坑）的试样试验不少于3组，各试验点中各组试样的强度参数、土样含水率和湿密度如表2、表3所示，代表性1#试验点及2#试验点的应力应变曲线、抗剪强度和垂直压力曲线如图2所示。表4为9组浸水状态试验统计结果，表5为7组原状土试验统计结果。

2.2.2  室内重塑土样试验

液、塑限试验所用土样采自现场原位直剪试验剪切破坏面处，重塑土样与现场原状土样具有相同的湿密度，通过负压抽气法对土样进行饱和。所取土样普遍含较多碎石，击实试验土样过2 cm的筛，而做液、塑限的土是细粒土，所有试验结果最优含水率明显低于塑限。

2.2.3  多元线性逐步回归分析法

虽然对该边坡范围进行了16组（含9组浸水状态）原位直剪试验，但仍然无法满足工程处治设计所需的符合实际合理的抗剪强度参数取值。为此，采用多元线性逐步回归分析法，分析各指标间关联性，研究该堆填高边坡土体的物理力学参数间的相关关系，建立强度参数和物理性质参数间的相关方程，预测抗剪强度参数。

对表2及表6进行数据整理分析，获得浸水土样的物理力学参数，见表7。

使用SPSS软件，以黏聚力为因变量，塑性指数、密实度、饱和度为自变量，进行多元线性逐步回归分析，获得多元线性逐步回归分析模型表（表8）、方差分析表（表9）和回归方程式（1）。

（1）

式中，为黏聚力，为饱和度，为密实度。

由表8-9可知，逐步回归分析获得的模型相关系数R值为0.87，Sig值为0，说明具有高度的相关性，拟合程度较好。

运用公式（1）可预测不同密实程度和饱和度下土的黏聚力。如密实度不变，饱和度分别取75%、80%、85%、90%和95%，相应的黏聚力预测值及其统计量见表10。设计时填土的黏聚力可根据需要取下限值或最小值。

回归分析结果显示，内摩擦角（）与塑性指数、湿密度、密实度、含水率、饱和度的相关性不明显，这或许是由于测试塑性指数、湿密度、含水率、饱和度等指标的土样筛去了粗颗粒、改变了土样的颗粒级配所致。

3  结果与讨论

3.1  采用综合法确定抗剪强度参数的可行性

1）边坡设计稳定性计算应采用潜在的最软弱面（带）的抗剪强度参数。现场直剪试验的剪切破坏面一般不是真正的边坡土体最软弱面，因为滑动面具有推测性、不确定性，其是边坡治理后几十年使用期内出现的最软弱面（带）。

2）边坡稳定性计算中，抗剪强度参数的确定是有效处治边坡的关键，如果所取抗剪强度参数脱离实际、脱离现场、拍脑袋随意取值，就得不到符合边坡治理要求的、经济合理的抗剪强度参数。

3）通过对16个点位的现场直剪试验成果分析，该边坡各坡段土体力学性能极不均匀，现场直剪试验结果黏聚力c、内摩擦角φ离散性很大，如黏聚力c在饱和度95%下为8.06～24.12 kPa（变异系数达0.120）。

4）该堆填边坡呈“L”形，长度大（长约650 m），各坡段高度12～45 m不等，各坡段填土物料组成和堆填时间各不相同。所以现场需要通过踏勘、地质调查，把物理力学性质相同或相类似的划分为一个坡段，对各不同坡段提供针对性、代表性的抗剪强度指标。

综上，本场地边坡应采用综合方法确定抗剪强度参数，即结合现场直剪试验+室内试验+多元线性回归分析法+现场踏勘调查等综合确定。

3.2  该边坡分段采取抗剪强度参数

根据试验成果、现场地质调查、边坡高度等，对该“L”形堆填高边坡划分3段即南侧一段、南侧二段、东侧坡段，分别进行边坡设计及针对性工程处治，采用综合法对3段边坡的岩土参数取值见表11。

3.3  边坡治理效果分析

该填土高边坡采用了本文第3.2节给出的抗剪强度参数值，采用坡率法通过调整和控制边坡的高度和坡度进行边坡治理。最终东侧坡段坡率设计为1∶2.5，南侧一段坡率设计为1∶3.0，南侧一段坡率设计为1∶3.5，辅助坡顶截水、坡面排泄水。整治边坡已于2022年11月竣工验收，通过一年多时间使用及检验，整个边坡目前状态良好。边坡治理效果达到了甲方的预期治理目标，优化了原初步设计方案，减少了开挖土石方量，缩短了边坡治理工期，节约了治理费用达三千余万元，取得了良好的社会效应和经济效应。

4  结论

1）通过堆填高边坡勘察得到的抗剪强度参数是依据标准贯入试验、钻探岩心样、钻进情况等主观推断的，不能良好反映出坡体的真实客观情况。

2）该堆填高边坡经过16组原位直剪试验，其抗剪强度结果普遍较大，尤其是天然状态试验结果。原位直剪试验存在的主要缺陷是很难找到边坡土体最软弱结构面进行剪切，优点是原位试验能够模拟原型试验，获得的力学强度参数相对可靠，具有较好的参考借鉴价值。

3）边坡若发生滑坡，都是沿着最不利的软弱面（带）滑动，故边坡设计稳定性计算采用的抗剪强度参数应是推测的最软弱面（带）的参数，建议采用试验结果最低值且综合考虑其他不利因素再进行折减取值。

4）随着土石混合体的含水率增加，黏聚力c、内摩擦角φ值逐渐降低，而且含水率变化对黏聚力的影响程度比对内摩擦角大，当含水率增大后黏聚力下降较快。故该边坡设计的抗剪强度取值，对c 值采用SPSS软件多元线性逐步回归分析求得，对φ值采用原位直剪试验浸水状态下的各坡段试验低值并进行一定折减而得。

5）采用综合分析法研究确定抗剪强度参数，根据现场直剪试验、室内试验结果，运用SPSS软件分析各指标间的关联性和拟合度，结合现场边坡地质调查、工程经验等，综合整个边坡具体实际的地质条件的相同点、异同点，进行边坡分段设计，给出各段的抗剪强度c、φ值。

6）通过应用综合法确定的剪强度参数进行设计，实践证明能优化边坡设计、缩短边坡治理工期、节约治理费用，治理效果显著，取得了良好的社会效应和经济效应。

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