直線形滑面邊坡的識別與穩定性及支護力計算

方玉樹

（1后勤工程學院，重慶401311；2巖土力學與地質環境保護重慶市重點實驗室，重慶401311）

直線形滑面邊坡的識別與穩定性及支護力計算

方玉樹1,2

（1后勤工程學院，重慶401311；2巖土力學與地質環境保護重慶市重點實驗室，重慶401311）

在實際邊坡工程中，土層廣布、巖質部分有外傾結構面的土巖組合邊坡常常視為有土層超載的直線形滑面邊坡，甚至填土沿基巖面滑動的土巖組合邊坡、無外傾結構面的土質邊坡和巖質邊坡也視為直線形滑面邊坡；直線形滑面邊坡穩定性及支護力計算也常常只采用單塊極限平衡法。該文對這些做法存在的問題進行了分析并提出建議。

直線形滑面；邊坡；識別；穩定性計算；支護力計算

0　引言

邊坡抗滑穩定性計算和支護力計算需要先確定滑面形態。在實際邊坡工程中，土層廣布、巖質部分有外傾結構面的土巖組合邊坡常常視為有土層超載的直線形滑面邊坡，其中位于外傾結構面上方的土質部分（其后邊界為過外傾結構面上端的直立面）視為坡頂附加荷載，甚至填土沿基巖面滑動的土巖組合邊坡、無外傾結構面的土質邊坡和巖質邊坡也視為直線形滑面邊坡（這種情況出現在支護力計算中）；直線形滑面邊坡穩定性及支護力計算也常常只采用單塊極限平衡法，外傾結構面緩傾時滑塊沿坡向的長度取值則有不同做法：一種是取整個直線形滑面上方塊體長度，一種是取坡高的幾分之一（如：取坡高的0.3～0.4倍），一種是取臨界長度（邊坡穩定系數為1時的長度）。本文詳細分析了這些做法存在的問題并提出建議。

1　直線形滑面邊坡識別存在的問題及建議

1.1土層廣布、巖質部分有外傾結構面的土巖組合邊坡

對土層廣布、巖質部分有外傾結構面的土巖組合邊坡，當巖質部分及其上覆土層（其后邊界為過外傾結構面上端的直立面）沿外傾結構面滑動時，上覆土層后方土體一般不能保持穩定，后方土體的非穩定部分對前方土體有推力作用，因而對邊坡抗滑穩定性有不利影響。因此，土層廣布、巖質部分有外傾結構面的土巖組合邊坡一般不是直線形滑面邊坡。滑面中的巖質部分是直線形而土質部分應是上凹的曲線形，為便于計算，可取成與滑面直線段上端（內端）相切的圓弧形，最危險圓弧位置可通過搜索確定。當滑面直線段較陡（如：45°以上）時，因與滑面直線段上端（內端）相切的圓弧形接近于直線形，可近似地取成直線形。當上覆土層很薄（如：垂直厚度不超過2m且不超過坡高1/5）時，因其能夠自穩或者非穩定部分因范圍很小而對前方土體僅有很小的推力，可近似地將位于外傾結構面上方的土質部分視為坡頂附加荷載。總之，土層廣布、巖質部分有外傾結構面的土巖組合邊坡整體應視為非均質邊坡，滑面應穿過土層且滑面整體不呈直線，對滑面的土質部分應采用土體抗剪強度指標，只有在上覆土層很薄時才可簡化為有土層超載的直線形滑面邊坡，不加區分地視為有土層超載的直線形滑面邊坡可能導致穩定系數偏大，支護力偏小。

1.2填土沿基巖面滑動的土巖組合邊坡

在實際邊坡工程的支護力計算中，為能應用經典庫倫土壓力理論，填土沿基巖面滑動的土巖組合邊坡視為直線形滑面邊坡。這種做法不僅在支護力大小上與穩定系數需達到安全系數的要求矛盾，而且在滑面形態上也偏離實際過多[1]，因為基巖面大多有較大起伏而呈折線形。這種做法也與相應穩定性計算中的處理方式矛盾，在相應穩定性計算中，滑面多簡化為折線形。因此，填土沿基巖面滑動的土巖組合邊坡是否視為直線形滑面邊坡應根據基巖面實際情況確定。

實際上，填土沿原地面滑動、原土沿基巖面滑動的邊坡也未必是直線形滑面邊坡，多是折線形滑面邊坡。

因此，在支護力計算中，填土沿基巖面滑動的土巖組合邊坡、填土沿原地面滑動的邊坡和原土沿基巖面滑動的邊坡，其滑面形態是采用折線形、直線形、圓弧形均應根據基巖面和土層層面實際形態最接近何種形態來確定。

順便指出：

（1）一些標準[2-3]在支護力計算中除了將填土沿基巖面滑動的土巖組合邊坡視為直線形滑面邊坡外，還只給出基巖面傾角較大（不小于無限范圍填土直線形滑面傾角）時的支護力計算公式而忽略基巖面傾角較小（小于無限范圍填土直線形滑面傾角）情形，這種做法是不能保證安全的，當基巖面抗剪強度指標小于填土抗剪強度指標時，填土也可能沿傾角較小的基巖面滑動。

（2）基巖面和土層層面為外傾但傾角不是很大的平面時，土體滑動時的滑面可能一部分是基巖面和土層層面，另一部分在土體中。此時滑面整體不是直線形，其形態與本文1.1節所述巖質部分有外傾結構面的土巖組合邊坡的滑面形態相當。

1.3無外傾結構面的土質邊坡和巖質邊坡

無外傾結構面的土質邊坡和巖質邊坡其滑面是典型的曲線，相對而言接近于圓弧形而不是直線形。巖土體中的滑面為直線意味著巖土體中各點的滑面傾角相同。因巖土體中各點大小主應力方向不同，各點滑面傾角相同是不可能的。因此，在實際邊坡工程的支護力計算中，為能采用經典土壓力理論將滑面視為直線的做法不僅在支護力大小上與穩定系數需達到安全系數的要求矛盾，而且在滑面形態上也偏離實際過多[1]。這種做法也與相應穩定性計算中的處理方式矛盾，在相應穩定性計算中，滑面一般簡化為圓弧形。

2　直線形滑面邊坡穩定性及支護力計算存在的問題及建議

在實際邊坡工程中，直線形滑面邊坡穩定性及支護力計算常常只采用單塊極限平衡法，外傾結構面緩傾時滑塊沿坡向的長度取值有如下幾種做法：一種是取整個直線形滑面上方塊體長度，一種是取坡高的幾分之一（如：取坡高的0.3～0.4倍），一種是取臨界長度（邊坡穩定系數為1時的長度）。這幾種做法都不恰當。

當結構面傾角較小時，滑體后緣有時沒有到達結構面的上端，結構面上方的巖土體從中間拉開。這是因為：滑面粘聚力對厚度小的滑體的穩定性貢獻很大，厚度小的滑體可能是穩定的。但不經過計算并不能確定結構面上方巖土體穩定部分與非穩定部分的邊界位置。當推測的邊界位置偏前時，因少算了一部分推力，支護力偏小；當推測的邊界位置偏后時，因將負值推力計入，支護力也偏小。

滑塊沿坡向的長度取整個直線形滑面上方塊體長度的做法，可能因穩定部分與非穩定部分邊界位置偏后而使支護力偏小；滑塊沿坡向的長度取坡高的幾分之一的做法，可能因穩定部分與非穩定部分邊界位置偏前或偏后而使支護力偏小；因臨界長度不代表穩定部分的長度（穩定對應著穩定系數不小于安全系數而不是1），滑塊沿坡向的長度取臨界長度的做法，因穩定部分與非穩定部分邊界位置偏前而使支護力偏小。此外，當坡形較復雜、因巖性變化導致巖土體重度及結構面強度隨位置變化時，對應于穩定系數等于安全系數的滑塊長度也難以通過一個解析式求得。

因此，當結構面傾角較小時，單塊剛體極限平衡法這種計算方式是不合適的，應采用條分法，此法能將土質滑體中的負值推力設定為0。但當滑面傾角很大時，巖土體中的穩定部分規模極小，忽略這部分的影響引起的誤差很小。根據結構面內摩擦角一般小于45°但結構面上還有粘聚力起抗滑作用這一情況，滑面傾角大于45°時采用單塊剛體極限平衡法引起的誤差應較小。故建議當直線形滑面傾角不超過45°時采用條分法。值得注意的是，為減小誤差，分條應足夠多，但當在穩定性計算中發現某一條塊的推力已大于0時，在簡單地形條件下，該條塊以下的巖土體可視為一個條塊，不用再分條計算。

在某些情況下，邊坡前部巖土體可能有更低的穩定系數。當需要求出邊坡最小穩定系數時，可根據實際地形和變形開裂情況或通過搜索找出對應于最小穩定系數的滑體后緣邊界。此時，無論滑面傾角如何，均可采用單塊剛體極限平衡法。

應當指出，當前的直線形滑面邊坡支護力計算，不僅存在條塊劃分的簡單化問題，更存在支護力大小（無論是按主動土壓力概念算出的還是按剩余下滑力概念算出的）與穩定系數達到安全系數的要求矛盾以及支護力大小本身自相矛盾的問題，對于后者，筆者已有文章[1,4,5]進行分析并提出建議。

3　結論

（1）穩定性和支護力計算時，土層廣布、巖質部分有外傾結構面的土巖組合邊坡整體應視為非均質邊坡，滑面應穿過土層且滑面整體不呈直線，對滑面的土質部分應采用土體抗剪強度指標，只有在上覆土層很薄時才可簡化為有土層超載的直線形滑面邊坡，不加區分地視為有土層超載的直線形滑面邊坡可能導致穩定系數偏大，支護力偏小。

（2）在支護力計算中，填土沿基巖面滑動的土巖組合邊坡的滑面，不區分情況一律視為直線形是不恰當的，填土沿基巖面滑動的土巖組合邊坡、填土沿原地面滑動的邊坡和原土沿基巖面滑動的邊坡，其滑面形態是采用折線形、直線形、圓弧形均應根據基巖面和土層層面實際形態最接近何種形態來確定。

（3）在支護力計算中，無外傾結構面的土質邊坡和巖質邊坡，其滑面視為直線形是不合適的，可簡化為圓弧形。

（4）在直線形滑面邊坡穩定性和支護力計算中，當結構面傾角較小時，采用單塊剛體極限平衡法可能導致失穩范圍偏大或偏小、支護力偏小，建議：除確定最小穩定系數的計算外，當直線形滑面傾角不超過45°時采用條分法。

[1]方玉樹.邊坡支護結構荷載取值問題研究[J].工程地質學報.2008（2）：190-195.

[2]建設部.GB50007-2011建筑地基基礎設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2011.

[3]建設部.GB50330—2013建筑邊坡工程技術規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2014.

[4]方玉樹.滑坡支擋結構荷載取值問題研究[J].工程地質學報.2007（2）：200-204.

[5]方玉樹.從平面滑動思考滑坡支擋結構荷載取值問題[J].工程勘察.2009（9）：7-8.

責任編輯：孫蘇，李紅

Recognition and Stability and Supporting Force Calculation of Slope with Linear Slip Surface

In practical slope engineering,the earth-rock combined slope,with widely spread soil and part of the rock with extroversion joint,is usually regarded as slope of linear slide surface with overloading soil,and even the earth-rock combined slope with filling soil sliding along the bedrock surface, soil slope without extroversion joint and rock slope are also viewed as linear slide surface.The single chunk limit equilibrium method is often applied to calculate the stability and supporting force of the linear slide surface.The existing problems in the method are analyzed with suggestions presented.

linear slide surface;slope;recognition;stability calculation;supporting force calculation

U416.1+4

A

1671-9107（2015）07-0032-02

10.3969／j.issn.1671-9107.2015.07.032

2015-06-15

方玉樹（1958-），男，碩士，教授，國家注冊土木工程師（巖土），主要從事與巖土體穩定有關的研究和勘察設計工作。