山區(qū)房建邊坡加固理論及處理措施

邢 濤

云南省設(shè)計(jì)院集團(tuán)勘察院有限公司，云南 昆明 650228

1 土體抗剪強(qiáng)度理論

1.1 抗剪強(qiáng)度理論

土體抗剪強(qiáng)度定義為土體對(duì)外荷載所產(chǎn)生的極限抵抗能力，即在自重與外荷載作用下土體中任意一點(diǎn)在某一平面上發(fā)生剪切破壞時(shí)的狀態(tài)被稱(chēng)為極限平衡狀態(tài)。影響土體抗剪強(qiáng)度的指標(biāo)不僅有其內(nèi)在因素，還有外在因素，通常情況下包括土自身顆粒組成成分、土含水量、土顆粒結(jié)構(gòu)孔隙及水等方面。

1.2 抗剪強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則

抗剪強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則是判斷土體破壞的標(biāo)準(zhǔn)，常用的破壞準(zhǔn)則包括庫(kù)倫公式、莫爾-庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則。庫(kù)倫根據(jù)砂土試驗(yàn)提出了抗剪強(qiáng)度與剪切破壞面上的法向應(yīng)力存在一定的線(xiàn)性關(guān)系，即

后來(lái)又提出了適合黏性土的表達(dá)式：

式中：σ為剪切面上法向應(yīng)力；c為內(nèi)聚力；為內(nèi)摩擦角。

公式（1）和公式（2）同稱(chēng)為抗剪強(qiáng)度公式，由上述公式可以看出，無(wú)黏性土的抗剪強(qiáng)度與總應(yīng)力成正比，其本質(zhì)是在無(wú)黏性土中，顆粒之間的黏結(jié)效應(yīng)幾乎不存在，只存在顆粒之間的滑動(dòng)摩擦和鑲嵌作用所產(chǎn)生的摩擦阻力，其大小受土的顆粒粗糙密實(shí)度、顆粒級(jí)配等因素的影響。對(duì)于黏性土來(lái)說(shuō)，抗剪強(qiáng)度由摩擦阻力和顆粒吸引產(chǎn)生的正應(yīng)力共同組成。

同時(shí)，研究表明，土體抗剪強(qiáng)度不僅和土的各種性質(zhì)有關(guān)，同時(shí)還與試驗(yàn)的排水條件、應(yīng)力狀態(tài)、剪切速率等因素有關(guān)。根據(jù)太沙基有效應(yīng)力原理，土內(nèi)的剪應(yīng)力只能由土的骨架承擔(dān)，因此土中的抗剪強(qiáng)度就牽扯到有效黏聚力和有效內(nèi)摩擦角兩個(gè)因素。這時(shí)，庫(kù)倫公式可以表示為

式中：σ'為剪切面上有效法向應(yīng)力；c'為有效內(nèi)聚力；?'為有效內(nèi)摩擦角。

莫爾提出，由于土體的破壞是剪切破壞，當(dāng)土中任意平面上的剪應(yīng)力達(dá)到抗剪強(qiáng)度時(shí)，該點(diǎn)就發(fā)生破壞，并說(shuō)明破壞面上的剪應(yīng)力是該平面上法向應(yīng)力的函數(shù)。莫爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則則是以庫(kù)倫公式作為土體抗剪強(qiáng)度公式，根據(jù)剪應(yīng)力是否達(dá)到抗剪強(qiáng)度作為破壞標(biāo)準(zhǔn)的理論，即

式中：σ1為摩爾應(yīng)力圓內(nèi)大主應(yīng)力；σ3為小主應(yīng)力；α為作用面與大主應(yīng)力作用面的夾角。

從公式（5）可以看出，應(yīng)力和抗剪強(qiáng)度是一個(gè)函數(shù)關(guān)系，被稱(chēng)為莫爾包絡(luò)線(xiàn)。在莫爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則中，當(dāng)給定土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、φ值以及土中某一定點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，就可以畫(huà)出莫爾包絡(luò)線(xiàn)圖來(lái)判斷土體是否破壞，見(jiàn)圖1。

圖1 莫爾圓與抗剪強(qiáng)度關(guān)系圖

如圖1所示，在莫爾-庫(kù)倫抗剪強(qiáng)度準(zhǔn)則中，當(dāng)整個(gè)莫爾圓位于抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線(xiàn)下方時(shí)，說(shuō)明該點(diǎn)上任意平面上的剪應(yīng)力都小于土體的抗剪強(qiáng)度，土體處于彈性平衡狀態(tài)；當(dāng)莫爾圓與抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線(xiàn)相切，說(shuō)明該點(diǎn)上的剪應(yīng)力正好處于極限平衡狀態(tài)；當(dāng)包絡(luò)線(xiàn)是莫爾圓上的一條割線(xiàn)時(shí)，說(shuō)明土體已經(jīng)發(fā)生了破壞。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

云南某山區(qū)為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民修建房屋，其位置在一山腰處。當(dāng)?shù)氐貏?shì)東北高西南低，地面高程為1882～1922m，相對(duì)高差約40m，自然橫坡為10o～30o，斜坡多開(kāi)墾為耕地，坡度較緩，山坡呈圈椅狀，便于匯集地表水。場(chǎng)地地下水多匯集于低洼平緩處，受大氣降水、基巖裂隙水和巖溶水的補(bǔ)給，受季節(jié)影響明顯，流量變化較大。據(jù)調(diào)查，該地區(qū)山坡容易出現(xiàn)滑坡失穩(wěn)現(xiàn)象。

2.2 山坡滑坡影響因素

（1）工程地質(zhì)條件。該山坡受人工開(kāi)挖的影響，易形成平緩?fù)恋兀欣谟晁暗乇硭畢R集，進(jìn)而軟化土層，不利于坡體穩(wěn)定。下部為可硬塑狀黏土及碎石土，從而形成較為明顯的軟硬分層。場(chǎng)地的地下水位均較淺，土體呈飽和狀態(tài)，力學(xué)強(qiáng)度差。房屋地基填方后，阻礙并改變了原地表水、地下水的排泄路徑，地表水、地下水排泄不暢，抬升了地下水位，淺部土層不斷軟化，土體抗剪強(qiáng)度不斷降低，在上部加載及降水等作用下最終導(dǎo)致滑坡形成。

（2）誘發(fā)條件。地基填方加載引起淺部軟（弱）土層壓密變形，受軟（弱）土層厚度及下伏基巖面起伏較大等因素控制而導(dǎo)致軟（弱）土層的不均勻沉降；軟（弱）土厚度較大、差異大，導(dǎo)致基底軟（弱）土產(chǎn)生了較大的壓縮變形及差異，并順坡向出現(xiàn)了一定的橫向滑移。原淺表地下水排泄通道受阻，部分地下水不能及時(shí)排泄而導(dǎo)致地下水位上升；地表水及地下水排泄不暢、地表水匯集浸泡軟化淺表土層而抗剪強(qiáng)度降低、地下水水位上升導(dǎo)致側(cè)向水壓力顯著增加而坡體下滑力增大，土層軟化及抗剪強(qiáng)度降低而抗滑力減小，故最終導(dǎo)致了坡體的滑移，形成了滑坡。

2.3 結(jié)論分析

通過(guò)上述對(duì)滑坡體的分析可知，滑坡體內(nèi)部巖土體工程力學(xué)性質(zhì)很差，存在軟（弱）土層及破碎地帶，這決定了巖土體內(nèi)部有滑坡風(fēng)險(xiǎn)的存在，加上在房屋修建過(guò)程中的排水不暢導(dǎo)致地下水位升高，軟化土層，降低了土顆粒之間的黏結(jié)力，使整體的抗剪強(qiáng)度顯著降低，同時(shí)房屋修建中外荷載作用破壞了土體原有的靜力平衡狀態(tài)，增加了下滑力。這一系列的內(nèi)外因素使得該土體抗剪強(qiáng)度降低，土體剪切變形加大，整個(gè)土體處于極限平衡狀態(tài)，當(dāng)某一降水過(guò)程或者過(guò)載發(fā)生，土體極限平衡狀態(tài)就被打破，產(chǎn)生土體滑坡。

2.4 工程處理措施

對(duì)該山坡滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，從山坡修建房屋最頂端處向下依次取A、B、C、D4個(gè)點(diǎn)，其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330—2013），結(jié)合表1，該工程選擇如下治理措施：（1）在A點(diǎn)處以1∶0.5坡比向右側(cè)開(kāi)挖至原坡頂擋墻、抗滑樁頂進(jìn)行清方減載；（2）在B、C點(diǎn)右側(cè)12.25m設(shè)圓形抗滑樁基擋墻，承臺(tái)每12m一段設(shè)3個(gè)圓形抗滑樁，樁長(zhǎng)20～40m，左側(cè)段圓形抗滑樁直徑為1.6m；（3）D點(diǎn)處設(shè)圓形抗滑樁，直徑為1.8m，承臺(tái)寬4m，高2m；（4）擋墻頂寬0.6m，高3.5～6m，采用C20片石混凝土砌筑；（5）待抗滑樁基承臺(tái)擋墻施工完成后，開(kāi)挖排水渠。

上述治理措施的目的主要是減少滑坡體外荷載，降低地下水位，增強(qiáng)土體的抗滑力，使其保持一定的穩(wěn)定性狀態(tài)。

3 總結(jié)

山區(qū)工程水文地質(zhì)條件比較復(fù)雜，因而山區(qū)建設(shè)中搞好水文地質(zhì)勘測(cè)工作顯得尤為重要。山區(qū)建設(shè)中，要高度重視巖土體性質(zhì)，尤其是抗剪強(qiáng)度，盡量做好防治措施，避免滑坡帶來(lái)的災(zāi)難性后果。抗剪強(qiáng)度理論是土體對(duì)外荷載所產(chǎn)生的極限抵抗能力，當(dāng)土體在外荷載作用下發(fā)生剪切變形時(shí)，土體會(huì)發(fā)生剪切破壞。對(duì)山區(qū)房建工作中不良邊坡體的加固理論和處理措施進(jìn)行研究，可為山區(qū)房建工程防災(zāi)處理提供依據(jù)。