巖土荷載作用下坡體支護結構強度驗算強制性規定的分析

方玉樹

（1陸軍勤務學院，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）

0 引言

全文強制的《建筑和市政地基基礎通用規范》（GB 55003—2021）（以下稱《地基通用規范》）對巖土荷載作用下坡體支護結構強度驗算作出了規定。具體情況是：

（1）第2.2.2條第4款規定：“在確定……支擋結構截面、……支擋結構內力、確定配筋和驗算材料強度時，……擋土墻土壓力以及滑坡推力，應按承載能力極限狀態下作用的基本組合，采用相應的分項系數……”

（2）第7.2.1條規定：“支護結構構件按承載能力極限狀態設計時，應符合下式規定：

式中：γ0——支護結構重要性系數；Sd——作用基本組合的效應（軸力、彎矩、剪力）設計值；Rd——支護結構構件的抗力設計值。”

（3）第7.2.3條第1款規定：“支護結構穩定性驗算應符合下式規定：

式中：Rk——抗滑力、抗滑力矩、抗傾覆力矩、錨桿和土釘的極限抗拔承載力等土的抗力標準值；Sk——滑動力、滑動力矩、傾覆力矩、錨桿和土釘拉力等作用標準值的效應；K——安全系數。”

可以看出，第7.2.1條規定與第2.2.2條第4款規定是一致的。

第7.2.1條規定與第7.2.3條第1款規定來自“基坑工程”一章，是針對基坑工程的，“邊坡工程”一章沒有相應規定，但根據“基坑工程”一章在前、“邊坡工程”一章在后這個排序和基坑工程與邊坡工程的相似性，可以認為邊坡工程支護結構構件承載力驗算和穩定性驗算的要求與第7.2.1條、第7.2.3條第1款的規定相同。如果不能這樣認識，則意味著《地基通用規范》在邊坡工程支護結構構件承載力驗算和穩定性驗算方面未作規定（即邊坡工程方面存在缺項），此時，如果在邊坡工程穩定性驗算方面采用與第7.2.3條相同的做法，那是符合《地基通用規范》精神的。

筆者對這些強制性規定涉及到的與巖土荷載有關的坡體支護結構強度驗算問題進行討論并提出建議。為敘述方便，在分析中將第2.2.2條第4款中的支擋結構和第7.2.1條、第7.2.3條第1款的支護結構統稱為支護結構。

1 關于坡體作用在支護結構上的巖土荷載類型

關于坡體作用在支護結構上的巖土荷載，《地基通用規范》第2.2.2條第4款用了而且只用了“擋土墻土壓力”和“滑坡推力”兩個類型，這意味著在《地基通用規范》中坡體作用在支護結構上的巖土荷載有而且只有擋土墻土壓力和滑坡推力兩種。這樣做存在下列問題：

（1）未包括非滑坡的邊坡（以下稱邊坡）作用在無擋墻的支護結構（如單純或僅有護面的錨桿群）上的荷載。不同于有擋墻的支護結構，無擋墻的支護結構沒有墻背，繼而沒有墻背摩擦角、沒有方向與墻背法向夾角為墻背摩擦角的擋墻反力，無法根據這種擋墻反力建立力平衡方程。

（2）擋土墻土壓力概念不適用于以穩定系數不小于穩定安全系數為要求的土質邊坡。《地基通用規范》第2.2.2條第4款中與滑坡推力并列出現的擋土墻土壓力包括，甚至主要是主動土壓力（靜止土壓力或其修正值只用于需要控制變形的邊坡），但主動土壓力概念只適用于不要求穩定系數不小于穩定安全系數的情況，例如：擋墻背后全填方的情況。主要原因是：主動土壓力是基于極限平衡（即擋墻反力作用下穩定系數為1）算得的，與大于1的穩定安全系數無關，當邊坡穩定系數不小于1而小于穩定安全系數時，相應主動土壓力為0或為負值。這表明，在此情況下，《地基通用規范》第2.2.2條第4款的規定未達到該規范前言所稱的“保障……工程安全……的控制性底線要求”。主動土壓力概念之所以適用于擋墻背后全填方這種情況，是因為：在擋墻形成前，不存在一個側面位置及傾斜情況和墻背相同的邊坡，因而無需采用穩定系數概念；同時，離開了擋墻，背后填土自身是不穩定的，要發生垮塌，即使單獨計算背后填土的穩定性，其穩定系數也將小于1，也就是說，無論借助土壓力計算還是借助穩定性計算，都會得出需要支擋的結論。據此可知，雖然主動土壓力理論是為擋墻背后全填方的情況提出的，但在擋墻背后的全軟土或無黏性土體不視為坡體，從而無需采用穩定系數概念時，抗失穩擋墻巖土荷載也可采用主動土壓力理論計算。不過，這樣做與擋墻地基穩定性驗算的做法是不匹配的。在當今高大擋墻和復雜或軟弱地基條件經常遇到的時代背景下，不經驗算越來越難保證擋墻地基穩定性滿足要求。因此這種不匹配的情況會時常出現。

（3）未包括巖質邊坡和土巖組合邊坡作用在擋墻上的荷載。《地基通用規范》第2.1.2條、第2.1.5條、第2.1.10條、第3.1.1條、第3.1.2條、第3.2.1條均已采用“巖土”一詞，所以“擋土墻土壓力”中的“土”不能理解為“巖土”。如果像《建筑邊坡工程技術規范》（GB 50330—2013）[1]（以下稱《邊坡規范》2013版）所做的那樣，對巖質邊坡給出主動巖石壓力概念，那么，與擋墻主動土壓力概念不適用于以穩定系數不小于穩定安全系數為要求的土質邊坡同理，擋墻主動巖石壓力概念不適用于以穩定系數不小于穩定安全系數為要求的巖質邊坡。因所有巖質邊坡都要求穩定系數不小于穩定安全系數而沒有例外，故擋墻主動巖石壓力概念對所有巖質邊坡都不適用。

（4）將滑坡推力與擋土墻土壓力并列且同等對待是不正確的。實際上，目前的設計除了將主動土壓力和剩余推力視為兩個不同來源（來自不同滑面）的力，未作其它區分。《地基通用規范》第2.2.2條第4款將滑坡推力與擋土墻土壓力并列且同等對待正是這種錯誤的延續。滑坡推力一般指滑坡剩余推力（在我國工程界，絕大多數情況下指用剩余滑動力法算得的滑坡剩余滑動力）。剩余推力的特點與主動土壓力相反，它與大于1的穩定安全系數有關（隨其增大而增大），但不滿足擋墻反力作用下的力平衡方程，即不是擋墻反力的反力。因此，與主動土壓力可以直接用于背后全填方的擋墻設計計算不同，剩余推力不能直接用于支護結構設計計算。

順便指出，《建筑地基基礎設計規范》（GB 50007—2011）[2]第6.8.3條中的“（巖質邊坡）作用在支擋結構上的推力”既像用剩余滑動力法算得的剩余滑動力一樣不滿足擋墻反力作用下的力平衡方程，即不是擋墻反力的反力，又像主動土壓力一樣與大于1的穩定安全系數無關（當邊坡穩定系數不小于1而小于穩定安全系數時，相應推力為0或為負值）。

（5）對滑坡和邊坡進行穩定性評價時，均以穩定系數不小于穩定安全系數為要求，卻在抗失穩支護時分別用剩余推力和主動巖土壓力代表作用在抗失穩支護結構上的巖土荷載，在道理上是說不通的。雖然滑坡中的滑面是既有的，邊坡中的滑面是潛在的，但當二者的滑面強度參數和形態以及其他條件相同時，二者的抗滑穩定系數相同，此時，在穩定安全系數和支護位置及支護結構相同的情況下，作用在抗失穩支護結構上的巖土荷載不應該不同。

筆者主張，將坡體作用在支護結構上的巖土荷載簡稱為坡體支護結構巖土荷載；將坡體支護結構巖土荷載分為坡體抗變形支護結構巖土荷載和坡體抗失穩支護結構巖土荷載（當不涉及滑動以外的失穩方式時，可稱坡體抗滑支護結構巖土荷載）；坡體抗變形支護結構巖土荷載采用靜止巖土壓力修正法計算；坡體抗失穩支護結構巖土荷載采用按穩定性公式反算法計算。這里的“坡體”包括了滑坡坡體和非滑坡坡體、永久坡體和臨時坡體，也可以包括擋墻背后全填方這種在設置擋墻之前以墻背為坡面的坡體物質尚未形成的坡體。

采用按穩定性公式反算法算得的坡體抗滑支護結構巖土荷載與最末條塊傳遞的剩余滑動力的關系是：

式中：Pn——最末條塊所傳每延米剩余滑動力（kN/m）；θn——最末條塊滑面傾角（°），滑面傾向與滑動方向相同時取正值，滑面傾向與滑動方向相反時取負值；φn——最末條塊滑面內摩擦角（°）；Fst——坡體抗滑穩定安全系數；R0n——最末條塊所傳每延米巖土荷載的反力（kN/m）；αn——最末條塊所傳每延米巖土荷載的反力傾角（°）；反力方向指向斜下方時取正值，指向斜上方時取負值。

由此可知，按穩定性公式反算法所得抗滑支護結構巖土荷載一般大于剩余滑動力。

當滑面為直線形而主動土壓力計算采用庫倫型土壓力理論時，用按穩定性公式反算法所得抗滑支護結構巖土荷載是滑面內摩擦系數和粘聚力按除以抗滑穩定安全系數的方式調整后所得主動土壓力，也就是說，用除以抗滑穩定安全系數后的滑面新內摩擦系數和新粘聚力替換滑面原有內摩擦系數和粘聚力所得主動土壓力就是用按穩定性公式反算法所得抗滑支護結構巖土荷載。由此可知，按穩定性公式反算法所得抗滑支護結構巖土荷載總是大于主動土壓力。

采用筆者主張后，前述幾個問題均不再存在。很多巖質邊坡抗滑穩定性很高，但為防范拉裂變形，也需要支護，關于此種情況的巖土荷載計算問題，《邊坡規范》2013版采用基于虛假的“巖體等效內摩擦角”計算虛假的“主動巖石壓力”的方法來解決，這個思路是錯誤的。但這與主動土壓力概念無關，也與主動巖石壓力概念無關，因而與《地基通用規范》及其精神無關。靜止巖土壓力修正法可以解決巖質邊坡抗變形支護結構巖土荷載計算問題。一些土質邊坡抗變形支護結構巖土荷載視情采用靜止土壓力或其與主動土壓力的平均值，當不采用主動土壓力概念時，靜止巖土壓力修正法也可以解決土質邊坡抗變形支護結構巖土荷載計算問題（該法可以包括以靜止土壓力為抗變形支護結構巖土荷載的情況，此時修正系數取1即可）。

按穩定性公式反算法和靜止巖土壓力修正法，筆者在多年前便已提出[3-5]，對此，拙著[6]有兩個專章的論述。

2 關于巖土荷載作用下坡體支護結構材料強度驗算

在坡體支護結構材料強度驗算中，在巖土荷載同雪荷載和風荷載一樣是標準值的情況下，像《地基通用規范》第2.2.2條第4款和第7.2.1條規定的那樣，巖土荷載“按承載能力極限狀態下作用的基本組合，采用相應的分項系數”并乘以支護結構重要性系數是很正常的。但第2.2.2條第4款中的滑坡推力不是像雪荷載和風荷載那樣的標準值，而是與隨支護結構重要性變化的穩定安全系數有關，隨穩定安全系數增大而增大。因此，滑坡推力“按承載能力極限狀態下作用的基本組合，采用相應的分項系數”并乘以支護結構重要性系數的規定是不正確的。在滑坡推力剛好等于由按穩定性公式反算法算得的坡體抗滑支護結構巖土荷載時，這種規定不屬于《地基通用規范》前言所稱的“保障……工程安全……的控制性底線要求”。當然，由于滑坡推力不是作用基本組合的結果，滑坡推力在性質上也不是荷載設計值。

由按穩定性公式反算法算得的坡體抗滑支護結構巖土荷載與滑坡推力同質，即：與隨支護結構重要性變化的穩定安全系數有關，隨穩定安全系數增大而增大，因此，對這種荷載也不能要求按承載能力極限狀態下作用的基本組合，采用相應的分項系數，并乘以支護結構重要性系數。同樣，這種荷載在性質上也不是荷載設計值。

由按穩定性公式反算法算得的坡體抗失穩支護結構巖土荷載是剛好使坡體穩定的支護力之反力。因此，當用安全系數表示支護結構安全度時，在理論上，坡體抗失穩支護結構安全系數可取1，或者說，坡體抗失穩支護結構極限承載力等于抗滑支護結構巖土荷載即可。但是，坡體抗失穩支護結構極限承載力的確定存在明顯誤差，比如：抗失穩支護結構巖土荷載在豎直和水平方向上的分布也難以準確確定，這導致抗失穩支護結構極限承載力的確定即使在構件極限承載力計算無誤差時也有明顯誤差；另外，由于錨桿受拉力作用時砂漿與巖土層界面上應力分布不均并且因錨固長度的不同而不同，靠試驗和相應經驗確定的砂漿與巖土層極限粘結強度標準值有明顯誤差，尤其是工作條件會引起錨桿承載力發生很大變化。如果為考慮抗失穩支護結構極限承載力這一新因素的誤差對穩定性計算結果的影響而提高穩定安全系數，又會造成同一工程重要性等級和同一失穩類型下的穩定安全系數取值不統一。因此，抗失穩支護結構本身應有一定安全度，但其安全度應低于以主動土壓力為荷載時所設計的擋墻。

坡體支護結構材料強度驗算時，鑒于按穩定性公式反算法算得的抗失穩支護結構巖土荷載隨坡體穩定安全系數的增大而增大，而穩定安全系數隨工程重要性的提高而提高，將這種荷載乘以結構重要性系數已無必要；鑒于坡體抗變形支護結構用于抗變形，其巖土荷載乘以結構重要性系數也無必要。

綜合本節和上節所述，筆者主張，在坡體支護結構材料強度驗算中，坡體抗變形支護結構巖土荷載按承載能力極限狀態下作用的基本組合，采用相應的分項系數并乘以支護結構重要性系數，坡體抗失穩支護結構巖土荷載采用承載能力極限狀態下作用的基本組合，但分項系數取1.0，支護結構重要性系數取1.0。

從這里和下節可以看出，由按穩定性公式反算法算得的抗失穩支護結構巖土荷載很特別：它在性質上既不是荷載標準值，也不是荷載設計值，但為符合強度驗算的統一規則，需要在分項系數法中視為荷載分項系數為1.0的荷載設計值，在安全系數法中視為要求減小安全系數的荷載標準值。

筆者的上述主張在拙著[6]中已有較詳細的論述。

3 關于坡體支護結構中錨桿和土釘抗拔承載力驗算

《地基通用規范》第7.2.3條第1款將支護結構中錨桿和土釘抗拔承載力驗算歸為支護結構穩定性驗算，要求錨桿和土釘拉力標準值與安全系數之積不小于錨桿和土釘的極限抗拔承載力這個土的抗力標準值。這一規定存在下列問題：

（1）將錨桿和土釘的極限抗拔承載力這種抗力歸入土的抗力是不合適的。錨桿和土釘的極限抗拔承載力這種抗力不都屬于土的抗力，在某些條件下錨桿和土釘的極限抗拔承載力受制于筋材極限抗拉斷承載力或筋材極限抗拔承載力。巖石錨桿承載力也不屬于土的抗力。

（2）將支護結構中錨桿和土釘抗拔承載力驗算歸為支護結構穩定性驗算是不合適的。

①一般意義上說，錨桿和土釘的極限抗拔承載力由筋材極限抗拉斷承載力、筋材極限抗拔承載力和錨固體極限抗拔承載力三者的小值決定，因此，錨桿和土釘承載力驗算涵蓋了筋材抗拉斷承載力驗算、筋材抗拔承載力驗算和錨固體抗拔承載力驗算。其中，前兩種驗算屬于支護結構材料強度驗算，《地基通用規范》是對材料強度驗算和支護結構穩定性驗算分別作出規定的；后一種驗算屬于支護結構巖土強度驗算，與地基（樁基）承載力驗算相當，《地基通用規范》是對地基（樁基）承載力驗算和支護結構穩定性驗算分別作出規定的。

②當支護結構承擔巖土荷載的能力完全取決于錨桿群和土釘群時，一根錨桿和土釘抗拔承載力不滿足要求并不表示所在支護結構穩定性不滿足要求。

③當有擋墻的支護結構含有錨桿（如錨桿擋墻和錨拉樁擋墻）時，錨桿只是支護結構的一個組成部分，錨桿抗拔承載力驗算顯然不是支護結構穩定性驗算。

（3）對錨桿和土釘的拉力類型不加區分是不合適的。如上兩節所述，坡體抗失穩支護結構巖土荷載應根據按穩定性公式反算法計算，它在強度驗算中不能像坡體抗變形支護結構巖土荷載那樣對待，坡體支護結構中錨桿和土釘的拉力系由坡體支護結構巖土荷載算得，坡體抗失穩支護結構中錨桿和土釘的拉力也不能像坡體抗變形支護結構中錨桿和土釘的拉力那樣對待。

（4）不給出錨桿和土釘承載安全系數取值要求是不合適的。在此情況下，安全系數即使取1.001或者1.01也沒有違反《地基通用規范》的規定，而這樣取值時，涉錨桿和土釘支護的工程安全度是遠遠不夠的。也許有人認為，安全系數取值可以由其他標準確定。這一認識是不正確的，因為《地基通用規范》留下這個空白意味著該規范對支護錨桿和土釘沒有給出其前言所稱的“保障……工程安全……的控制性底線要求”。

為解決上述問題，理論上可以采取下列辦法：錨桿和土釘材料強度驗算（即筋材抗拉斷承載力驗算和筋材抗拔承載力驗算）采用筆者在上節提出的主張；巖土強度驗算（即錨固體抗拔承載力驗算）按地基（樁基）承載力驗算對待，采用安全系數法（關于地基（樁基）承載力驗算改允許應力法為安全系數法這一主張的詳細論述見筆者另文[6-7]），給出不隨工程安全等級變化的承載安全系數取值（安全系數不隨工程安全等級變化的做法與分項系數法中支護結構重要性系數取1.0的做法是一致的），其中，抗失穩支護結構中錨固體抗拔安全系數小于抗變形支護結構中錨固體抗拔安全系數。

但采取上述辦法存在下列兩個缺陷：

①為使安全度不下降，采用分項系數法時需引入工作條件系數（就像《建筑邊坡工程技術規范》（GB 50330—2002）[8]所做的那樣），這使得計算方法不完全符合分項系數法的概念。但如果取消工作條件系數，又會使得筋材承載安全度顯著降低。

②錨固段長度需取由筋材與砂漿粘結強度決定的錨固段長度和由砂漿與巖土體粘結強度決定的錨固段長度二者的大值，同是錨固段長度，一個（由桿體與砂漿粘結強度決定的錨固段長度）用分項系數法，一個（由砂漿與巖土體粘結強度決定的錨固段長度）用安全系數法，這使得設計計算較易出錯。

為此，筆者主張：將錨桿和土釘承載力驗算的規定單列（相應地，關于坡體支護結構材料強度驗算的規定需注明不包括錨桿和土釘）；錨桿和土釘材料強度驗算（即筋材抗拉斷承載力驗算和筋材抗拔承載力驗算）和巖土強度驗算（即錨固體抗拔承載力驗算）均采用安全系數法，給出不隨工程安全等級變化的承載安全系數取值，其中，抗失穩支護結構中錨桿承載（筋材抗拉、筋材抗拔、錨固體抗拔）安全系數小于抗變形支護結構中錨桿承載（筋材抗拉、筋材抗拔、錨固體抗拔）安全系數。

筆者的上述主張（包括承載安全系數取值）在拙著[6]中已有較詳細的論述。

4 結論與建議

（1）將作用在坡體支護結構上的巖土荷載劃分為擋土墻土壓力和滑坡推力兩類是不正確的，將主動巖土壓力用作邊坡抗失穩支護結構巖土荷載造成抗滑穩定系數大于或等于1但抗滑未達穩定的坡體和抗滑穩定但有拉裂變形之虞的永久高陡巖質邊坡得不到治理，將給工程造成嚴重安全隱患。建議：將坡體作用在支護結構上的巖土荷載簡稱為坡體支護結構巖土荷載，將坡體支護結構巖土荷載分為坡體抗失穩支護結構巖土荷載（當不涉及滑動以外的失穩方式時可稱坡體抗滑支護結構巖土荷載）和坡體抗變形支護結構巖土荷載，坡體抗失穩支護結構巖土荷載采用按穩定性公式反算法計算，坡體抗變形支護結構巖土荷載采用靜止巖土壓力修正法計算。這里的“坡體”包括了滑坡坡體和非滑坡坡體、永久坡體和臨時坡體，也可以包括擋墻背后全填方這種在設置擋墻之前以墻背為坡面的坡體物質尚未形成的坡體。

（2）在坡體支護結構材料強度驗算中，對抗變形支護結構巖土荷載和抗失穩支護結構巖土荷載不加區分、同等對待的做法是不正確的。建議：在除錨桿和土釘外的坡體支護結構材料強度驗算中，坡體抗變形支護結構巖土荷載按承載能力極限狀態下作用的基本組合，采用相應的分項系數，但支護結構重要性系數取1.0；坡體抗失穩支護結構巖土荷載采用承載能力極限狀態下作用的基本組合，但分項系數取1.0，支護結構重要性系數取1.0。

（3）將錨桿和土釘的極限抗拔承載力這種抗力歸入土的抗力、將支護結構中錨桿和土釘抗拔承載力驗算歸為支護結構穩定性驗算、對錨桿和土釘的拉力類型不加區分這些做法都是不合適的，而不給出承載安全系數取值要求將留下安全隱患。建議：錨桿和土釘材料強度驗算（即筋材抗拉斷承載力驗算和筋材抗拔承載力驗算）和巖土強度驗算（即錨固體抗拔承載力驗算）均采用安全系數法，給出不隨工程重要性等級變化的錨桿承載安全系數取值，其中抗失穩支護結構中錨桿承載（筋材抗拉、筋材抗拔、錨固體抗拔）安全系數小于抗變形支護結構中錨桿承載（筋材抗拉、筋材抗拔、錨固體抗拔）安全系數。

（4）長期的錯誤不應當作成熟的經驗被強制延續。