黃土邊坡穩定性及治理的規律性研究
——以西安地區某項目黃土邊坡工程為例

張振海

（上海新榮陽投資控股集團，上海 200082）

0 引言

隨著國民經濟的飛速發展，大量交通、民用建筑等設施的興建，開挖與堆填的邊坡數量越來越多，也越來越高，如一些水利水電的邊坡甚至高達500m[1]。穩定性是邊坡最基本也是最重要的問題，同時也是邊坡設計與施工中最迫切需要解決的問題之一。早在1776年，法國學者庫侖（Coulomb）便提出計算擋土墻土壓力的方法。1857年，朗肯（Rankine）建立了計算主動與被動土壓力的方法。兩者的研究成果形成了邊坡工程的最初體系，即“極限平衡法”。在邊坡穩定性研究方面，1830年，英國學者萊伊爾（Lyell）最早提出滑坡的概念[2]。1916年瑞典學者彼得森（Petterson）進一步提出圓弧滑動分析方法，費倫紐斯（Fellemius）在此基礎上創立了條分法，其后多位學者創造了多種方法，如簡布法（Janbu）、畢肖普法（Bishop）、軍團法、羅厄法、斯賓塞法等九種[3]。而學者鄧肯（Duncan JM）則對邊坡的穩定性問題進行了系統性的研究與闡述。

相對于國外，我國在邊坡理論與施工方面的研究起步較晚，但是，近幾十年來，隨著中國數量龐大的工程的開展，相關理論也得到飛速發展。理論與實踐互相推動，形成了“理論創新與施工技術工藝改進”共同發展的局面。有代表性的研究如林杭等[4]提出“強度折減法”：在滿足平衡條件的同時，也考慮到材料的應力與應變，繼而求得任意形狀的臨界滑動面及相應的最小安全系數。還有一些新的方法，如以概率與數理統計為基礎的可靠性分析方法、以模糊數學為基礎的模糊綜合評價方法、以灰色系統理論為基礎的灰色系統評價方法，以及以神經網絡理論為基礎的神經網絡評價方法等[5]，它們共同代表著邊坡治理的發展趨勢。

本文基于上述背景，以西安地區某邊坡加固工程為例，采用常規應用的“極限平衡法”進行分析（其機理是引入了一些簡化假定，使計算較為方便），展開邊坡治理的穩定性相關研究，以期為類似邊坡工程的治理提供參考。

1 項目概況

規劃建設完成后小區的標高比原狀地面（邊坡坡肩）高出約6m，此部分為地下車庫與綠化覆土部分。擬建高樓為33層，高度約100m，樓房側邊距離坡邊的水平距離平均約20m。邊坡坡肩至坡腳最深處約30m，如圖1所示。擬建樓房在建設過程與竣工后都需要對邊坡進行加固，才能保障樓房與小區的安全使用。

圖1 西安某邊坡原始狀態俯瞰圖

地面海拔高程約480m，場地地貌為典型性黃土塬。地質勘探表明（探深約90m），其主要由第四系全新統雜填土（Q4ml）、黃土（Q32eol）、古土壤（Q31el）、黃土（Q2eol）、古土壤（Q2el）等共十多層土壤構成。地下水位穩定埋深在27.00～45.00m之間。黃土、古土壤具有濕陷性，濕陷性土層最大分布深度約為地下25.0m。土層承載力特征值在130～240kPa之間，古土壤比黃土的承載力大，土層越深的土壤承載力也越大[6]。

2 邊坡加固方式的選用

邊坡加固的形式有多種，適應于不同的地質條件。這些形式各具特色、各有利弊，根據地質結構或邊坡的具體情況，需因地制宜選用。本文根據常用邊坡加固形式與受力情況的不同，將其歸納為以下五大方式。

（1）坡率法。需要一定的放坡空間，根據土壤的密實度與粘聚力，放坡比例一般在1:1.5～2.0以上（越大越優）。而按此標準，至少需要45m以上的水平距離。該案例無法滿足此條件，因此不適合應用此方法。

（2）擋墻。常用于小區邊界護坡、山體護腳等，高度和性能要求低，可產生一定的變形量。而該案例對安全要求高，需要保證樓房基礎的穩定性，因此不適合用此方法。

（3）混合式。要有進行錨固的空間（深度距離30m以上）與巖土（土壤的強度越大，效果越好）。案例中黃土的錨固性相對較差，并且有一半的土壤是填土，錨固的效果更差。綜合此兩點，該案例不適合用此方法。

（4）錨桿。依靠錨桿與噴射混凝土聯合鋼筋網共同負荷，以提高邊坡巖體的結構強度和抗變形剛度，減少巖體側向變形。此方式純粹用錨桿進行加固，比混合式的要求更高，因此，也不適用。

（5）抗滑樁。其原理是將樁插入到滑面以下的穩固地層內，利用穩定地層巖土的錨固作用平衡滑動力，從而達到穩定滑坡的目的[7]。此方法抗滑能力很強、對滑體穩定性擾動小、設樁的位置較為靈活，可作為案例邊坡治理的最佳選擇。

3 案例邊坡的穩定性分析

3.1 穩定性分析的方法

（1）定性與定量分析。邊坡穩定性分析一般分為兩個階段：第一階段是定性分析（理論分析與經驗判斷），對初勘所取得的地質資料進行研究，做出初步評估；第二階段是定量分析（實測算量與檢驗驗證），對定性階段分析所判斷的存在風險部分進行詳勘與專業設計。但巖土工程（包括邊坡）尚不能“精準”計算，這主要是由勘探樣本的失真性、信息的不完整性、影響因素的多樣性與相互作用、材料的復雜性、條件的不可確定性、建立計算簡化模型的失真性等因素造成。因此，第二階段的定量計算仍需要回歸到第一階段的定性分析中再檢驗驗證（即計算非萬能，概念與經驗不可缺失）。

（2）邊坡穩定性分析方法。邊坡的核心問題是穩定性，其目的是確定經濟合理的結構參數，分析已有邊坡穩定性量化的程度，為治理措施提供可靠的依據。針對不同的邊坡，需因地制宜。對于高等級邊坡或重要邊坡，應采用多種定性與定量方法進行綜合評估，并根據結果調整方案。本文采用以往文獻調查與現實應用的方法進行歸納，得出八種分析方法，分別是工程地質類比法、坡率法、圖解法、極限平衡法、數值模擬法、敏感性分析法、概率設計方法、荷載抗力系數設計法、荷載抗力系數設計法。

（3）案例邊坡選用方法。針對不同的地質條件、氣候特征、巖土分布規律及施工選取工藝方法，邊坡開挖前須進行穩定性計算。穩定性計算有多種方法：在簡單邊坡穩定性分析中，可以選用其中一種方法，但重大邊坡則需要兩種或兩種以上的組合應用。本文案例選取“極限平衡法”，將邊坡巖土視為“剛體”。

3.2 穩定性模型與分析

（1）穩定性模型。案例采用雙排樁進行加固，兩排樁之間采用連接梁，兩排樁的樁頂部位各自設置冠梁，即上部樁頂連為一個整體。樁直徑為1.5m，長度按地勢不同略有差別，平均約為30.0m，如圖2所示。

圖2 邊坡模型簡化計算圖

（2）抗傾覆穩定性驗算。取某一個截面為代表，按公式（1）計算（地下水位低于支護樁的底端高度）：

計算發現，KQ的數值為1.85[8]，大于1.25的安全系數值[9]，滿足安全要求。

（3）整體穩定驗算。以瑞典條分法為工具，有效應力法的應力狀態、條分法中的土條寬度取1.00m，滑裂面圓弧半徑R=34.04，圓心坐標X=-0.53、Y=14.96，計算得出整體穩定安全系數Ks=2.83[8]，大于1.35的安全系數要求[9]。

（4）抗隆起驗算。在加固底部處、34.15m處、37.35m處取三個值，逐層驗算抗隆起穩定性，根據公式（2）計算：

計算得出三個層面分別為5.55、7.63、5.75，都大于1.8的安全要求值[9]，滿足安全要求。

（5）嵌固深度構造計算。嵌固深度=嵌固構造深度系數×基坑深度=0.60×14.30=8.58m。嵌固深度采用值為18.7m，滿足構造要求。

（6）嵌固段基坑內側土反力驗算。作用在擋土構件嵌固段上的基坑內側土反力合力為8166.87kN，小于作用在擋土構件嵌固段上的被動土壓力合力值14917.03kN[8]，土反力滿足要求。

（7）加筋土部位擋土墻穩定性分析。墻身總高6.50m，筋帶水平與豎向間距都為0.40m，筋帶長16.00m、寬0.06m、厚0.02m（圖3）。加筋土內摩擦角35.00°，筋帶容許拉應力60.00MPa，土與筋帶之間的摩擦系數0.40。計算參數：圓心步長與半徑步長都為1.00m，土條寬度為0.50m，填土（回填黃土的最佳含水量為13%左右，現場需要撒水控制，以“手捏成團，落地開花”為標準）粘聚力為18.00kPa、地基土粘聚力為23.00 kPa。筋帶抗拔最小安全系數為2.18，大于2.00的要求。整體穩定驗算最小安全系數為2.12[8]，大于1.25的安全要求[9]。

圖3 加筋土示意圖

（8）一般工狀。內部穩定性分析采用應力分析法，選擇某一個段面點進行簡化模型分析。墻身總高為6.5m，筋帶豎向間距全部均勻分布，單個筋帶厚度為2mm，筋帶水平方向間距為0.4m，筋帶豎直方向間距為0.4m。計算得出筋帶的抗拔驗算最小安全系數為2.18[8]，大于安全要求值2.00[9]。外部穩定性計算得出整體穩定性最小的安全系數為2.12[8]，大于安全要求值1.25[9]，因此滿足一般工狀安全性要求。

（9）地震工狀。內部穩定性采用應力分析法，筋帶抗拔驗算后得出最小安全系數為2.14[8]，大于安全要求值1.20[9]。經外部穩定性計算，得出滑動穩定性系數為3.85[8]，大于安全要求值1.10[9]。計算得出傾覆穩定性系數為25.42[8],大于安全要求值1.20[9]。整體穩定性計算得出最小安全系數為2.18[8]，大于安全要求值1.10[9]。因此，滿足地震工狀安全性要求。

4 邊坡加固，兼顧經營與安全

4.1 現行做法

從安全性的角度出發，應該是先進行邊坡加固，再進行高樓施工。但現行項目建設中，特別是房地產企業為了將樓房建到某個規定的高度后進行“預售”，回籠資金，往往采用先建樓后加固的順序，或者是兩者同時進行。各個地區對高度的要求在規定上有所不同，本文案例項目只要建到標準層，或±0.00標高工程完成，就具備預售條件。

4.2 樓房建設是否需要邊坡先行加固

案例中涉及到的樓房高度為101.25m，地下室深度為7.20m。按1/15[10]的基礎埋置深度要求為6.75m，已達到此規定。同時，要求埋入地下部分具有可靠的側向限制。本文根據大量設計方案與施工案例統計，得出經驗數據為1.5～2.0倍的邊坡深度。按此經驗值，案例在邊坡加固前不符合此規定（邊坡深30m，按1.5倍側限則為45m，按2.0倍則為60m，而案例加固前的現有平均寬度只有20m），在邊坡加固前，不能將樓房建到頂層。

由于工期非常緊張，在邊坡沒有加固前即開始進行樓房的建設，但同時基于安全的要求，在建設至第10層時停止，等待邊坡加固后再進行建設。由于邊坡的深度約為30m，相當于10層樓高度，在地下室沒有側限的前提下，常規安全高度約為10層。

5 邊坡的排水措施

據統計資料顯示，大多數邊坡的變形破壞都與水相關，尤其是在暴雨之后，發生災害的概率更高。而水對邊坡的力學作用主要包括靜水壓力、浮托力、動水壓力，它們共同影響邊坡的穩定性。在增強邊坡穩定性方面，排水降壓比力學加固的效果更明顯，經濟性能也更加優越。因此，幾乎所有的邊坡工程均采取排水措施，本文案例采取了以下幾種排水形式。

（1）建立坡面的防、截、排體系（外排）。在坡頂與坡肩采用硬化防水面，以集中井的形式收集水源，再通過管道排除，從而達到防、截、排的目的。即從外部杜絕或者減少雨水或其他水源滲透入邊坡中，從根本上防范水患對邊坡的損害作用（特別是案例中的黃土具有濕陷性，存在潛在的變形危害）。排水的流量按極端天氣下的暴雨量進行設計，防范邊坡發生致命性損傷。

（2）建立水平鉆孔排水體系（內排）。設置排水孔的目的是將邊坡中的水排出。首先，在坡面（如回填土與坡腳部位）建大量的短排水孔（在反面鋪設反濾層）；其次，穿插少量深排水孔（約20m），目的是將坡體深層內的水排出，從而防范支撐結構因受到土壤體中的水壓力而遭到破壞。

采用這兩類排水方式，已能達到排水的效果。

6 邊坡加固、綠化一舉多得

在邊坡治理中，需要兼顧結構的穩定與景觀的優美。特別是針對黃土邊坡，通過綠化，植物根系與土壤共同作用，組成了復合結構：根系具有較高的抗拉強度與錨固力，可以提高土的抗剪強度，限制土壤的滑移，加固效果顯著。

6.1 邊坡綠化時采用的原則

案例邊坡在綠化時采取了四個原則：（1）植物防護與混凝土結構有機結合，建立既穩定牢固又有生態效應的防護系統；（2）因地制宜，種植當地植物，這樣在采購、種植、養護等方面成本較低；（3）對護坡植物進行規劃設計，使喬木、灌木、花草層次分明、錯落有序；（4）護坡植物與城市人文相結合，營造城市綠化景點，既提升住宅小區的品味（獲取商業利潤），又彰顯城市的美感（社會效應外溢）。

6.2 坡面綠化要點

（1）使骨架圖案多樣化。需要結合景觀進行邊坡美化：采用多種方式將坡面改為方格形、菱形、正方形、拱形等圖形的骨架，并將多種圖形按一定的規律進行排布，從而形成多姿多彩的景觀類型。

（2）選用坡面植物。進行邊坡綠化時，選擇野牛草、林地早熟禾、草地早熟禾、白三葉、穎茅苔草等適應當地生態的植物，易于養護。

（3）點綴硬化圖形。在護腳等全部為混凝土坡面的區域，采用“化硬為軟”的方式，即用浮雕式圖形、彩繪式圖形，將呆板的混凝土護坡改造為五彩繽紛的人文景觀，打造景觀亮點。

（4）其他理念。①化整為零：將30m垂直高的一面邊坡設計為4～6級的多級邊坡，并對每級坡腳進行綠化；②化大為小：將局部高差大的擋土墻做成“板凳”式，并對“板凳”凹面進行綠化；③化陡為緩：將直立的擋土墻改為傾斜式，使空間視覺更加開敞。

7 結論

本文根據案例工程邊坡高差大、側邊距離小的現狀，選擇了抗滑樁的方式進行加固。計算采用了“極限平衡法”，將邊坡巖土視為“剛體”建立模型，所設計方案滿足安全性要求。為防范水患對邊坡造成破壞，采用了防、截、排體系（外排）與水平鉆孔排水體系（內排）。另外，對邊坡進行綠化，在提升小區景觀品質的同時，也加強了邊坡的穩定性。在邊坡與小區竣工后，這些措施經過實踐檢驗，效果良好。

經過以上幾個方面的研究，可以得出治理邊坡的規律：（1）邊坡工程尚不能精確計算其穩定性，在治理的過程中必須因地制宜選擇加固方式；（2）邊坡的治理涉及到大額的資金投入，在治理的過程中必須兼顧經營與安全；（3）邊坡治理需防范后期水患的破壞，滿足綠化景觀的要求。