某堆填土欠穩定高邊坡抗剪強度參數取值研究

蔡長發 何輝祥 李愛華 嚴升華

收稿日期：2023-11-03；修回日期：2024-03-26

第一作者簡介：蔡長發（1986- ），男，碩士，高級工程師，主要從事巖土工程勘察、巖土設計及治理方面的研究工作。E-mail：563651161@qq.com

引用格式：蔡長發，何輝祥，李愛華，嚴升華，2024.某堆填土欠穩定高邊坡抗剪強度參數取值研究［J］.城市地質，19（2）：209-217

摘 要：梧州市某樓盤在建筑安全影響范圍內有一削坡形成的高度20～45 m的堆填土高邊坡，存在較大滑塌安全隱患，需對該欠穩定高邊坡綜合整治處理。為取得符合實際的、經濟合理的邊坡設計抗剪強度參數，采用了綜合法確定抗剪強度參數，即采用現場原位直剪試驗、室內重塑土樣試驗、多元線性回歸法等，綜合分析確定欠穩定高邊坡的抗剪強度參數。結果表明：采用綜合法參數取值能優化邊坡設計、縮短治理工期、節約治理費用，治理效果顯著。

關鍵詞：抗剪強度參數；土石混合填土；原位直剪試驗；軟弱結構面；多元線性回歸

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穩定堆填土高邊坡的抗剪強度參數取值問題，為該邊坡的綜合整治處理設計提供經濟合理的抗剪強度參數（c、φ）。國內外大量研究已證實，邊坡是否發生滑坡常常取決于軟弱結構面（帶）的應力狀態和強度變化，這些變化又最終取決于軟弱結構面類型、微觀結構特征、物質組分和形成機理（陳傳勝等，2012）。確定軟弱結構面（帶）的位置及其抗剪強度參數（c、φ）已成為邊坡穩定性分析的重要內容，是邊坡穩定性評價及綜合治理設計中的關鍵問題，參數值的大小直接影響著邊坡穩定性計算及整治工程方案的選定。

經勘察，該邊坡坡體為無序堆填的土石混合填土，堆填土由黏性土及不同粒徑、不同巖性、不同強度、不同含石率的礫石塊體混合而成，具有典型的非均質、非連續性，很難在現場采集到原狀樣來進行室內試驗，而現場大尺度原位試驗可以獲得更接近實際情況的巖土體力學參數，因此室外原位試驗已成為研究土石混合體特性的一種有效手段。據查，對三峽庫區的土石混合體力學性質有過大量的研究，如油新華等（2002）、李曉等（2007）、徐文杰等（2008）通過大量室外原位試驗，詳細介紹了土石混合體分布特點、地質成因、結構特征及其變形破壞特性，為開展土石混合體力學參數關聯因素研究奠定了良好的基礎，室外原位試驗多以獲取土石混合體宏觀力學參數為目的，難以深入揭示土石混合體變形破壞的本質規律、內在機理和決定性因素；鄧華鋒等（2013）通過對土石混合體采取大試樣的室內剪切試驗，深入提示了土石混合體的抗剪強度參數與巖土體有著很大的區別，土石混合體具有顯著的非均勻性，提出用臨塑抗剪強度和極限抗剪強度來分析土石混合體的剪強度參數；楊期祥（2022）為探究大型深層滑坡滑帶土力學強度參數的選取，采取大型原位直剪試驗、室內試驗、參數反演法及工程類比法，綜合確定滑帶土的力學強度參數；劉小麗等（2004）系統總結滑帶土的強度特性對滑坡穩定性的影響；張怡穎等（2021）采用環剪試驗，研究滑坡滑動速率和滑帶土含水率對滑帶土的力學強度特性影響；易平（2014）采用傳遞系數法，建立反演計算模型，求解高含水淺層滑坡滑帶土強度參數c、φ值；賴波等（2021）、黃鋒等（2022）、王玉潔等（2023）對邊坡變形破壞特征及邊坡穩定性進行了研究；李方震等（2021）、劉仍陽（2024）對邊坡危險性進行了評估；白金朋等（2022）對壩前堆積體抗剪強度特性進行了原位大型直剪試驗研究。上述研究成果為把握土石混合體的力學特性積累了經驗，但是這些試驗，較少考慮試驗剪切面與實際土體破壞滑動面的關聯，剪切破壞面的特征及其影響因素，也較少考慮原位直剪試驗后的穩定性計算的抗剪強度參數取值方法，進而直接影響工程設計計算和實際變形穩定。因此，本文主要在土石混合體原位直剪試驗的基礎上，對本場地抗剪強度參數取值進行了研究。

1? 邊坡概況

1）原位直剪試驗時邊坡狀況

邊坡分為東側邊坡、南側邊坡兩段，大致呈“L”形，邊坡體主要由碎塊石、砂粒、黏性土組成，組成物極不均勻。邊坡分級削坡坡率約1∶1，無任何處治裸露時間為2—6個月，邊坡體已出現系列的邊坡病害病險問題，如圖1所示。東側邊坡的高度12.0～30.0 m，長度約350 m，該段邊坡局部多處形成小型崩塌病害；南側邊坡的高度19.0～45.0 m，長度約290 m，該段邊坡存在明顯雨水沖刷破壞的溝槽現象，呈欠穩定狀態。

該堆填邊坡高度普遍大于20 m，且超一半坡段高度超30 m，超出《建筑邊坡工程技術規范》適用范圍（適用于土質邊坡≤15 m），設計不能采用規范中坡率法（放坡法）進行穩定性驗算。邊坡坡腳距離高層住宅樓邊緣15～35 m，萬一發生滑坡會對高層建筑的墻體、柱梁等發生沖擊甚至致使建筑破壞，可能還會影響中下游城區的安全。

2）初步整治處理方案

該填土邊坡堆填物復雜、組分多變極不均勻，大多固結程度較差，且邊坡高度大，考慮到采用錨桿（索）錨固力小，不能有效發揮錨桿支護結構性能，性價比低。經專家論證擬采用不加支護的純放坡法（坡率法），輔助坡面綠化植草和地表截、排水，坡腳毛石壓腳護面的綜合整治方案。通過控制分級邊坡的高度和放坡的坡度，靠邊坡自身土體的自穩性來保證整體邊坡的穩定性。

2? 抗剪強度參數取值方法

2.1? 邊坡巖土工程勘察

邊坡穩定性計算所需的抗剪強度參數，理論上很清楚也很明確，應取邊坡體整個運營期間最不利或分坡段最不利的最軟弱滑動面的抗剪強度值。但問題是有些技術人員對參數拿捏不準，取值過大時會使邊坡失控失穩，取值過小時又會偏離實際造成浪費導致處治費用過大。各方對抗剪參數爭議，出于以下原因：

1）組成該邊坡的巖土成分復雜。該邊坡巖土體主要為梧州市建筑棄土臨時堆放場（渣土場），后因項目場地開挖而形成堆填土高邊坡；物質組成顆粒大小極不均勻，有強中風化大塊石泥砂巖，也有殘沖積黏性土；邊坡體巖土成分來源復雜，坡體碎塊石含量普遍較高（15%～40%），堆填年代也長短不一（1～10 a），堆填方式基本未經壓實，而是靠堆填時間自重固結密實，各區段的巖土滲透變化大導致雨季時水文地質條件復雜，所以該L型邊坡體的巖性、固結程度和力學性質差異大，具有很大的不確定性，邊坡填土體的強度變化大、均勻性極差、潛在軟弱滑面多。

2）由于坡體巖土成分的復雜性、多相性、不均勻性，勘察階段提供的抗剪強度參數是綜合標貫試驗、土工試驗、鉆進快慢、巖心形態等，結合工程經驗給出的初步指標。勘察報告給出的建議值難以反映坡體巖土體強度特征，數值來源不嚴謹、依據不足，具有推測性。勘察報告建議值見表1。

3）滑動面（帶）、滑體、滑床三者的抗剪強度大小關系，滑動面<滑體<滑床，滑動面比滑動面之上滑體的抗剪強度要小，甚至小很多。勘察階段的勘察對象主要為潛在滑動面之上的滑體巖土體，而不是滑動面軟弱土質，所以勘察階段所提供的參數，往往是結合簡易原位測試成果、室內土工試驗、鉆探巖心樣及鉆進情況等的工程經驗推測值，難以代表土體中最不利滑動面的抗剪強度數值。

因此，為了更好解決上述參數爭議，獲取更準確、更符合實際的抗剪強度參數，邊坡勘察后又專門進行了16組大型原位直剪試驗，再綜合分析抗剪強度參數的取值。

2.2? 原位直剪試驗

2.2.1? 現場原位直剪試驗

原位直剪試驗共進行了9個浸水狀態試驗點和7個天然狀態試驗點，每個試驗點（試坑）的試樣試驗不少于3組，各試驗點中各組試樣的強度參數、土樣含水率和濕密度如表2、表3所示，代表性1#試驗點及2#試驗點的應力應變曲線、抗剪強度和垂直壓力曲線如圖2所示。表4為9組浸水狀態試驗統計結果，表5為7組原狀土試驗統計結果。

2.2.2? 室內重塑土樣試驗

液、塑限試驗所用土樣采自現場原位直剪試驗剪切破壞面處，重塑土樣與現場原狀土樣具有相同的濕密度，通過負壓抽氣法對土樣進行飽和。所取土樣普遍含較多碎石，擊實試驗土樣過2 cm的篩，而做液、塑限的土是細粒土，所有試驗結果最優含水率明顯低于塑限。

2.2.3? 多元線性逐步回歸分析法

雖然對該邊坡范圍進行了16組（含9組浸水狀態）原位直剪試驗，但仍然無法滿足工程處治設計所需的符合實際合理的抗剪強度參數取值。為此，采用多元線性逐步回歸分析法，分析各指標間關聯性，研究該堆填高邊坡土體的物理力學參數間的相關關系，建立強度參數和物理性質參數間的相關方程，預測抗剪強度參數。

對表2及表6進行數據整理分析，獲得浸水土樣的物理力學參數，見表7。

使用SPSS軟件，以黏聚力為因變量，塑性指數、密實度、飽和度為自變量，進行多元線性逐步回歸分析，獲得多元線性逐步回歸分析模型表（表8）、方差分析表（表9）和回歸方程式（1）。

（1）

式中，為黏聚力，為飽和度，為密實度。

由表8-9可知，逐步回歸分析獲得的模型相關系數R值為0.87，Sig值為0，說明具有高度的相關性，擬合程度較好。

運用公式（1）可預測不同密實程度和飽和度下土的黏聚力。如密實度不變，飽和度分別取75%、80%、85%、90%和95%，相應的黏聚力預測值及其統計量見表10。設計時填土的黏聚力可根據需要取下限值或最小值。

回歸分析結果顯示，內摩擦角（）與塑性指數、濕密度、密實度、含水率、飽和度的相關性不明顯，這或許是由于測試塑性指數、濕密度、含水率、飽和度等指標的土樣篩去了粗顆粒、改變了土樣的顆粒級配所致。

3? 結果與討論

3.1? 采用綜合法確定抗剪強度參數的可行性

1）邊坡設計穩定性計算應采用潛在的最軟弱面（帶）的抗剪強度參數。現場直剪試驗的剪切破壞面一般不是真正的邊坡土體最軟弱面，因為滑動面具有推測性、不確定性，其是邊坡治理后幾十年使用期內出現的最軟弱面（帶）。

2）邊坡穩定性計算中，抗剪強度參數的確定是有效處治邊坡的關鍵，如果所取抗剪強度參數脫離實際、脫離現場、拍腦袋隨意取值，就得不到符合邊坡治理要求的、經濟合理的抗剪強度參數。

3）通過對16個點位的現場直剪試驗成果分析，該邊坡各坡段土體力學性能極不均勻，現場直剪試驗結果黏聚力c、內摩擦角φ離散性很大，如黏聚力c在飽和度95%下為8.06～24.12 kPa（變異系數達0.120）。

4）該堆填邊坡呈“L”形，長度大（長約650 m），各坡段高度12～45 m不等，各坡段填土物料組成和堆填時間各不相同。所以現場需要通過踏勘、地質調查，把物理力學性質相同或相類似的劃分為一個坡段，對各不同坡段提供針對性、代表性的抗剪強度指標。

綜上，本場地邊坡應采用綜合方法確定抗剪強度參數，即結合現場直剪試驗+室內試驗+多元線性回歸分析法+現場踏勘調查等綜合確定。

3.2? 該邊坡分段采取抗剪強度參數

根據試驗成果、現場地質調查、邊坡高度等，對該“L”形堆填高邊坡劃分3段即南側一段、南側二段、東側坡段，分別進行邊坡設計及針對性工程處治，采用綜合法對3段邊坡的巖土參數取值見表11。

3.3? 邊坡治理效果分析

該填土高邊坡采用了本文第3.2節給出的抗剪強度參數值，采用坡率法通過調整和控制邊坡的高度和坡度進行邊坡治理。最終東側坡段坡率設計為1∶2.5，南側一段坡率設計為1∶3.0，南側一段坡率設計為1∶3.5，輔助坡頂截水、坡面排泄水。整治邊坡已于2022年11月竣工驗收，通過一年多時間使用及檢驗，整個邊坡目前狀態良好。邊坡治理效果達到了甲方的預期治理目標，優化了原初步設計方案，減少了開挖土石方量，縮短了邊坡治理工期，節約了治理費用達三千余萬元，取得了良好的社會效應和經濟效應。

4? 結論

1）通過堆填高邊坡勘察得到的抗剪強度參數是依據標準貫入試驗、鉆探巖心樣、鉆進情況等主觀推斷的，不能良好反映出坡體的真實客觀情況。

2）該堆填高邊坡經過16組原位直剪試驗，其抗剪強度結果普遍較大，尤其是天然狀態試驗結果。原位直剪試驗存在的主要缺陷是很難找到邊坡土體最軟弱結構面進行剪切，優點是原位試驗能夠模擬原型試驗，獲得的力學強度參數相對可靠，具有較好的參考借鑒價值。

3）邊坡若發生滑坡，都是沿著最不利的軟弱面（帶）滑動，故邊坡設計穩定性計算采用的抗剪強度參數應是推測的最軟弱面（帶）的參數，建議采用試驗結果最低值且綜合考慮其他不利因素再進行折減取值。

4）隨著土石混合體的含水率增加，黏聚力c、內摩擦角φ值逐漸降低，而且含水率變化對黏聚力的影響程度比對內摩擦角大，當含水率增大后黏聚力下降較快。故該邊坡設計的抗剪強度取值，對c 值采用SPSS軟件多元線性逐步回歸分析求得，對φ值采用原位直剪試驗浸水狀態下的各坡段試驗低值并進行一定折減而得。

5）采用綜合分析法研究確定抗剪強度參數，根據現場直剪試驗、室內試驗結果，運用SPSS軟件分析各指標間的關聯性和擬合度，結合現場邊坡地質調查、工程經驗等，綜合整個邊坡具體實際的地質條件的相同點、異同點，進行邊坡分段設計，給出各段的抗剪強度c、φ值。

6）通過應用綜合法確定的剪強度參數進行設計，實踐證明能優化邊坡設計、縮短邊坡治理工期、節約治理費用，治理效果顯著，取得了良好的社會效應和經濟效應。

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