1、高边坡岩土工程设计初探 摘要：岩土是对组成地壳的任何一种岩石和土的统称，是一种最复杂的材料，无论何种力学模型都难以全面而准确地描述它的性状。而由岩土组成的边坡的稳定性评价和边坡治理技术是目前岩土工程界尚需解决的一个难题，尤其是高边坡的设计无论从理论还是实践目前都还处于探索阶段。结合多年的理论以及大量的工程设计实践，分析和阐述了关于边坡工程尤其是高边坡设计中的考虑因素及重点问题。 关键词：高边坡岩土工程 设计初探 前言： 边坡分为土质边坡、岩质边坡和岩土混合边坡。全部由土体组成的边坡称为土质边坡； 全部由岩体组成的边坡称为岩质边坡；而上部由土和岩石全风化层组成，下部由岩石组成的边坡称为岩土混合边
2、坡，通常岩土混合边坡中土体厚度超过 3m。一般认为边坡高度大于 20m 的土质边坡，或高度大于 30m 的岩质边坡为高边坡。 一、边坡稳定性的影响因素 1、结构面的不连续性 某些边坡在陡倾角和几百米高的条件下是稳定的，而有些平缓边坡高仅几十米就破坏了，造成这种差异的根本原因在于岩石高边坡的稳定性受控于岩体中的不连续面 (如断层、节理、层面等 )的产状、规模及其工程地质性质。 边坡结构面 周边应力集中的形式主要取决于结构面的产状于主压应力的关系。 1)结构面与主压应力平行时，将在结构面端点部位或应力阻滞部位出现拉应力和剪应力集中，从而形成向结构面两侧发展的张裂隙 ; 2)结构面与主压应力垂直时，
3、将发生平行结构面方向拉应力，或在端点部位出现垂直于结构面的压应力，这有利于结构面的压密和坡体稳定 ; 3)结构面于主压应力斜交时，结构面周边主要为剪应力集中，并与端点附近和应力阻滞部位出现拉应力。而当顺坡结构面与主压应力呈 3040交角时，将出现最大剪应力与拉应力值，这对 边坡稳定及其不利，坡体易于沿结构面发生剪切滑移，同时可能出现折线形蠕滑。在结构面相互交汇和转折处，形成很高的压应力及拉应力集中区，其变形与破坏常较剧烈。 2、边坡的卸荷效应 1)卸荷带的形成机理 当对边坡进行人工削坡时，有可能由于切露了控制边坡稳定的主要软弱结构面，从而形成或扩大了临空面，则会使坡体失去支撑。同时由于应力释放
4、，边坡岩体向临空面方向发生卸荷回弹变形，边坡应力场发生调整，在边坡一定深度范围内形成二次应力场分布区。伴随这一过程在边坡浅部一定深度范围内将会出现一些变形甚 至形成裂隙的现象。主要表现为原有结构面的进一步错动，或新的表生破裂体系的形成，形成类似于地下洞室围岩 “ 松动圈 ” 的卸荷带。 2)卸荷带对边坡稳定性的影响 边坡卸荷带的形成，对边坡工程性状具有很大的影响。卸荷带的形成不仅破坏了边坡岩体结构的完整性，而且形成的陡倾卸荷裂隙还可能构成边坡失稳的边界条件，从而增大了边坡潜在破坏的可能性。 与地下用室围岩二次应力场的分布类似，边坡二次应力场也包括了应力降低区、应力增高区、原岩应力区。边坡应力随
5、深度的这种分布形式称之为 “ 驼峰应力分布 ”( 图 1) 图 1 边坡应力场分布及卸荷裂隙机理模型示意图 在近坡面一定距离的拉 压应力组合区内，可能出现以下三种形式的破坏： 当最小主应力 3 超过岩体的抗拉强度时，所发生的平行坡面的单向拉裂破坏，在这种情况下，平行坡面的最大主应力。，几乎不起作用。如果坡体中有平行坡面的陡倾裂隙发育时，由于结构面的不抗拉特性，坡体最易于沿这组裂隙拉裂，形成卸荷裂隙。 在单向拉伸情况下，受平行坡面最大主应力控制的压裂一拉裂破坏，即应力条件满足格林菲期准则 (1+ 33 0) 时，将可能产生受压 应力控制的张裂破坏。这种张性破裂面基本上也是平行坡面 (沿最大主应力
6、方向 )发展的。 在单向拉伸情况下受平行坡面最大主应力控制的剪切破坏(Morh-Columb)型破坏 )。这种有单向拉伸参与的剪切破坏，与双向受压情形下的剪切破坏不同的是 :剪切破坏面上作用有法向的拉应力，其破裂机理是剪切的，但是，其破坏面的实际表现是张性的，即其破坏面为张剪性面 ;这类张剪性面的倾角一般较前两者缓 (仍为陡裂型 )。 二、岩石高边坡的常规设计 1、设计原则 岩石高边坡工程的设计是一个复杂的系统工 程，在设计中必须遵循一定的原则。 1）顺应性与协调性原则 顺应性原则也是人类改造自然的第一条基本准则。即充分利用自然界造就出来的稳定状态条件，改造那些处于非稳态自然条件使之处于新的稳
7、态。对于岩石高边坡工程由于开挖导致其稳态的变化，要处理好现在的稳定条件的保持与改造二者之间的相互关系，以求得自然界作用与人类活动相互谐调，是改造后的条件与环境仍然处于稳定的条件与协调的环境。 2)安全性原则 对于岩石高边坡工程设计而言，安全性是首先必须要保证的。包括边坡岩体的稳定及变形问题 ，要求在建设期及运行期有足够的稳定及不产生可能影响边坡运行功能的过大变形。 3)经济性原则 在满足使用性能的前提下，要考虑到经济性，即以最优的方案达到最好的效果。在设计中要运用优化设计的理论与思想，以追求系统的全局最优，同时在全局最优的前提下进行局部的优化。 4)动态优化、反馈设计的原则 在设计中应贯彻动态
8、设计、反馈设计的思想。动态设计、反馈设计一方面可以确保工程的安全性，另一方面也是优化设计的一个重要部分。也就是在施工中，随着对地质条件的不断揭露，及时反馈信息，调整 方案，完善设计，以达到动态优化目标。这种修正和调整也是人们认识边坡工程的必然，亦是动态优化的需要。 2、设计思路 1）地质体改造原理 地质工程是指以地质体为工程结构，以地质体为建筑材料、以地质体为滑稽的工程。地质工程破坏的原因在于地质体本身，防治其失稳的基本措施是改造地质体，提高其自稳能力。 边坡工程的治理与改造属于地质体的改造，因此对于边坡工程的治理措施必须遵循对地质体改造的原理。地质体改造可分为强化和弱化两类，如表 1 所示。
9、 表 1 地质体的改造原理 2）边坡的治理措施 边坡工程常用的治理改造措施如表 2 所示 表 2 边坡治理措施的常用方法 3、岩石高边坡设计内容 岩石高边坡工程的设计内容主要有以下几个方面 : 1)坡形的设计。主要包括整体坡度、边坡的分级、局部台阶的坡度、平台的宽度，必要是设置卸荷平台。 2)排水系统的设计。包括排水系统的总体布置、地表水和地下水的排放。 3)进行地应力场研究，估计可能的应力松弛带及其规模，采取相应的措施。特别是对于由于开挖、卸荷作用导致的松动带采取有效的处 理。 4)在设计中还应考虑到边坡岩体工程的施工技术，如 :施工顺序、开挖工序、开挖爆破、施工处理质量、锚固加固技术等。
10、4、坡形的设计 岩石高边坡的坡形设计包括四个方面的内容 :整体坡角的确定、边坡的分级、局部台阶坡度的确定以及平台宽度的设计。 1)整体坡角的确定 在确定整体坡角时，在条件允许的情况下 (如满足放坡的场地要求时 )应尽可能保证坡体的整体稳定性，虽然由此会增加挖方数量，但可以大大减少为控制整体边坡不致失稳而采取的加固措施的费用。通过放坡以求得坡体的稳定 性从总的工程治理费用来说无疑是最经济的。 整体坡角的确定应根据实际经验，按工程类比的原则并结合已有稳定边坡的坡率值分析，确定出既稳定可靠，又经济合理的边坡坡形。对于岩石高边坡而言，可以通过下述方法综合确定。 稳态坡形 确定边坡的设计是否遵循了顺应性
11、与协调性原则，其参比识别标志是所谓的稳态坡形划。处于稳定状态的边坡，是经历了地质历史时期形变场、渗流场、热流场、化学场以及地表侵蚀等多种改造作用综合调整的结果。因此，它是识别稳态坡形的第一依据坡形。 对于人工开挖的岩石 高边坡，由于人为的作用，对原有地形的改造将会破坏使其处于不稳定的状态，人工边坡的设计参比坡形就是该区域的自然稳态坡形。 由于边坡的地质结构类型很多，稳态坡形的推断以及人工边坡的坡形设计必须按具体的地质结构实施。根据边坡岩体性质及边坡所在处的地质构造进行综合分析。 按规范确定 根据文献确定边坡坡率允许值。对于无外倾软弱结构面的边坡，可按表3 确定。 表 3 岩石边坡坡率允许值 采
12、用边坡坡高极限公式 : 式中 :c 一粘聚力 ; 内摩擦角 ; 重度 ; a 坡角 将坡高代入按公式可以计算出保持稳定的允许坡角值。 2)边坡的分级 在边坡设计中，常常因坡脚应力太大，超过其允许承载力而无法设计一坡到顶的高陡边坡。为此，根据组成边坡岩体的完整性确定设计边坡为多级台阶式形式，并且在各分级部位设置卸荷平台的方法来解决这个问题。 3)局部台阶坡度的确定 局部台阶坡度的确定，可以从坡角压力和稳定坡角两方面进行考虑 : 坡脚压力 对于同一种岩体，在坡高一定的情况下，边坡坡度不同， 坡脚所受的压力不同。因而根据坡脚岩体的允许承载力，可确定出稳定的边坡坡度。 稳定坡角 组成边坡的岩体密实程度
13、不同，结构面产状、规模、性质不一，则局部分级边坡所要求的稳定坡度，即分级边坡本身所能支撑的角度各异。对于坚硬的岩石，若无软弱夹层，面与面之间的摩擦角很大，其坡脚可稍陡，可不考虑其稳定坡角 ;而对于风化较严重破碎的岩石则须考虑其稳定坡角，其坡角可稍缓。对于局部稳定坡角的设计可参照前述的总体坡角的设计，同时结合对局部边坡的稳定性分析得到合理的局部坡角。 4)平台宽度的确定 确定平台的宽度，要从以下几个方面进行考虑 : 如果设计的平台起着卸荷的作用，则要求卸荷平台宽度，须使上一级坡段的坡脚应力不至于传递至下一级坡段的坡面上，而要传递至下一级坡段的坡面之内。如图 2 所示。 图 2 卸荷平台与边坡关系
14、图 卸荷平台宽度须满足公式： 式中 : 上一级坡段与下一级坡段的坡脚连线与铅垂线之间的夹角 ; 应力传递角 ; 平台宽度的确定，还要考虑到削坡卸荷后边坡加固时能够设置加固工程。 所设平台宽度， 要满足加固机具及车辆运行的要求。 平台宽度的设置可结合景观设计的要求来确定。 对于岩层严重风化的边坡，为了控制侵蚀作用和种植植被，可设计成阶梯式平台，如图 3 所示。这种设计优点在于 :可以将每一级台高处的风化物堆积在平台上，最后形成一完整边坡。台阶应修筑成水平状，避免水的纵向流动，否则会引起相当大的充蚀。这时可适当采用种草和铺草皮或其它稳定边坡的方法，在种草前应将平台的一半用土填筑以保护草籽正常生长。
15、 图 3 阶梯式边坡断面示意图 5、排水系统的设计 1)排水系统 的总体布里 排水系统的总体方案的布置必须综合考虑边坡工程的地质、地貌特性，及边坡的稳定性情况进行设置。边坡工程的排水系统一般可分为地表排水和地下排水两个部分。 地表排水 合适的地表排水，对于高边坡工程而言，特别是对于由软弱岩层或易受侵蚀的岩层组成的坡体，能够改善由于地表水作用引起的边坡稳定性。应彻底调查边坡上部后面的区域，以便确定地表水是流向不稳定区还是渗入土层中，抑或是两者的结合。应采取有效的措施控制地表排水。 对于边坡坡体外的地表水，采取拦截旁引的方法阻止边坡坡 体外的地表水流向滑坡体，在边坡潜在塌滑区后缘设置一定数量的截水
16、沟进行拦截流向坡体的地表径流，并通过设置的排水沟引至坡体外。为了提高截流效果，减少工程量，地面沟渠应大体沿等高线布置，尽可能使沟渠垂直于流水方向，且力求短捷，水流通畅。沟渠转弯处以圆曲线相接，以减小水流的阻力。排水沟以布置到边坡稳定区以外为宜。 地下排水 边坡工程的地下排水的方法主要有排水钻孔、抽水井、排水廊道、竖井和沟槽等。地下排水设施的目的是降低地下水位，使水压力平面低于潜在破坏面。地下排水设施最好组成一个排水孔系统，以 便把地下水位降低到边坡中可能产生的破坏带以下。排水孔应延长至临界破坏区的后面。排水孔的方向很大程度上取决于主要不连续面的方位。最理想的排水孔设计应是每米钻孔横切最多数目的
17、不连续面。 排水效果取决于不连续面的规模、渗透性能、输水能力和方位。排水孔中不得产生任何明显的对边坡稳定性有影响的水流，仅仅是极端情况下才可能有这种流动。另外需要引起注意的是 :岩体表面没有潮湿点并不意味着不利的地下水出现的各种条件不存在，特别是在千燥的气候条件下，地下水可能在出露于地表之前蒸发掉。 6、锚杆支护设计 岩石高边坡的设计与支护方案的拟定要综合考虑可能影响边坡稳定的各种因素，但这些因素有主有次，在设计时应抓住影响边坡稳定性的主要因素。 锚杆设计流程如图 4 所示。 锚固位置、锚固角的确定 根据边坡的破坏类型、不稳定体的范围确定锚杆的布设位置。 锚杆锚固角的确定要综合分析各方面的因素
18、，选择最优锚固角。最有效利用锚杆的抗滑力，是使锚杆布置与下滑力方向平行，但实际上，锚杆的设置方向不可能与滑动方向平行。 锚固角的确定要使锚杆的安置方向跟边坡之间的角度，必须做到平 行于边坡的锚固作用分力不得超过锚杆与边坡之间产生的摩擦力的范围。一般来说，倾角越大，锚杆提供的锚固力沿滑面的分力越小，抵抗滑体滑动的能力就相应地减弱。另外，从施工的角度考虑，倾角接近水平的锚杆，注浆后灌浆体将会出现沉淀和泌水现象，影响到锚杆的承载力。因此，锚杆安设角以下倾 1535 为宜。 图 4 锚杆设计流程图 结语： 岩土工程特征表现在不同的工程阶段，岩土工程师应抓住各阶段的工程特征，针对建设形成的高陡边坡提出相应的解决方案，最好能提出具有前瞻性的方案，则对工程有莫大的裨益。 参考文献： GB50330-2002 建筑边坡工程技术规范 S.北京：中国建筑工业出版社，2002. 雷用，郑颖人 .抗滑短桩的现场应力测试与分析 J.地下空间与工程学报， 2007， 3(5)： 941 一 946.
