边坡抗变形支护结构岩土荷载有效计算方法研究,结构工程论文

边坡抗变形支护结构岩土荷载有效计算方法研究,结构工程论文变形对坡顶建〔构〕筑物基础有影响时需对边坡进行抗变形支护是不言而喻的。为防备边坡发生明显的拉裂变形，对有较大自稳高度、拉裂变形不影响坡顶建筑物基础的边坡也需要设置抗变形支护构造。岩体完好性较高时，若无外倾构造面，高度为数十米的直立岩质边坡很难发生剪切毁坏因此无需进行抗滑支护，但在进行边坡处理时，还是需要将坡率降到一个较小的水平或者进行支护。之所以如此，是由于完好性较好的岩质边坡较高较陡时，坡顶还可能会发生拉裂变形，随着时间的增长，拉裂变形会逐步加大加深最后可能会发生倒塌，也就是讲，边坡可能由拉裂变形演变为毁坏。由于勘察时切坡还未施行或还没有到位或到位时间还不长，拉裂还未发展甚至还未发生因此危岩还未构成，无法通过勘察期间的危岩稳定性分析评价来防备这类毁坏。岩体完好、较完好或较破碎的陡立岩质边坡就是这类既可能无需进行抗滑支护或只需进行低强度的抗滑支护又可能发生明显拉裂变形的边坡。对这类岩质边坡需要进行边坡变形控制。坚硬、硬塑粘性土边坡也是如此。从抗滑稳定角度而言，这类边坡也有一定的自稳高度〔工程上岩土体稳定的条件不是岩土体稳定系数不小于1而是岩土体稳定系数不小于安全系数，故边坡自稳高度应是无支护时直立边坡抗滑稳定系数不小于安全系数的最大高度〕。但假如对高度不超过自稳高度的边坡不施行支护或对高度略大于自稳高度的边坡仅按抗滑稳定要务实施低强度的支护，这样的陡立边坡也会发生明显的拉裂变形，同样给人不安全感，甚至引起垮塌。边坡拉裂变形是由应力释放造成的，假如减小应力释放量，使坡面应力仍然为压应力或者让支护构造来承当拉应力，就能避免拉裂变形或减小拉裂变形的危害，因而，当不能采取放坡措施时，为控制边坡变形，需要对边坡进行支护以施加约束。显然，相应支护构造是抗变形支护构造而不是抗失稳支护构造，相应岩土荷载是形变压力而不是毁坏荷载。本文对边坡抗变形支护构造岩土荷载实用计算方式方法进行讨论。1当下的边坡抗变形支护构造岩土荷载计算方式方法1.1岩质边坡当前，岩质边坡〔包括永久的和临时的〕抗变形支护构造岩石荷载计算方式方法是：〔1〕当坡顶建〔构〕筑物基础外边缘到坡脚水平距离不大于基底到坡脚垂直距离0.5倍时，国标(建筑边坡工程技术规范〕〔GB50330-2002〕〔下面简称国标边坡规范02版〕采用静止岩石压力乘以静止岩石压力修正系数的方式方法计算岩石荷载，静止岩石压力修正系数根据〔主要由岩体完好性、构造面结合程度和外倾构造面倾角决定的〕边坡岩体类型取值，同时要求岩石荷载不小于主动岩石压力的1.3～1.4倍；国标(建筑边坡工程技术规范〕(GB50330-2020)〔下面简称国标边坡规范13版〕采用主动岩石压力乘以增大系数的方式方法计算。由此可知，国标边坡规范02版和13版的方式方法均牵涉主动岩石压力计算，前者以主动岩石压力的1.3～1.4倍为岩质边坡形变荷载下限值，后者直接以主动岩石压力的倍数为岩质边坡形变荷载。〔2〕当坡顶建〔构〕筑物基础外边缘到坡脚水平距离大于基底到坡脚垂直距离0.5倍时，国标边坡规范02版和13版均将主动岩石压力作为岩质边坡形变荷载。〔3〕当不受构造面强度控制时，在国标边坡规范02版和13版中主动岩石压力均以岩体等效内摩擦角为岩体强度参数进行计算，岩体等效内摩擦角按表1取值。1.2土质边坡【表1】在土质边坡〔包括永久的和临时的〕抗变形支护构造方面，国标边坡规范02版和13版沿袭了行标(建筑基坑支护技术规范〕〔JGJ120-99〕的做法，只对坡顶有建〔构〕筑物的情形考虑设置抗变形支护构造，其土体荷载计算方式方法是：坡顶建〔构〕筑物基础外边缘到坡脚的水平距离不大于基底到坡脚垂直距离0.5倍时，水平形变压力取静止土压力；坡顶建〔构〕筑物基础外边缘到坡脚的水平距离大于基底到坡脚垂直距离0.5倍而不大于基底到坡脚垂直距离时，水平形变压力取静止土压力和主动土压力的平均值。2当下的边坡抗变形支护构造岩土荷载计算方式方法存在的问题2.1岩质边坡当下的岩质边坡抗变形支护构造岩石荷载计算方式方法存在以下问题：〔1〕当主动岩石压力受外倾构造面强度控制时，因静止岩石压力受岩体泊松比控制，主动岩石压力不一定小于静止岩石压力，主动岩石压力过大甚至大于静止岩石压力时，再乘以增大系数更不能代表比静止岩石压力小的岩石荷载。〔2〕土压力理论建立在挡墙反力作用下土体或土单元处于剪切极限平衡状态的基础上，只要抗滑不稳定时才有大于0的主动土压力，抗滑基本稳定和欠稳定时主动土压力为0或为负。由岩体等效内摩擦角计算的主动岩石压力在任何情况下均大于0，这在概念上意味着边坡抗滑不稳定。而事实上岩体完好性高且不受外倾构造面控制的非极软岩边坡很难发生滑动毁坏，用岩体内摩擦角和岩体粘聚力进行抗滑稳定性计算的结果也表示清楚其抗滑稳定性极高。因而，岩体等效内摩擦角与岩体内摩擦角和岩体粘聚力的作用远不等效，在形变压力计算中采用岩体等效内摩擦角概念和主动岩石压力概念将造成边坡抗滑稳定性结论的混乱。以上两点表示清楚，以主动岩石压力或其与增大系数的乘积为岩质边坡形变荷载的做法和以主动岩石压力的1.3～1.4倍为岩质边坡形变荷载下限值的做法都是不可取的。〔3〕边坡支护构造形变荷载主要与岩石坚硬程度和岩体完好性有关，岩石越坚硬、岩体越完好，不仅岩体抗拉强度越大进而拉裂变形越小，而且施工造成应力释放所占的比例越大。因而，岩石越坚硬、岩体越完好，需要抗变形支护构造承当的荷载越小。故静止或主动岩石压力修正系数根据〔主要由岩体完好性、构造面结合程度和外倾构造面倾角决定的〕边坡岩体类型取值是不恰当的。〔4〕对坡顶建〔构〕筑物基础外边缘到坡脚水平距离大于基底到坡脚垂直距离0.5倍的边坡，计算形变压力的最终目的是控制拉裂变形而不是防止边坡变形对基础造成影响，允许边坡有较多的应力释放和变形。设计使用年限不超过2年的临时边坡有时未进行支护也未发生显着的拉裂变形。因而，对坡顶建〔构〕筑物基础外边缘到坡脚水平距离大于基底到坡脚垂直距离0.5倍的边坡，计算形变压力不区分永久边坡和临时边坡太过保守。2.2土质边坡当下的土质边坡抗变形支护构造土体荷载计算方式方法存在以下问题：〔1〕对陡立的坚硬、硬塑粘性土边坡而言，当对高度不超过自稳高度的边坡不施行支护或对高度略大于自稳高度的边坡仅按抗滑稳定要务实施低强度的支护时，边坡也会发生明显的拉裂变形，同样给人不安全感，甚至引起垮塌。因而，对坡顶无建〔构〕筑物的陡立的坚硬、硬塑粘性土边坡不设置抗变形支护构造是不恰当的。〔2〕当土岩界面为软弱构造面而主动土压力受土岩界面强度控制时，因静止土压力受土体泊松比控制，主动土压力不一定小于静止土压力，主动土压力过大甚至大于静止土压力时，主动土压力和静止土压力的平均值更不能代表比静止土压力小的土体形变压力。〔3〕当土体有粘聚力时边坡有自稳高度，当边坡高度不超过其自稳高度时主动土压力为0或为负。当主动土压力为0或为负时，主动土压力和静止土压力的平均值用来代表土体形变压力时显然过小。后两点表示清楚，以主动土压力与静止土压力的平均值为土体形变压力的做法是不可取的。3边坡抗变形支护构造岩土荷载计算方式方法的改良鉴于上述情况，建议按下式计算边坡水平形变压力：【1】式中：K0-岩土体侧压力系数〔即静止岩土压力系数〕，对岩质边坡，根据岩体泊松比计算；k1-岩土体性状影响系数，对岩质边坡根据边坡岩体基本质量等级按表2取值；对土质边坡根据稠度状态或密实度按表3取值。【表2-3】对基础外边缘到坡脚水平距离大于基底到坡脚垂直距离0.5倍的岩质边坡和基础外边缘到坡脚水平距离大于基底到坡脚垂直距离的土质边坡，考虑到边坡变形对基础影响较小，计算形变压力的目的主要是控制拉裂变形，允许边坡有较多的应力释放和变形，设计使用年限不超过2年的临时岩质边坡有时未进行支护也未发生显着的拉裂变形，本文的改良方式方法，对永久边坡将形变压力减半即将土体性状影响系数减半，对临时边坡将形变压力再减半即将土体性状影响系数再减半。4改良方式方法与当下方式方法的比拟4.1改良方式方法与当下方式方法的一样或类似之处改良方式方法与国标边坡规范02版和13版有下面一样或类似之处：〔1〕无论是对岩质边坡还是对土质边坡，坡顶建〔构〕筑物基础外边缘到坡脚的水平距离与基底到坡脚垂直距离之比的分段均与国标边坡规范02版和13版一样。〔2〕对岩质边坡而言，公式形式与国标边坡规范02版中乘以静止岩石压力修正系数后的静止岩石压力公式形式类似，式中岩土体性状影响系数k1相当于国标边坡规范02版静止岩石压力修正系数1，只是考虑到这个修正系数在特定基础位置下由岩土体性状决定，本文将这个修正系数的名称改为岩土体性状影响系数，代号改为k1。〔3〕对坡顶建〔构〕筑物基础外边缘到坡脚的水平距离不大于基底到坡脚垂直距离0.5倍的土质边坡，改良方式方法的水平形变压力计算公式与现有方式方法一样。〔4〕从表2能够看出，对坡顶建〔构〕筑物基础外边缘到坡脚的水平距离不大于基底到坡脚垂直距离0.5倍的岩质边坡，岩体性状影响系数取值范围与国标边坡规范02版静止岩石压力修正系数取值范围相当，故改良方式方法的岩石形变压力计算结果与国标边坡规范02版相当。〔5〕在土体无粘性且无外倾构造面的情况下，静止土压力大约是主动土压力的1.2～1.4倍或者讲主动土压力大约是静止土压力的0.71～0.83倍，静止土压力和主动土压力的平均值大约是静止土压力的0.85～0.92倍。因而，从表3能够看出，对坡顶建〔构〕筑物基础外边缘到坡脚的水平距离大于基底到坡脚垂直距离0.5倍而不大于基底到坡脚垂直距离的土质边坡，改良方式方法的土体形变压力计算结果与现有方式方法相当。4.2改良方式方法与当下方式方法的不同之处改良方式方法与当下方式方法有下面不同之处：〔1〕对岩质边坡和土质边坡，对坡顶建〔构〕筑物基础的不同位置，改良方式方法的边坡抗变形支护构造岩土荷载计算采用统一的公式〔均是静止岩土压力与岩土体性状影响系数的乘积〕，只是不同情况〔包括是岩质边坡还是土质边坡、是永久边坡工程还是临时边坡工程、坡顶建〔构〕筑物基础的不同位置〕下岩土体性状影响系数取值不同。因而，改良方式方法不再牵涉主动岩土压力的计算。对岩质边坡，这既避免了受外倾构造面强度控制时可能因主动岩石压力过大而出现的主动岩石压力与增大系数的乘积不能代表岩石形变压力、主动岩石压力的1.3～1.4倍不能代表岩石形变压力下限值的现象，又避免了由岩体等效内摩擦角计算主动岩石压力时可能出现的边坡抗滑抗滑稳定性与实际不符的现象。对土质边坡，这既避免了土岩界面为软弱构造面时可能因主动土压力过大而出现的主动土压力和静止土压力平均值不能代表土体形变压力的现象,也避免了土体有粘聚力时可能因主动土压力为0或为负而出现的主动土压力和静止土压力平均值不能代表土体形变压力的现象。〔2〕对岩质边坡，静止岩石压力在特定基础位置下的修正系数〔岩体性状影响系数〕，不再像国标边坡规范02版那样根据〔主要由岩体完好性、构造面结合程度和外倾构造面倾角决定的〕边坡岩体类型取值而根据〔由岩石坚硬程度和岩体完好性决定的〕边坡岩体基本质量等级取值。〔3〕对土质边坡，考虑了坡顶建〔构〕筑物基础外边缘到坡脚水平距离大于基底到坡脚垂直距离时的水平形变荷载。〔4〕对变形不明显影响坡顶建〔构〕筑物基础的岩质边坡和土质边坡，形变压力计算均区分了永久边坡工程和临时边坡工程。由此可知，岩质边坡和土质边坡抗变形支护构造岩石荷载计算的改良方式方法在不降低实用性的条件下弥补了当下方式方法的缺乏。5算例表4和表5是外倾构造面倾角0～5、岩石较硬、岩体较完好的永久直立边坡和外倾构造面0～5、岩石较软、岩体完好的永久直立边坡，在坡顶无建〔构〕筑物或坡顶建〔构〕筑物基础外边缘到坡脚水平距离大于基底到坡脚垂直距离0.5倍的条件下，水平形变岩石压力系数〔静止压力系数与岩体性状影响系数的乘积〕与用岩体等效内摩擦角概念和数据计算的主动岩石压力系数计算情况。【表4-5】能够看出，形变岩石压力系数在用岩体等效内摩擦角概念和数据计算的Ⅱ类岩体主动岩石压力系数上下变动，小于Ⅲ类岩体主动岩石压力系数，大于Ⅰ类岩体主动岩石压力系数。可见，形变岩石压力系数变化范围在Ⅰ类和Ⅲ类岩体主动岩石压力系数变化范围之内，也即形变岩石压力变化范围在Ⅰ类和Ⅲ类岩体主动岩石压力变化范围之内。6结论〔1〕为防备边坡发生明显的拉裂变形，对有较大自稳高度、拉裂变形不明显影响坡顶建筑物基础的边坡也需要进行支护。相应支护构造同明显影响坡顶建筑物基础的边坡支护构造一样是抗变形支护构造，相应支护构造岩土荷载是形变压力。〔2〕当下的岩质边坡抗变形支护构造岩石荷载计算方式方法存在以下问题：①因主动岩石压力在受外倾构造面强度控制时不一定小于静止岩石压力，由岩体等效内摩擦角计算主动岩石压力意味着边坡抗滑不稳定而实际边坡抗滑稳定性并非如此，故以主动岩石压力或其与增大系数的乘积为岩质边坡形变荷载的做法和以主动岩石压力的1.3～1.4倍为岩质边坡形变荷载下限值的做法都是不可取的；②因边坡支护构造形变荷载主要与岩石坚硬程度和岩体完好性有关，故静止或主动岩石压力修正系数根据〔主要由岩体完好性、构造面结合程度和外倾构造面倾角决定的〕边坡岩体类型取值是不恰当的；③对坡顶建〔构〕筑物基础外边缘到坡脚水平距离大于基底到坡脚垂直距离0.5倍的边坡而言，计算形变压力的最终目的是控制拉裂变形而不是防止边坡变形对基础造成影响，故对永久边坡和临时边坡不加区分太过保守。〔3〕当下的土质边坡抗变形支护构造土体荷载计算方式方法存在以下问题：①对坡顶无建〔构〕筑物的陡立的坚硬、硬塑粘性土边坡而言，拉裂变形同样给人不安全感甚至引起垮塌，对其不设置抗变形支护构造是不恰当的；②因受土岩界面强度控制的主动土压力不一定小于静止土压力，边坡高度不超过其自稳高度时的主动土压力为0或为负，故以主动土压力与静止土压力的平均值为土质边坡形变荷载的做法是不可取的。〔4〕本文提出的边坡抗变形支护构造岩土荷载计算的改良方式方法，系对各种情况均将静止岩土压力与岩土体性状影响系数的乘积作为边坡抗变形支护构造岩土荷载，华而不实，岩体性状影响系数在坡顶建筑物位置确定时由岩体基本质量等级决定〔当坡顶建筑物时还区分永久边