边坡支护结构的岩土荷载计算

边坡支护结构的岩土荷载计算

0常用土压力理论适用范围窄众所周知，经典的郎金压力理论要求墙背是垂直的，填充面是水平的。经典的curon土壤压力理论要求填充土壤没有粘性。破裂面是通过墙的顶部，填充面是水平的。由于相应的公式仅涉及土壤物理力学参数，不涉及水压和土壤负荷，因此经典的土压力理论还需要填充土壤的同质性。填充表面没有额外的负荷，填充内部没有地下水。因此,经典土压力理论适用范围很窄。为此,一些研究者给出在经典土压力理论基础上扩展而成的边坡支护结构岩土荷载计算方法1向岩石负荷方向1.1局部锚杆支护的力学性能目前工程界在计算支护结构岩土荷载时对系统锚杆支护和其它支护不加区分,岩土荷载方向与坡面法向的夹角均取墙背摩擦角,这种做法是不正确的。采用系统锚杆支护时,支护结构不存在墙背,滑动楔体只有内滑面(位于岩土体中的滑面)、没有外滑面(岩土体与挡墙的接触面即墙背),而没有墙背就没有墙背摩擦角,因而岩土荷载方向与坡面法向无关,其与坡面法向的夹角不可能是墙背摩擦角。实际上,岩土压力这个概念本身就是建立在有墙背的基础上,因为沿法向作用在一个面上的力才能称为压力。在进行锚杆设计时又只用岩土压力的水平分力,这进一步偏离了力平衡的要求。这种做法也与目前边坡工程中采用局部锚杆支护不稳定块体的下列验算公式矛盾:式中:A-滑面面积;c-滑面粘聚力;f-滑面摩擦系数;G1.2坡面倾斜、坡顶水平、无《墙背法》和《各基本工程量公式》的对比近来工程界在计算坡面倾斜、坡顶水平、无超载情况(无论有无外倾结构面)岩土压力时将岩土压力方向定为水平(图1),这是不正确的。所有力学计算均应建立在力平衡的基础上,而挡墙的抗力就是挡墙岩土荷载的反力。在有挡墙支挡、墙背即为坡面的情况下,建立岩土楔体的力平衡方程时必须先视墙背为滑面或光滑面。无论视墙背为滑面还是光滑面,坡面倾斜时,岩土压力反力一般不是水平方向。坡面倾斜时将岩土压力方向定为水平的做法也与工程界采用的另三个岩土压力公式(墙背倾斜、坡顶倾斜、有超载、无外倾结构面情况岩土压力公式、墙背倾斜、坡顶倾斜、有超载、沿非缓倾的外倾结构面滑动情况岩石压力公式和墙背倾斜、坡顶倾斜、无超载、沿填土与岩石分界面滑动情况下的土压力公式)矛盾,在那三个公式里,岩土压力方向与墙背法向夹角均为墙背摩擦角,而坡面倾斜、坡顶水平、无超载、无外倾结构面情况下的岩土压力公式是墙背倾斜、坡顶倾斜、有超载、无外倾结构面情况下的岩土压力公式的特例,二者的岩土压力方向设定本应一致;坡面倾斜、坡顶水平、无超载、有外倾结构面情况下的岩土压力公式是墙背倾斜、坡顶倾斜、有超载、有外倾结构面情况岩土压力公式和墙背倾斜、坡顶倾斜、无超载、沿填土与岩石分界面滑动情况下的岩土压力公式的特例,前者与后二者的岩土压力方向设定本应一致。岩土压力方向的设定是岩土压力公式推导的基础,岩土压力方向不正确,导致岩土压力公式对坡面倾斜边坡不适用。经计算,当结构面内摩擦角为25°,粘聚力为0,结构面倾角为30°,仰斜式挡墙墙背倾角为60°,墙背摩擦角为0时,方向设为水平时的岩土压力系数为0.101,方向设为墙背法向的岩土压力系数为0.123,因此,前者岩土压力少算了17.89%。1.3不忽略墙背摩擦角目前工程界在计算滑面为缓倾的外倾结构面情况岩石压力时,无论边坡是否直立,也将岩石压力方向定为水平。根据上一小节的分析可知,这对坡面倾斜情况是不正确的;对坡面直立情况,如不忽略墙背摩擦角,那也是不正确的。这种做法也与工程界采用的另两个岩土压力公式(滑面为非缓倾的外倾结构面情况岩石压力公式和有限范围填土情况土压力公式)矛盾,在那些公式里,岩土压力方向与墙背法向夹角均为墙背摩擦角,而无后缘裂隙情况下的岩土压力公式是有后缘裂隙情况下岩土压力公式的特例,后者与前二者的岩土压力方向设定本应一致。显然,坡面倾斜时将岩土压力方向定为水平这种做法只适用于采用抗滑桩对滑体进行支护而滑体如同一块铁板完整性极高、抗拉强度极大(从而桩前滑体不可能从设桩处拉开而后滑动)的情形。1.4滑动面是岩石外部结构的方向一些地基基础类规范2在石坡面时,注意确定滑面的种类在岩坡上填土时,岩石坡面成为人为的结构面,其强度参数低于填土,当倾角大到一定程度时可能成为滑动楔体的滑面。岩石坡面成为滑动楔体的滑面的情况称为有限范围填土情况。长期以来,工程界一直将岩石坡面视为滑面的条件定为岩石坡面陡于填土破裂面。这种做法是不正确的。岩石坡面是否充当滑面不仅与其倾角有关,还与其强度参数有关。因岩石坡面摩擦角小于填土摩擦角,倾角小于填土破裂角的岩石坡面也可能是滑面。很多填土沿倾角不大的外倾基岩面滑动的实例就说明了这一点。由此可见,完全将岩石坡面倾角小于填土破裂角的情形排除在有限范围填土情况之外可能导致土压力计算结果不是最大值从而带来安全隐患。一些地基基础类规范按照土压力概念做出的恰当规定是:对有稳定岩石坡面的情况,当岩石坡面倾角大于或等于填土破裂角时,应视为有限范围填土情况计算主动土压力。当岩石坡面倾角小于填土破裂角而大于岩石坡面摩擦角时,应分别按无限范围填土情况和有限范围填土情况计算主动土压力,取两者中的较大值。这就是说,只要岩石坡面倾角大于其摩擦角,岩石坡面就应视为滑面,只不过当岩石坡面倾角小于填土破裂角时岩石坡面不是唯一的滑面(除岩石坡面外,对应于填土破裂角的斜面也是滑面)。虽然当岩石坡面有粘聚力时可能有一部分岩石坡面因相应土压力为0或为负值而不再视为滑面,但不先将其视为滑面进行相应土压力计算并不能判断相应土压力是否大于0。上述规定需要确定填土破裂角,而在墙背直立光滑和填土表面水平这三个条件不能同时满足的情况下确定填土破裂角的过程较为复杂。为避免确定填土破裂角,上述规定可改为:对有稳定岩石坡面的情况,当岩石坡面倾角大于岩石坡面摩擦角时,应分别按无限范围填土情况和有限范围填土情况计算主动土压力,取两者中的较大值。3动水压力的计算目前工程界对地下水形成渗流时的土体荷载按下列方法进行计算:土中有地下水但未形成渗流时,作用于支护结构上的侧压力,对砂土和粉土应进行水土分算,对粘性土根据经验进行水土分算或水土合算。当地下水形成渗流时,作用于支护结构上的侧压力,除应按上述规定进行计算外,尚应计算动水压力(即渗透力)。这种做法存在以下问题:(1)进行水土合算时水的作用力并不单独计算,因此,若对粘性土中地下水形成渗流的情形仍进行水土合算,那么水的作用力同样不应单独计算。(2)进行水土分算时,单独计算的水力同土压力一样是作用在墙背上的面积力。地下水形成渗流这种情形与地下水未形成渗流这种情形相比,只是改变这个作用在墙背上的面积力的大小。渗透力是体积力,不能参与组合,不能进行叠加因此,“当地下水形成渗流时,作用于支护结构上的侧压力,除应按上述规定进行计算外,尚应计算动水压力”的要求应改为“当地下水形成渗流时,作用于支护结构上的侧压力,在采用水土分算原则的情况下,应根据动水位的压力水头计算水压力”。一些地基基础类规范4边坡支护结构中主动岩土压力与剩余下滑力土对有潜在滑面的边坡进行桩板式挡墙设计时,目前工程界采用的支护结构岩土荷载计算方法是:取剩余下滑力与主动岩土压力两者中的较大值。这一做法存在下列问题:(1)二者比较取大值的做法没有力学意义。一方面,剩余下滑力与主动岩土压力两者性质不同:剩余下滑力与稳定安全系数有关,根据相关标准有关工程滑坡防治的规定它是荷载设计值,主动岩土压力与稳定安全系数无关,根据相关标准有关边坡支护结构上侧向岩土压力的规定它是荷载标准值;另一方面,二者方向不同:剩余下滑力方向平行滑面,主动岩土压力方向与墙背法向夹角为墙背摩擦角。一个简单的例子是:当主动土压力与剩余下滑力相等时,因上述两方面的不同,按主动土压力和按剩余下滑力进行桩板式挡墙设计的结果明显不同,按前者设计时的桩身内力显著大于按后者设计时的桩身内力。(2)所有力学计算均应建立在力平衡的基础上,而挡墙的抗力就是挡墙岩土荷载的反力。在有挡墙支挡的情况下,建立岩土楔体的力平衡方程时必须先视墙背为滑面或光滑面。无论视墙背为滑面还是光滑面,岩土荷载反力(挡墙抗力)方向都不与滑面平行。因此,剩余下滑力不能用作边坡或滑坡支护结构岩土荷载,因而不能用来与主动岩土压力比较。(3)边坡其它支护结构(如重力式挡墙、锚杆挡墙)岩土荷载计算没有要求取剩余下滑力与主动岩土压力两者中的较大值而只要求计算主动岩土压力。因此,有潜在滑动面时,边坡桩板式挡墙岩土荷载计算的做法与边坡其它支护结构岩土荷载计算的做法是矛盾的。5考虑与不适用的情形不考虑地震力的岩土荷载公式是考虑地震力的岩土荷载公式的简化,二者应一一对应。但目前在工程界远非如此。不考虑地震力的土压力公式有10个、不考虑地震力的岩石压力公式有8个(其中5个与土压力公式相同),分别用于不同情况,而考虑地震力的土压力公式仅有1个且是对坡顶倾斜、有均布荷载、无外倾结构面情况土压力公式用地震角加以改造的结果,考虑地震力的岩石压力公式也仅有1个且是对坡顶倾斜、有均布荷载、滑面为非缓倾的外倾结构面情况岩石压力公式用地震角加以改造的结果。很明显,考虑地震力的土压力公式对按下列方法计算土压力情形不适用:(1)按静止土压力公式计算;(2)按有几个水平土层的朗金型土压力公式计算;(3)水土分算;(4)按有限范围填土土压力公式计算;(5)按坡顶有线性分布荷载的朗金型土压力公式计算;(6)按坡顶有条形均布荷载的朗金型土压力公式计算;(7)按坡顶为折面且无超载的朗金型土压力公式计算;(8)按坡顶为二级台阶且无超载的土压力公式计算;(9)按专用于坡面倾斜、坡顶水平且无超载的土压力公式计算。考虑地震力的岩石压力公式对按下列方法计算岩石压力情形不适用:(1)按坡顶倾斜、有均布荷载、无外倾结构面情况土压力公式计算;(2)按坡顶有线性分布荷载的朗金型土压力公式计算;(3)按坡顶有条形均布荷载的朗金型土压力公式计算;(4)按坡顶为折面且无超载的朗金型土压力公式计算;(5)按坡顶为二级台阶且无超载的岩石压力公式计算;(6)按专用于坡面倾斜、坡顶水平且无超载的岩石压力公式计算;(7)按滑面为缓倾的外倾结构面的岩石压力公式计算。6锚杆支护的土土性荷载锚杆挡墙中立柱起着挡墙的作用,全部岩土荷载均作用在立柱上,而立柱承担的岩土荷载最终由锚杆承担。因此,锚杆承担的岩土荷载应与立柱承担的岩土荷载相等。目前工程界在进行锚杆挡墙中的锚杆设计时只采用岩土压力的水平分力,这显然不符合力平衡的要求。7存在的问题分析(1)当前工程界采用的建筑边坡支护结构岩土荷载计算方法存在下列问题:1将系统锚杆支护下的岩土荷载方向设定为与有挡墙支挡时的岩土荷载方向相同,导致岩土荷载公式对系统锚杆支护的边坡不适用;2将坡面倾斜、坡顶水平、无超载情形和滑面为缓倾的外倾结构面情形的岩土压力方向设定为水平,导致相应岩土压力公式对坡面倾斜边坡不适用;3将岩坡上填土时岩石坡面视为滑面的条件设立为稳定岩石坡面在土体破裂面以内不能保证土压力计算结果是最大值;4锚杆挡墙设计时仅让锚杆承担岩土压力水平分力的做法对立柱倾斜的锚杆挡墙不适用;5地下水形成渗流时土体荷载计算采用未形成渗流时的计算结果另加渗透力的做法既不符合水土合算原则也不符合水土分算时的水力计算规则;6有潜在滑动面边坡桩板式挡墙岩土荷载计算采用主动岩土压力与剩余下滑力两者比较取大值的做法既无力学意义也不符合力平衡原则且与边坡其它支护结构岩土荷载计算的做法矛盾;7考虑地震力的岩土压力公式未与不考虑地震力的岩土压力公式对应,因而考虑地震力的土压力公式对坡顶倾斜、有均布荷载且无外倾结构面情况以外的情形不适用,考虑地震力的岩石压力公式对坡顶倾斜、有均布荷载且滑面为非缓倾的外倾结构面情况以外的情形不适用;8锚杆挡墙中锚杆承担的岩土荷载只取岩土压力的水平分力不符合