基于经典土压力理论分析边坡支护结构岩土荷载计算方法

基于经典土压力理论分析边坡支护结构岩土荷载计算方法

方法的分析

方玉树

（后勤工程学院，重庆400041）

（据《重庆建筑》2015年1期“边坡支护结构岩土荷载计算若干问题探讨”一文修改）

提要：为计算不符合朗金条件和库伦条件的边坡支护结构岩土荷载，相关规范提供了由经典土压力理论扩展而成的岩土荷载计算方法。研究表明，这些方法在岩土荷载方向、在岩坡上填土时岩石坡面视为滑面的条件、考虑与不考虑地震力的岩土荷载公式之间的关系、地下水形成渗流时的土体荷载计算、有潜在滑动面边坡桩板式挡墙岩土荷载计算等方面存在一些问题，导致其实际适用范明显缩小。

关键词：岩土荷载计算，建筑边坡支护结构，岩土荷载方向，地震力，渗流，系统杆，杆挡墙

0 引言

众所周知，经典的朗金土压力理论要求墙背直立光滑、填土面水平，经典的库伦土压力理论要求填土无粘聚力、破裂面是通过墙踵的平面、填土面是平面；因相应公式只涉及一种土的一组物理力学参数且不涉及水压力和地面荷载，经典土压力理论实际上还需要填土均质、填土面无附加荷载、填土内无地下水等条件。因此，经典土压力理论适用范很窄。为此，一些研究者对经典土压力理论进行扩展，给出由经典土压力理论

扩展而成的边坡支护结构岩土荷载计算方法[1~8]，扩展的力度极大：产生荷载的材料从填土扩展到各种原生土、各种岩石及它们的组合（相应材料性质从均质扩展到非均质，从无粘聚力或极小粘聚力扩展到极大粘聚力）；荷载的来源从单一的填土扩展到地面荷载、地下水、地震；支挡结构从重力式挡墙扩展到包括系统杆在内的各种支护结构。这些方法基本上已经列入各个版本的国标《建筑边坡工程技术规范》（以下称国标《边坡规范》）和国标《建筑地基基础设计规范》（以下称国标《地基规范》），因而在实际工程中广泛采用。

本文就这些方法在岩土荷载方向、在岩坡上填土时岩石坡面视为滑面的条件、考虑与不考虑地震力的岩土荷载公式之间的关系、地下水形成渗流时的土体荷载计算、有潜在滑动面边坡桩板式挡墙岩土荷载计算等方面存在的问题进行分析并提出建议。

1 岩土荷载方向

1.1 喷支护时的岩土荷载方向

国标《边坡规范》13版在计算支护结构岩土荷载时对喷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。

采用喷支护时，支护结构不存在墙背，滑动楔体只有内滑面（于岩土体中的滑面）、有外滑面（岩土体与挡墙的接触面，即墙背），而有墙背就有墙背摩擦角，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。

在进行杆设计时又只采用计算出的岩土压力的水平分力，这进一步偏离了力平衡的要求。

这种做法也与国标《边坡规范》13版自身采用局部杆支护不稳定块体的下列验算公式盾：

式中：A——滑面面积；c——滑面粘聚力；f——滑面摩擦系数；、——不稳定块体自重沿滑动方向和滑面法向的分力；，——单根杆轴向拉力沿抗滑方向和滑面法向的分力；——杆钢筋抗拉安全系数。在这个公式里，杆支护力的方向是指向内端的杆轴向，这意着作为杆支护力反力的岩石荷载方向是指向外端的杆轴向。而系统杆和局部杆的区别仅仅是范大小不同而已，况且高边坡中规模较大的不稳定块体规模还可能超过矮边坡中与边坡同高的滑体，二者的岩土压力方向设定本应一致。

1.2 坡面倾斜、坡顶水平、无超载时的岩土荷载方向

国标《边坡规范》13版在计算坡面倾斜、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。

图1 坡面倾斜、坡顶水平、无超载的边坡计算简图

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国标《边坡规范》13版自身的另三个岩土压力公式（1.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；2.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；3.墙背倾斜、坡顶倾斜、无超载、沿填土与岩石界面滑动情况下的土压力公式）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这三个公式中第一个公式（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这三个公式中第二个个和第三个公式（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，据此，前者岩土压力少算了17.89%。

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。

1.3 滑面为外倾结构面时的岩石荷载方向

国标《地基规范》11版也对滑面为外倾结构面时的岩石荷载方向有所涉及，规定：“对单结构面外倾边坡作用在支挡结构上的推力，可根据楔体平衡法进行计算，……，具有两组或多组结构面的交线倾向于临空面的边坡，可采用楔形体分割法计算楔体的下滑力”。结合相应条文说明中的算例可知，滑面为外倾结构面时的岩石荷载方向取与滑面（或滑面交线）平行。这样的规定是不正确的。

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，岩土压力反力（挡墙抗力）方向都不与滑面平行。

将岩土压力方向定为与滑面平行的做法也与国标《地基规范》11版自身的有限范填土情况下的土压力公式盾，在那个公式里，岩土压力方向与墙背法向夹角为墙背摩擦角，而充当滑面的土岩界面同样是结构面，滑面为外倾结构面时的岩石压力方向与滑面为外倾结构面时的土压力方向设定本应一致。

2 在岩坡上填土时岩石坡面视为滑面的条件

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滑面的情况在国标《边坡规范》和国标《地基规范》中称为有限范填土情况。长期以来，国标《边坡规范》和国标《地基规范》一直将岩石