填土边坡潜在滑面抗剪强度指标取值的两个问题

方玉树

（1后勤工程学院，重庆 401311；2岩土力学与地质环境保护重庆市重点实验室，重庆 401311）

0 引言

进行填土边坡抗滑稳定性和抗滑支护力计算需要确定潜在滑面抗剪强度指标。填土边坡的潜在滑面有两类：一类是位于填土内部、由填土抗剪强度指标控制的滑面，一类是填土与岩石界面。确定填土边坡潜在滑面抗剪强度指标在两个方面较为困难：

一是碎石土类填土内摩擦角取值。因颗粒大且无粘性，进行剪切试验存在困难；其休止角又因大颗粒的尺寸效应而随坡高变化；相关规范亦无明确规定。目前主要根据经验进行取值，这使得取值有较大随意性。在勘察设计中，不少人将降雨工况下碎石土类填土内摩擦角取20°～25°。

二是填土与岩石界面抗剪强度指标取值。现场剪切试验难度较大；相关规范仅针对稳定岩坡倾角不小于均质土体破裂角时的支护力计算作出规定 （摩擦角取0.4～0.7填土内摩擦角，粘聚力取填土粘聚力）[1]，对边坡抗滑稳定性计算和岩坡倾角小于均质土体破裂角、岩坡未稳定等情况下的支护力计算时的填土与岩石界面抗剪强度指标取值,亦无明确规定。目前也主要根据经验进行取值。实际边坡抗滑稳定性和支护力计算中不少人将填土与岩石界面抗剪强度指标取与填土相同的值。

本文对上述两个问题进行论证并提出建议。

1 碎石土类填土内摩擦角取值

相关规范虽然没有直接提供碎石土类填土内摩擦角，但国家基础设计规范1989年版、2002年版和2011年版[2-4]隐含了关于碎石土类填土内摩擦角的信息。据此，可以反算出碎石土类填土内摩擦角。

1.1 主动土压力系数曲线图隐含的信息分析

国家基础设计规范1989年版、2002年版和2011年版[2-4]在墙背摩擦角为填土摩擦角一半、填土表面无荷载的条件下，提供了高度不超过5m的挡土墙填土主动土压力系数曲线图，其中包括密实度为中密以上、干重度20kN/m3以上的碎石土和密实度为中密以上、干重度16.5kN/m3以上的砂土。建立此图时填土抗剪强度指标取何值已无从查考。但在填土粘聚力为0条件下根据主动土压力系数表达式可反算出填土内摩擦角。填土无粘聚力且无附加荷载时，根据库伦土压力理论，主动土压力系数表达式为：

式中，Ka-主动土压力系数，φ-土的内摩擦角，β-为土体表面倾角，α1-墙背与竖直面的夹角，δ-墙背摩擦角。由此反算得碎石土类填土内摩擦角为40°，砂土类填土内摩擦角为30°（详见表1），这就是说，数十年前相关规范提供的土压力系数曲线图对碎石土类填土和砂土类填土分别是按40°和30°做出的。考虑到实际挡墙在数十年的运营中要经历降雨工况，这些内摩擦角是降雨工况下填土内摩擦角。

表1 填土内摩擦角按土压力系数反算值

1.2 填土坡率允许值表隐含的信息分析

国家基础设计规范1989年版、2002年版和2011年版[2-4]还在压实系数不小于0.94的条件下提供了填土坡率允许值表(表2)。

表2 压实系数达0.94填土坡率允许值表

对不同坡高给出不同坡率允许值的原因，笔者的判断是较大颗粒对小坡高具有有利的尺寸效应，坡高越小尺寸效应越明显。比如：边长为3m的立方体块石对3m高的边坡而言已经起着挡墙的作用，对由这样的块石组成的3m高的边坡而言无休止角可言。考虑到填土透水性极好，降雨只会使填土抗剪强度指标有所降低而不会产生明显的水压力，在除自重外无其它荷载的情况下，粘聚力取0时，降雨工况下填土边坡稳定系数可按下式计算：

式中，Fs—边坡稳定系数，β—坡角。由此，降雨工况下填土内摩擦角可根据稳定坡角和稳定系数按下式反算：

国家基础设计规范1989年版、2002年版和2011年版[2-4]要求地基稳定系数达到1.2，按表2中的坡率允许值放坡时边坡稳定系数至少应达到1.15。由此，据表2中的数据按（3）式反算,可得降雨工况下填土内摩擦角,详见表3。

表3 压实系数达0.94填土内摩擦角按稳定坡率反算结果

1.3 综合分析

比较表1和表3可知，表1中碎石土填土在5m高挡墙时的内摩擦角为40°，这一结果介于8m坡高以下内摩擦角取值（37.48°～42.61°）之间，虽然前者要求密实度达中密，后者要求压实系数达0.94，但二者的数据是匹配的。国家基础设计规范1989年版、2002年版和2011年版[2-4]提供的表2和主动土压力系数曲线图已使用了数十年，可靠性很高，因此，建议中密碎石土类填土内摩擦角按表4取值。

表4 中密碎石土类填土内摩擦角

在表2中碎石、卵石占全重30%～50%的中密砂夹石填土与中密碎石、卵石填土有相同的坡率允许值，这说明表4中的中密碎石土类填土内摩擦角取值是偏安全的。考虑到风化作用会造成碎石土类填土中易风化块体（如泥岩块体）崩解从而造成碎石土类填土内摩擦角有所降低，根据表1中中密砂土填土内摩擦角为30°而中密碎石土类填土内摩擦角应大于中密砂土填土的情况，对易风化块体组成的中密碎石土类填土，内摩擦角取值可在表4基础上降低2°～3°。松散碎石土类填土内摩擦角可取相当坡高或相对较大坡高下的休止角。稍密碎石土类填土内摩擦角可在中密和松散碎石土类填土内摩擦角之间取值。

在以往的勘察设计中，不少人将降雨工况下中密碎石土类填土内摩擦角取20°～25°，同时又将中密碎石土类填土边坡设计放坡坡率取1∶1.75（相应坡角为29.74°）。据此坡率和内摩擦角按 （2）式进行边坡稳定性计算，结果是：稳定系数为0.637～0.816，不仅未达到稳定安全系数而且小于1。可见所取中密碎石土类填土内摩擦角和放坡坡率存在很大矛盾。根据表1至表4以及大量工程实践可知，存在很大矛盾的原因并不是放坡坡率取值偏大而是内摩擦角取值偏小。为避免这一矛盾，相关规范采取改变填土边坡稳定性评价规则的做法，规定：填土边坡坡率允许值应根据边坡稳定性计算结果并结合地区经验确定[1]。根据这一规定，当某坡率下边坡稳定性计算结果为未稳定（包括不稳定、欠稳定和基本稳定）而按地区经验该坡率下的边坡为稳定时，仍可将该坡率用作设计放坡坡率。显然，这种做法与相关规范提出的“当边坡稳定性系数小于边坡稳定安全系数时应对边坡进行处理”、“当边坡工程整体稳定性不能满足稳定安全系数要求时应提出加固处理建议”、稳定系数大于或等于稳定安全系数方可视为稳定的要求[1，9]是矛盾的。因为维持显著偏小的填土内摩擦角不变，所以这种做法不仅导致填土边坡稳定性计算结果与实际严重不符，而且导致填土边坡支护力计算结果显著偏大。例如：中密碎石土类填土对挡墙的土压力系数不再是表1中的0.2而是0.470～0.578，是原值0.2的2.35～2.89倍，这意味着支护力比原值增加了135%～189%。因此，这种做法是不可取的。

2 填土与岩石界面抗剪强度指标取值

2.1 取值方法适用范围

关于填土与岩石界面抗剪强度指标取值，各相关规范的规定仅针对岩坡倾角大于（或不小于）均质土体破裂角时的支护力计算。众所周知，层面、裂隙面抗剪强度指标系根据层面、裂隙面状况取值而不区分层面、裂隙面倾角是陡是缓，也不区分是用于稳定性计算还是用于支护力计算 （何况支护力计算本应是计入支护力后的稳定性计算的反算[10]）。填土与岩石界面同层面、裂隙面一样是岩土体中的结构面，如果抗剪强度指标取值比较合理，这种取值方法理所当然地可用于边坡抗滑稳定性计算和岩坡倾角小于均质土体破裂角情况下的支护力计算；如果取值不合理，这种取值方法对岩坡倾角大于（或不小于）均质土体破裂角时的支护力计算也不合适。因此，各相关规范将所提供的填土与岩石界面抗剪强度指标取值方法限用于岩坡倾角大于（或不小于）均质土体破裂角时的支护力计算的做法是多余的。

在提供填土与岩石界面抗剪强度指标取值方法时，各相关规范还要求岩石边坡是稳定的。众所周知，层面、裂隙面抗剪强度指标系根据层面、裂隙面状况取值而不区分层面、裂隙面后侧岩体稳定与否。进行边坡抗滑稳定性计算和抗滑支护力计算是对各种可能的滑面 （包括受岩土体强度指标控制的滑面和各个或各组受结构面控制的滑面）进行计算而不是仅对一个或一组滑面进行计算。填土与岩石界面同层面、裂隙面一样是岩土体中的结构面，如果抗剪强度指标取值比较合理，这种取值方法理所当然地可用于岩坡未稳定情形；如果取值不合理，这种取值方法对岩坡未稳定情形也不合适。因此，各相关规范将所提供的填土与岩石界面抗剪强度指标取值方法限用于稳定岩坡的做法是多余的。

一些标准[1，8]要求填土与岩石之间无软弱层，其它相关标准无此要求。因软弱层抗剪强度指标与填土抗剪强度指标差别很大、关系较小且软弱层抗剪强度指标可按软弱结构面取值，所以提出填土与岩石之间无软弱层这一要求是必要和可行的。

不过，更需要注意的是：因填土透水性高、岩层透水性低，水分下渗后亦在岩坡表面停留，使岩坡表面填土中的易泥化颗粒泥化、细粒软化。显然，易泥化颗粒和细粒含量越高，排水条件越差，泥化、软化作用越明显。当岩石坡面呈台阶状时，因滑面基本上不从阶顶通过，当存在软弱层时软弱层也仅出现在各阶阶顶上，对滑面强度指标影响较小。因此，岩石坡面越平滑，泥化、软化作用对滑面强度指标影响越大。

为此，界面抗剪强度指标取值时应考虑泥化、软化对界面抗剪强度指标的弱化作用。当岩石坡面平滑、排水不良且易泥化颗粒和细粒含量很高时，即使填土与岩石界面在边坡工程勘察设计施工阶段无软弱层，在边坡工程运行期间也可能有软弱层。故不能将界面抗剪强度指标取值起点定在较高水平（如：取0.4倍填土内摩擦角）上。对设计填土，为减弱这种弱化作用及其影响，应将岩石坡面处理成台阶状并尽量选择易泥化颗粒和细粒含量少的料源做填料。

2.2 取值方法

最先涉及填土与岩石界面抗剪强度指标取值的重庆基础设计规范1993年版和1997年版[5-6]取填土与岩石界面摩擦角为0.33（为填土内摩擦角），取填土与岩石界面粘聚力为填土粘聚力 （土压力公式中有与填土粘聚力有关的）；重庆边坡规范2001年版[7]对无地下水且按规定挖台阶填筑情况取界面摩擦角为，对其它情况取界面摩擦角为0.33～0.50，取填土与岩石界面粘聚力为填土粘聚力；国家边坡规范2002年版[8]对粘性土与粉土取界面摩擦角为0.33，对砂性土与碎石土取界面摩擦角为0.5，取填土与岩石界面粘聚力为填土粘聚力；国家基础设计规范2002年版和2011年版[3-4]取界面摩擦角为0.33，取填土与岩石界面粘聚力为0（土压力公式中没有与粘聚力有关的项）；国家边坡规范2013年版[1]取界面摩擦角为0.4～0.7，取填土与岩石界面粘聚力为填土粘聚力，理由是据此算出的主动土压力应小于按填土物理力学指标算出的静止土压力。实际工程中不少人取填土与岩石界面抗剪强度指标为填土抗剪强度指标。

当岩石坡面被人为处理成台阶状时，因填土这种散粒体无法沿岩石表面滑动，故界面抗剪强度指标接近填土抗剪强度指标。此时界面摩擦角取值不超过0.33、0.50或0.70的做法显然偏于保守。

当岩石坡面较平整时，填土与岩石界面上颗粒之间的咬合作用和公共结合水缺失，界面摩擦角和凝聚力将明显小于填土内摩擦角和凝聚力。此时将界面抗剪强度指标取填土抗剪强度指标的做法显然偏危险。当岩石界面不呈台阶状且填土与岩石界面深于填土内部最危险滑面时，这种做法必然造成沿界面滑动的稳定系数总是大于沿填土内部最危险滑面滑动的稳定系数，从而使得沿界面滑动的稳定性计算失去与沿土体内部最危险滑面滑动的稳定性计算进行结果比较的意义。

一些学者认为，沿界面滑动的填土主动土压力应小于填土静止土压力，据此确定界面摩擦角取值起点为0.40。这种认识和做法是不正确的，主动土压力小于静止土压力是针对静止土压力和主动土压力均受土体内部物理力学指标控制的土体来说的，受界面抗剪强度指标控制的填土主动土压力与受填土内部物理力学指标控制的填土静止土压力的大小关系是不固定的，如同沿滑面滑动的滑坡水平推力（无论稳定系数是否刚好为1）与受滑体抗剪强度指标控制的水平主动土压力的大小关系是不固定的。

根据上述分析并考虑到水对颗粒具有润滑作用、对易泥化颗粒具有泥化作用、对粘粒和粉粒等细粒具有软化作用，建议：填土与岩石界面摩擦系数和粘聚力在填土内摩擦系数和粘聚力的0.00～1.00倍（开区间）范围内取值，其中，岩石坡面呈台阶状时取0.67～1.00倍，岩石坡面很粗糙时取0.50～0.67倍，岩石坡面粗糙时取0.33～0.50倍，岩石坡面平滑时取0.00～0.33倍。在各级取值范围内，排水条件较好且易泥化颗粒和细粒含量较小时取较高值，排水条件较差且易泥化颗粒和细粒含量较大时取较低值。

3 结语

（1）当前，填土边坡潜在滑面抗剪强度指标取值随意性较大，碎石土类填土抗剪强度指标取值明显偏小和填土与岩石界面抗剪强度指标取值与土体抗剪强度指标相同的情况相对较多。填土抗剪强度指标取值偏小造成按勘察设计人推荐和采用的坡率进行放坡的边坡变成未稳定边坡，造成稳定性满足要求的挡墙变成稳定性不满足要求的挡墙；当岩石界面不呈台阶状且填土与岩石界面深于填土内部最危险滑面时，填土与岩石界面抗剪强度指标取值与土体抗剪强度指标相同的做法导致沿填土与岩石界面滑动的稳定性计算失去与沿土体内部最危险滑面滑动的稳定性计算进行结果比较的意义。

（2）当岩石坡面被人为处理成台阶状时，因填土这种散粒体无法沿岩石表面滑动，填土与岩石界面摩擦角接近填土内摩擦角，界面摩擦角取值不超过0.33、0.50或0.70的做法偏于保守。

（3）同沿滑面滑动的滑坡水平推力（无论稳定系数是否刚好为1）与受滑体抗剪强度指标控制的水平主动土压力的大小关系不固定一样，受界面抗剪强度指标控制的填土主动土压力与受填土内部物理力学指标控制的填土静止土压力的大小关系是不固定的，沿界面滑动的填土主动土压力应小于填土静止土压力的认识和据此认识确定界面摩擦角取值起点的做法是不正确的。

（4）相关规范隐含了关于碎石土类填土内摩擦角的信息，根据反算结果，中密碎石土类填土内摩擦角可按表4取值。建议：易风化块体组成的中密碎石土类填土内摩擦角取值在表4基础上降低2°～3°；松散碎石土类填土内摩擦角取相当坡高或相对较大坡高下的休止角；稍密碎石土类填土内摩擦角可在中密和松散碎石土类填土内摩擦角之间取值。

（5）建议：填土与岩石界面摩擦系数和粘聚力根据岩石坡面粗糙程度分四级在填土内摩擦系数和粘聚力的0.00～1.00倍（开区间）范围内取值；在各级取值范围内，排水条件较好且易泥化颗粒和细粒含量较小时取较高值，排水条件较差且易泥化颗粒和细粒含量较大时取较低值。

[1]重庆市设计院，等.中国建筑技术集团有限公司.GB50330—2013建筑边坡工程技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2014.

[2]中国建筑科学研究院，等.GBJ7-89建筑地基基础设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，1989.

[3]中国建筑科学研究院，等.GB50007-2002建筑地基基础设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.

[4]中国建筑科学研究院，等.GB50007-2011建筑地基基础设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[5]重庆建筑大学，等.DBSI/5003-93重庆市建筑地基基础设计规范[S].四川省建设厅，1993.

[6]重庆建筑大学，等.DB50/5001-1997重庆市建筑地基基础设计规范[S].重庆市建设委员会，1997.

[7]重庆市设计院，等.DB50/5018-2001建筑边坡支护技术规范[S].重庆市建设委员会，2001.

[8]重庆市设计院，等.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.

[9]重庆一建建设集团有限公司，等.GB50843—2013建筑边坡工程鉴定与加固技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.

[10]方玉树.边坡支护结构荷载取值问题研究[J].工程地质学报，2008（2）.