黄土边坡稳定性及治理的规律性研究——以西安地区某项目黄土边坡工程为例

张振海

（上海新荣阳投资控股集团，上海 200082）

0 引言

随着国民经济的飞速发展，大量交通、民用建筑等设施的兴建，开挖与堆填的边坡数量越来越多，也越来越高，如一些水利水电的边坡甚至高达500m[1]。稳定性是边坡最基本也是最重要的问题，同时也是边坡设计与施工中最迫切需要解决的问题之一。早在1776年，法国学者库仑（Coulomb）便提出计算挡土墙土压力的方法。1857年，朗肯（Rankine）建立了计算主动与被动土压力的方法。两者的研究成果形成了边坡工程的最初体系，即“极限平衡法”。在边坡稳定性研究方面，1830年，英国学者莱伊尔（Lyell）最早提出滑坡的概念[2]。1916年瑞典学者彼得森（Petterson）进一步提出圆弧滑动分析方法，费伦纽斯（Fellemius）在此基础上创立了条分法，其后多位学者创造了多种方法，如简布法（Janbu）、毕肖普法（Bishop）、军团法、罗厄法、斯宾塞法等九种[3]。而学者邓肯（Duncan JM）则对边坡的稳定性问题进行了系统性的研究与阐述。

相对于国外，我国在边坡理论与施工方面的研究起步较晚，但是，近几十年来，随着中国数量庞大的工程的开展，相关理论也得到飞速发展。理论与实践互相推动，形成了“理论创新与施工技术工艺改进”共同发展的局面。有代表性的研究如林杭等[4]提出“强度折减法”：在满足平衡条件的同时，也考虑到材料的应力与应变，继而求得任意形状的临界滑动面及相应的最小安全系数。还有一些新的方法，如以概率与数理统计为基础的可靠性分析方法、以模糊数学为基础的模糊综合评价方法、以灰色系统理论为基础的灰色系统评价方法，以及以神经网络理论为基础的神经网络评价方法等[5]，它们共同代表着边坡治理的发展趋势。

本文基于上述背景，以西安地区某边坡加固工程为例，采用常规应用的“极限平衡法”进行分析（其机理是引入了一些简化假定，使计算较为方便），展开边坡治理的稳定性相关研究，以期为类似边坡工程的治理提供参考。

1 项目概况

规划建设完成后小区的标高比原状地面（边坡坡肩）高出约6m，此部分为地下车库与绿化覆土部分。拟建高楼为33层，高度约100m，楼房侧边距离坡边的水平距离平均约20m。边坡坡肩至坡脚最深处约30m，如图1所示。拟建楼房在建设过程与竣工后都需要对边坡进行加固，才能保障楼房与小区的安全使用。

图1 西安某边坡原始状态俯瞰图

地面海拔高程约480m，场地地貌为典型性黄土塬。地质勘探表明（探深约90m），其主要由第四系全新统杂填土（Q4ml）、黄土（Q32eol）、古土壤（Q31el）、黄土（Q2eol）、古土壤（Q2el）等共十多层土壤构成。地下水位稳定埋深在27.00～45.00m之间。黄土、古土壤具有湿陷性，湿陷性土层最大分布深度约为地下25.0m。土层承载力特征值在130～240kPa之间，古土壤比黄土的承载力大，土层越深的土壤承载力也越大[6]。

2 边坡加固方式的选用

边坡加固的形式有多种，适应于不同的地质条件。这些形式各具特色、各有利弊，根据地质结构或边坡的具体情况，需因地制宜选用。本文根据常用边坡加固形式与受力情况的不同，将其归纳为以下五大方式。

（1）坡率法。需要一定的放坡空间，根据土壤的密实度与粘聚力，放坡比例一般在1:1.5～2.0以上（越大越优）。而按此标准，至少需要45m以上的水平距离。该案例无法满足此条件，因此不适合应用此方法。

（2）挡墙。常用于小区边界护坡、山体护脚等，高度和性能要求低，可产生一定的变形量。而该案例对安全要求高，需要保证楼房基础的稳定性，因此不适合用此方法。

（3）混合式。要有进行锚固的空间（深度距离30m以上）与岩土（土壤的强度越大，效果越好）。案例中黄土的锚固性相对较差，并且有一半的土壤是填土，锚固的效果更差。综合此两点，该案例不适合用此方法。

（4）锚杆。依靠锚杆与喷射混凝土联合钢筋网共同负荷，以提高边坡岩体的结构强度和抗变形刚度，减少岩体侧向变形。此方式纯粹用锚杆进行加固，比混合式的要求更高，因此，也不适用。

（5）抗滑桩。其原理是将桩插入到滑面以下的稳固地层内，利用稳定地层岩土的锚固作用平衡滑动力，从而达到稳定滑坡的目的[7]。此方法抗滑能力很强、对滑体稳定性扰动小、设桩的位置较为灵活，可作为案例边坡治理的最佳选择。

3 案例边坡的稳定性分析

3.1 稳定性分析的方法

（1）定性与定量分析。边坡稳定性分析一般分为两个阶段：第一阶段是定性分析（理论分析与经验判断），对初勘所取得的地质资料进行研究，做出初步评估；第二阶段是定量分析（实测算量与检验验证），对定性阶段分析所判断的存在风险部分进行详勘与专业设计。但岩土工程（包括边坡）尚不能“精准”计算，这主要是由勘探样本的失真性、信息的不完整性、影响因素的多样性与相互作用、材料的复杂性、条件的不可确定性、建立计算简化模型的失真性等因素造成。因此，第二阶段的定量计算仍需要回归到第一阶段的定性分析中再检验验证（即计算非万能，概念与经验不可缺失）。

（2）边坡稳定性分析方法。边坡的核心问题是稳定性，其目的是确定经济合理的结构参数，分析已有边坡稳定性量化的程度，为治理措施提供可靠的依据。针对不同的边坡，需因地制宜。对于高等级边坡或重要边坡，应采用多种定性与定量方法进行综合评估，并根据结果调整方案。本文采用以往文献调查与现实应用的方法进行归纳，得出八种分析方法，分别是工程地质类比法、坡率法、图解法、极限平衡法、数值模拟法、敏感性分析法、概率设计方法、荷载抗力系数设计法、荷载抗力系数设计法。

（3）案例边坡选用方法。针对不同的地质条件、气候特征、岩土分布规律及施工选取工艺方法，边坡开挖前须进行稳定性计算。稳定性计算有多种方法：在简单边坡稳定性分析中，可以选用其中一种方法，但重大边坡则需要两种或两种以上的组合应用。本文案例选取“极限平衡法”，将边坡岩土视为“刚体”。

3.2 稳定性模型与分析

（1）稳定性模型。案例采用双排桩进行加固，两排桩之间采用连接梁，两排桩的桩顶部位各自设置冠梁，即上部桩顶连为一个整体。桩直径为1.5m，长度按地势不同略有差别，平均约为30.0m，如图2所示。

图2 边坡模型简化计算图

（2）抗倾覆稳定性验算。取某一个截面为代表，按公式（1）计算（地下水位低于支护桩的底端高度）：

计算发现，KQ的数值为1.85[8]，大于1.25的安全系数值[9]，满足安全要求。

（3）整体稳定验算。以瑞典条分法为工具，有效应力法的应力状态、条分法中的土条宽度取1.00m，滑裂面圆弧半径R=34.04，圆心坐标X=-0.53、Y=14.96，计算得出整体稳定安全系数Ks=2.83[8]，大于1.35的安全系数要求[9]。

（4）抗隆起验算。在加固底部处、34.15m处、37.35m处取三个值，逐层验算抗隆起稳定性，根据公式（2）计算：

计算得出三个层面分别为5.55、7.63、5.75，都大于1.8的安全要求值[9]，满足安全要求。

（5）嵌固深度构造计算。嵌固深度=嵌固构造深度系数×基坑深度=0.60×14.30=8.58m。嵌固深度采用值为18.7m，满足构造要求。

（6）嵌固段基坑内侧土反力验算。作用在挡土构件嵌固段上的基坑内侧土反力合力为8166.87kN，小于作用在挡土构件嵌固段上的被动土压力合力值14917.03kN[8]，土反力满足要求。

（7）加筋土部位挡土墙稳定性分析。墙身总高6.50m，筋带水平与竖向间距都为0.40m，筋带长16.00m、宽0.06m、厚0.02m（图3）。加筋土内摩擦角35.00°，筋带容许拉应力60.00MPa，土与筋带之间的摩擦系数0.40。计算参数：圆心步长与半径步长都为1.00m，土条宽度为0.50m，填土（回填黄土的最佳含水量为13%左右，现场需要撒水控制，以“手捏成团，落地开花”为标准）粘聚力为18.00kPa、地基土粘聚力为23.00 kPa。筋带抗拔最小安全系数为2.18，大于2.00的要求。整体稳定验算最小安全系数为2.12[8]，大于1.25的安全要求[9]。

图3 加筋土示意图

（8）一般工状。内部稳定性分析采用应力分析法，选择某一个段面点进行简化模型分析。墙身总高为6.5m，筋带竖向间距全部均匀分布，单个筋带厚度为2mm，筋带水平方向间距为0.4m，筋带竖直方向间距为0.4m。计算得出筋带的抗拔验算最小安全系数为2.18[8]，大于安全要求值2.00[9]。外部稳定性计算得出整体稳定性最小的安全系数为2.12[8]，大于安全要求值1.25[9]，因此满足一般工状安全性要求。

（9）地震工状。内部稳定性采用应力分析法，筋带抗拔验算后得出最小安全系数为2.14[8]，大于安全要求值1.20[9]。经外部稳定性计算，得出滑动稳定性系数为3.85[8]，大于安全要求值1.10[9]。计算得出倾覆稳定性系数为25.42[8],大于安全要求值1.20[9]。整体稳定性计算得出最小安全系数为2.18[8]，大于安全要求值1.10[9]。因此，满足地震工状安全性要求。

4 边坡加固，兼顾经营与安全

4.1 现行做法

从安全性的角度出发，应该是先进行边坡加固，再进行高楼施工。但现行项目建设中，特别是房地产企业为了将楼房建到某个规定的高度后进行“预售”，回笼资金，往往采用先建楼后加固的顺序，或者是两者同时进行。各个地区对高度的要求在规定上有所不同，本文案例项目只要建到标准层，或±0.00标高工程完成，就具备预售条件。

4.2 楼房建设是否需要边坡先行加固

案例中涉及到的楼房高度为101.25m，地下室深度为7.20m。按1/15[10]的基础埋置深度要求为6.75m，已达到此规定。同时，要求埋入地下部分具有可靠的侧向限制。本文根据大量设计方案与施工案例统计，得出经验数据为1.5～2.0倍的边坡深度。按此经验值，案例在边坡加固前不符合此规定（边坡深30m，按1.5倍侧限则为45m，按2.0倍则为60m，而案例加固前的现有平均宽度只有20m），在边坡加固前，不能将楼房建到顶层。

由于工期非常紧张，在边坡没有加固前即开始进行楼房的建设，但同时基于安全的要求，在建设至第10层时停止，等待边坡加固后再进行建设。由于边坡的深度约为30m，相当于10层楼高度，在地下室没有侧限的前提下，常规安全高度约为10层。

5 边坡的排水措施

据统计资料显示，大多数边坡的变形破坏都与水相关，尤其是在暴雨之后，发生灾害的概率更高。而水对边坡的力学作用主要包括静水压力、浮托力、动水压力，它们共同影响边坡的稳定性。在增强边坡稳定性方面，排水降压比力学加固的效果更明显，经济性能也更加优越。因此，几乎所有的边坡工程均采取排水措施，本文案例采取了以下几种排水形式。

（1）建立坡面的防、截、排体系（外排）。在坡顶与坡肩采用硬化防水面，以集中井的形式收集水源，再通过管道排除，从而达到防、截、排的目的。即从外部杜绝或者减少雨水或其他水源渗透入边坡中，从根本上防范水患对边坡的损害作用（特别是案例中的黄土具有湿陷性，存在潜在的变形危害）。排水的流量按极端天气下的暴雨量进行设计，防范边坡发生致命性损伤。

（2）建立水平钻孔排水体系（内排）。设置排水孔的目的是将边坡中的水排出。首先，在坡面（如回填土与坡脚部位）建大量的短排水孔（在反面铺设反滤层）；其次，穿插少量深排水孔（约20m），目的是将坡体深层内的水排出，从而防范支撑结构因受到土壤体中的水压力而遭到破坏。

采用这两类排水方式，已能达到排水的效果。

6 边坡加固、绿化一举多得

在边坡治理中，需要兼顾结构的稳定与景观的优美。特别是针对黄土边坡，通过绿化，植物根系与土壤共同作用，组成了复合结构：根系具有较高的抗拉强度与锚固力，可以提高土的抗剪强度，限制土壤的滑移，加固效果显著。

6.1 边坡绿化时采用的原则

案例边坡在绿化时采取了四个原则：（1）植物防护与混凝土结构有机结合，建立既稳定牢固又有生态效应的防护系统；（2）因地制宜，种植当地植物，这样在采购、种植、养护等方面成本较低；（3）对护坡植物进行规划设计，使乔木、灌木、花草层次分明、错落有序；（4）护坡植物与城市人文相结合，营造城市绿化景点，既提升住宅小区的品味（获取商业利润），又彰显城市的美感（社会效应外溢）。

6.2 坡面绿化要点

（1）使骨架图案多样化。需要结合景观进行边坡美化：采用多种方式将坡面改为方格形、菱形、正方形、拱形等图形的骨架，并将多种图形按一定的规律进行排布，从而形成多姿多彩的景观类型。

（2）选用坡面植物。进行边坡绿化时，选择野牛草、林地早熟禾、草地早熟禾、白三叶、颖茅苔草等适应当地生态的植物，易于养护。

（3）点缀硬化图形。在护脚等全部为混凝土坡面的区域，采用“化硬为软”的方式，即用浮雕式图形、彩绘式图形，将呆板的混凝土护坡改造为五彩缤纷的人文景观，打造景观亮点。

（4）其他理念。①化整为零：将30m垂直高的一面边坡设计为4～6级的多级边坡，并对每级坡脚进行绿化；②化大为小：将局部高差大的挡土墙做成“板凳”式，并对“板凳”凹面进行绿化；③化陡为缓：将直立的挡土墙改为倾斜式，使空间视觉更加开敞。

7 结论

本文根据案例工程边坡高差大、侧边距离小的现状，选择了抗滑桩的方式进行加固。计算采用了“极限平衡法”，将边坡岩土视为“刚体”建立模型，所设计方案满足安全性要求。为防范水患对边坡造成破坏，采用了防、截、排体系（外排）与水平钻孔排水体系（内排）。另外，对边坡进行绿化，在提升小区景观品质的同时，也加强了边坡的稳定性。在边坡与小区竣工后，这些措施经过实践检验，效果良好。

经过以上几个方面的研究，可以得出治理边坡的规律：（1）边坡工程尚不能精确计算其稳定性，在治理的过程中必须因地制宜选择加固方式；（2）边坡的治理涉及到大额的资金投入，在治理的过程中必须兼顾经营与安全；（3）边坡治理需防范后期水患的破坏，满足绿化景观的要求。