某堆填土欠穩(wěn)定高邊坡抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值研究

蔡長發(fā) 何輝祥 李愛華 嚴(yán)升華

收稿日期：2023-11-03；修回日期：2024-03-26

第一作者簡介：蔡長發(fā)（1986- ），男，碩士，高級工程師，主要從事巖土工程勘察、巖土設(shè)計(jì)及治理方面的研究工作。E-mail：563651161@qq.com

引用格式：蔡長發(fā)，何輝祥，李愛華，嚴(yán)升華，2024.某堆填土欠穩(wěn)定高邊坡抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值研究［J］.城市地質(zhì)，19（2）：209-217

摘 要：梧州市某樓盤在建筑安全影響范圍內(nèi)有一削坡形成的高度20～45 m的堆填土高邊坡，存在較大滑塌安全隱患，需對該欠穩(wěn)定高邊坡綜合整治處理。為取得符合實(shí)際的、經(jīng)濟(jì)合理的邊坡設(shè)計(jì)抗剪強(qiáng)度參數(shù)，采用了綜合法確定抗剪強(qiáng)度參數(shù)，即采用現(xiàn)場原位直剪試驗(yàn)、室內(nèi)重塑土樣試驗(yàn)、多元線性回歸法等，綜合分析確定欠穩(wěn)定高邊坡的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。結(jié)果表明：采用綜合法參數(shù)取值能優(yōu)化邊坡設(shè)計(jì)、縮短治理工期、節(jié)約治理費(fèi)用，治理效果顯著。

關(guān)鍵詞：抗剪強(qiáng)度參數(shù)；土石混合填土；原位直剪試驗(yàn)；軟弱結(jié)構(gòu)面；多元線性回歸

Study on the parameter values of shear strength for unstable high slope of fill soil

CAI Changfa， HE Huixiang， LI Aihua， YAN Shenghua

（Building Materials Guangzhou Engineering Survey Institute Co.， Ltd.， Guangzhou 510403， Guangdong， China）

Abstract： Within the scope of building safety impact of a certain real estate project in Wuzhou City， there is a high slope of 20-45 meters formed by slope cutting， posing a high risk of land collapse. Therefore， comprehensive treatment is needed for the unstable high slope. In order to obtain practical and economically reasonable shear strength parameters for slope design， comprehensive methods were used to analyze and determine the shear strength parameters， including on-site direct shear tests， indoor remolded soil sample tests， multiple linear regression methods， etc. Comprehensive analysis was conducted to determine the shear strength parameters for unstable high slopes. The results show that using the comprehensive method parameter values can optimize slope design， shorten the treatment period， save treatment costs， and achieve significant treatment effects.

Keywords： shear strength parameters; mixed soil and rock fill; on-site direct shear tests; weak structural plane; multiple linear regression methods

本文研究的是梧州市某欠穩(wěn)定堆填土高邊坡的抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值問題，為該邊坡的綜合整治處理設(shè)計(jì)提供經(jīng)濟(jì)合理的抗剪強(qiáng)度參數(shù)（c、φ）。國內(nèi)外大量研究已證實(shí)，邊坡是否發(fā)生滑坡常常取決于軟弱結(jié)構(gòu)面（帶）的應(yīng)力狀態(tài)和強(qiáng)度變化，這些變化又最終取決于軟弱結(jié)構(gòu)面類型、微觀結(jié)構(gòu)特征、物質(zhì)組分和形成機(jī)理（陳傳勝等，2012）。確定軟弱結(jié)構(gòu)面（帶）的位置及其抗剪強(qiáng)度參數(shù)（c、φ）已成為邊坡穩(wěn)定性分析的重要內(nèi)容，是邊坡穩(wěn)定性評價及綜合治理設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題，參數(shù)值的大小直接影響著邊坡穩(wěn)定性計(jì)算及整治工程方案的選定。

經(jīng)勘察，該邊坡坡體為無序堆填的土石混合填土，堆填土由黏性土及不同粒徑、不同巖性、不同強(qiáng)度、不同含石率的礫石塊體混合而成，具有典型的非均質(zhì)、非連續(xù)性，很難在現(xiàn)場采集到原狀樣來進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，而現(xiàn)場大尺度原位試驗(yàn)可以獲得更接近實(shí)際情況的巖土體力學(xué)參數(shù)，因此室外原位試驗(yàn)已成為研究土石混合體特性的一種有效手段。據(jù)查，對三峽庫區(qū)的土石混合體力學(xué)性質(zhì)有過大量的研究，如油新華等（2002）、李曉等（2007）、徐文杰等（2008）通過大量室外原位試驗(yàn)，詳細(xì)介紹了土石混合體分布特點(diǎn)、地質(zhì)成因、結(jié)構(gòu)特征及其變形破壞特性，為開展土石混合體力學(xué)參數(shù)關(guān)聯(lián)因素研究奠定了良好的基礎(chǔ)，室外原位試驗(yàn)多以獲取土石混合體宏觀力學(xué)參數(shù)為目的，難以深入揭示土石混合體變形破壞的本質(zhì)規(guī)律、內(nèi)在機(jī)理和決定性因素；鄧華鋒等（2013）通過對土石混合體采取大試樣的室內(nèi)剪切試驗(yàn)，深入提示了土石混合體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)與巖土體有著很大的區(qū)別，土石混合體具有顯著的非均勻性，提出用臨塑抗剪強(qiáng)度和極限抗剪強(qiáng)度來分析土石混合體的剪強(qiáng)度參數(shù)；楊期祥（2022）為探究大型深層滑坡滑帶土力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)的選取，采取大型原位直剪試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)、參數(shù)反演法及工程類比法，綜合確定滑帶土的力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)；劉小麗等（2004）系統(tǒng)總結(jié)滑帶土的強(qiáng)度特性對滑坡穩(wěn)定性的影響；張怡穎等（2021）采用環(huán)剪試驗(yàn)，研究滑坡滑動速率和滑帶土含水率對滑帶土的力學(xué)強(qiáng)度特性影響；易平（2014）采用傳遞系數(shù)法，建立反演計(jì)算模型，求解高含水淺層滑坡滑帶土強(qiáng)度參數(shù)c、φ值；賴波等（2021）、黃鋒等（2022）、王玉潔等（2023）對邊坡變形破壞特征及邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了研究；李方震等（2021）、劉仍陽（2024）對邊坡危險性進(jìn)行了評估；白金朋等（2022）對壩前堆積體抗剪強(qiáng)度特性進(jìn)行了原位大型直剪試驗(yàn)研究。上述研究成果為把握土石混合體的力學(xué)特性積累了經(jīng)驗(yàn)，但是這些試驗(yàn)，較少考慮試驗(yàn)剪切面與實(shí)際土體破壞滑動面的關(guān)聯(lián)，剪切破壞面的特征及其影響因素，也較少考慮原位直剪試驗(yàn)后的穩(wěn)定性計(jì)算的抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值方法，進(jìn)而直接影響工程設(shè)計(jì)計(jì)算和實(shí)際變形穩(wěn)定。因此，本文主要在土石混合體原位直剪試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對本場地抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值進(jìn)行了研究。

1? 邊坡概況

1）原位直剪試驗(yàn)時邊坡狀況

邊坡分為東側(cè)邊坡、南側(cè)邊坡兩段，大致呈“L”形，邊坡體主要由碎塊石、砂粒、黏性土組成，組成物極不均勻。邊坡分級削坡坡率約1∶1，無任何處治裸露時間為2—6個月，邊坡體已出現(xiàn)系列的邊坡病害病險問題，如圖1所示。東側(cè)邊坡的高度12.0～30.0 m，長度約350 m，該段邊坡局部多處形成小型崩塌病害；南側(cè)邊坡的高度19.0～45.0 m，長度約290 m，該段邊坡存在明顯雨水沖刷破壞的溝槽現(xiàn)象，呈欠穩(wěn)定狀態(tài)。

該堆填邊坡高度普遍大于20 m，且超一半坡段高度超30 m，超出《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》適用范圍（適用于土質(zhì)邊坡≤15 m），設(shè)計(jì)不能采用規(guī)范中坡率法（放坡法）進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算。邊坡坡腳距離高層住宅樓邊緣15～35 m，萬一發(fā)生滑坡會對高層建筑的墻體、柱梁等發(fā)生沖擊甚至致使建筑破壞，可能還會影響中下游城區(qū)的安全。

2）初步整治處理方案

該填土邊坡堆填物復(fù)雜、組分多變極不均勻，大多固結(jié)程度較差，且邊坡高度大，考慮到采用錨桿（索）錨固力小，不能有效發(fā)揮錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)性能，性價比低。經(jīng)專家論證擬采用不加支護(hù)的純放坡法（坡率法），輔助坡面綠化植草和地表截、排水，坡腳毛石壓腳護(hù)面的綜合整治方案。通過控制分級邊坡的高度和放坡的坡度，靠邊坡自身土體的自穩(wěn)性來保證整體邊坡的穩(wěn)定性。

2? 抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值方法

2.1? 邊坡巖土工程勘察

邊坡穩(wěn)定性計(jì)算所需的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，理論上很清楚也很明確，應(yīng)取邊坡體整個運(yùn)營期間最不利或分坡段最不利的最軟弱滑動面的抗剪強(qiáng)度值。但問題是有些技術(shù)人員對參數(shù)拿捏不準(zhǔn)，取值過大時會使邊坡失控失穩(wěn)，取值過小時又會偏離實(shí)際造成浪費(fèi)導(dǎo)致處治費(fèi)用過大。各方對抗剪參數(shù)爭議，出于以下原因：

1）組成該邊坡的巖土成分復(fù)雜。該邊坡巖土體主要為梧州市建筑棄土臨時堆放場（渣土場），后因項(xiàng)目場地開挖而形成堆填土高邊坡；物質(zhì)組成顆粒大小極不均勻，有強(qiáng)中風(fēng)化大塊石泥砂巖，也有殘沖積黏性土；邊坡體巖土成分來源復(fù)雜，坡體碎塊石含量普遍較高（15%～40%），堆填年代也長短不一（1～10 a），堆填方式基本未經(jīng)壓實(shí)，而是靠堆填時間自重固結(jié)密實(shí)，各區(qū)段的巖土滲透變化大導(dǎo)致雨季時水文地質(zhì)條件復(fù)雜，所以該L型邊坡體的巖性、固結(jié)程度和力學(xué)性質(zhì)差異大，具有很大的不確定性，邊坡填土體的強(qiáng)度變化大、均勻性極差、潛在軟弱滑面多。

2）由于坡體巖土成分的復(fù)雜性、多相性、不均勻性，勘察階段提供的抗剪強(qiáng)度參數(shù)是綜合標(biāo)貫試驗(yàn)、土工試驗(yàn)、鉆進(jìn)快慢、巖心形態(tài)等，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)給出的初步指標(biāo)。勘察報(bào)告給出的建議值難以反映坡體巖土體強(qiáng)度特征，數(shù)值來源不嚴(yán)謹(jǐn)、依據(jù)不足，具有推測性?？辈靾?bào)告建議值見表1。

3）滑動面（帶）、滑體、滑床三者的抗剪強(qiáng)度大小關(guān)系，滑動面<滑體<滑床，滑動面比滑動面之上滑體的抗剪強(qiáng)度要小，甚至小很多。勘察階段的勘察對象主要為潛在滑動面之上的滑體巖土體，而不是滑動面軟弱土質(zhì)，所以勘察階段所提供的參數(shù)，往往是結(jié)合簡易原位測試成果、室內(nèi)土工試驗(yàn)、鉆探巖心樣及鉆進(jìn)情況等的工程經(jīng)驗(yàn)推測值，難以代表土體中最不利滑動面的抗剪強(qiáng)度數(shù)值。

因此，為了更好解決上述參數(shù)爭議，獲取更準(zhǔn)確、更符合實(shí)際的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，邊坡勘察后又專門進(jìn)行了16組大型原位直剪試驗(yàn)，再綜合分析抗剪強(qiáng)度參數(shù)的取值。

2.2? 原位直剪試驗(yàn)

2.2.1? 現(xiàn)場原位直剪試驗(yàn)

原位直剪試驗(yàn)共進(jìn)行了9個浸水狀態(tài)試驗(yàn)點(diǎn)和7個天然狀態(tài)試驗(yàn)點(diǎn)，每個試驗(yàn)點(diǎn)（試坑）的試樣試驗(yàn)不少于3組，各試驗(yàn)點(diǎn)中各組試樣的強(qiáng)度參數(shù)、土樣含水率和濕密度如表2、表3所示，代表性1#試驗(yàn)點(diǎn)及2#試驗(yàn)點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變曲線、抗剪強(qiáng)度和垂直壓力曲線如圖2所示。表4為9組浸水狀態(tài)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，表5為7組原狀土試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

2.2.2? 室內(nèi)重塑土樣試驗(yàn)

液、塑限試驗(yàn)所用土樣采自現(xiàn)場原位直剪試驗(yàn)剪切破壞面處，重塑土樣與現(xiàn)場原狀土樣具有相同的濕密度，通過負(fù)壓抽氣法對土樣進(jìn)行飽和。所取土樣普遍含較多碎石，擊實(shí)試驗(yàn)土樣過2 cm的篩，而做液、塑限的土是細(xì)粒土，所有試驗(yàn)結(jié)果最優(yōu)含水率明顯低于塑限。

2.2.3? 多元線性逐步回歸分析法

雖然對該邊坡范圍進(jìn)行了16組（含9組浸水狀態(tài)）原位直剪試驗(yàn)，但仍然無法滿足工程處治設(shè)計(jì)所需的符合實(shí)際合理的抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值。為此，采用多元線性逐步回歸分析法，分析各指標(biāo)間關(guān)聯(lián)性，研究該堆填高邊坡土體的物理力學(xué)參數(shù)間的相關(guān)關(guān)系，建立強(qiáng)度參數(shù)和物理性質(zhì)參數(shù)間的相關(guān)方程，預(yù)測抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

對表2及表6進(jìn)行數(shù)據(jù)整理分析，獲得浸水土樣的物理力學(xué)參數(shù)，見表7。

使用SPSS軟件，以黏聚力為因變量，塑性指數(shù)、密實(shí)度、飽和度為自變量，進(jìn)行多元線性逐步回歸分析，獲得多元線性逐步回歸分析模型表（表8）、方差分析表（表9）和回歸方程式（1）。

（1）

式中，為黏聚力，為飽和度，為密實(shí)度。

由表8-9可知，逐步回歸分析獲得的模型相關(guān)系數(shù)R值為0.87，Sig值為0，說明具有高度的相關(guān)性，擬合程度較好。

運(yùn)用公式（1）可預(yù)測不同密實(shí)程度和飽和度下土的黏聚力。如密實(shí)度不變，飽和度分別取75%、80%、85%、90%和95%，相應(yīng)的黏聚力預(yù)測值及其統(tǒng)計(jì)量見表10。設(shè)計(jì)時填土的黏聚力可根據(jù)需要取下限值或最小值。

回歸分析結(jié)果顯示，內(nèi)摩擦角（）與塑性指數(shù)、濕密度、密實(shí)度、含水率、飽和度的相關(guān)性不明顯，這或許是由于測試塑性指數(shù)、濕密度、含水率、飽和度等指標(biāo)的土樣篩去了粗顆粒、改變了土樣的顆粒級配所致。

3? 結(jié)果與討論

3.1? 采用綜合法確定抗剪強(qiáng)度參數(shù)的可行性

1）邊坡設(shè)計(jì)穩(wěn)定性計(jì)算應(yīng)采用潛在的最軟弱面（帶）的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。現(xiàn)場直剪試驗(yàn)的剪切破壞面一般不是真正的邊坡土體最軟弱面，因?yàn)榛瑒用婢哂型茰y性、不確定性，其是邊坡治理后幾十年使用期內(nèi)出現(xiàn)的最軟弱面（帶）。

2）邊坡穩(wěn)定性計(jì)算中，抗剪強(qiáng)度參數(shù)的確定是有效處治邊坡的關(guān)鍵，如果所取抗剪強(qiáng)度參數(shù)脫離實(shí)際、脫離現(xiàn)場、拍腦袋隨意取值，就得不到符合邊坡治理要求的、經(jīng)濟(jì)合理的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

3）通過對16個點(diǎn)位的現(xiàn)場直剪試驗(yàn)成果分析，該邊坡各坡段土體力學(xué)性能極不均勻，現(xiàn)場直剪試驗(yàn)結(jié)果黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ離散性很大，如黏聚力c在飽和度95%下為8.06～24.12 kPa（變異系數(shù)達(dá)0.120）。

4）該堆填邊坡呈“L”形，長度大（長約650 m），各坡段高度12～45 m不等，各坡段填土物料組成和堆填時間各不相同。所以現(xiàn)場需要通過踏勘、地質(zhì)調(diào)查，把物理力學(xué)性質(zhì)相同或相類似的劃分為一個坡段，對各不同坡段提供針對性、代表性的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

綜上，本場地邊坡應(yīng)采用綜合方法確定抗剪強(qiáng)度參數(shù)，即結(jié)合現(xiàn)場直剪試驗(yàn)+室內(nèi)試驗(yàn)+多元線性回歸分析法+現(xiàn)場踏勘調(diào)查等綜合確定。

3.2? 該邊坡分段采取抗剪強(qiáng)度參數(shù)

根據(jù)試驗(yàn)成果、現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查、邊坡高度等，對該“L”形堆填高邊坡劃分3段即南側(cè)一段、南側(cè)二段、東側(cè)坡段，分別進(jìn)行邊坡設(shè)計(jì)及針對性工程處治，采用綜合法對3段邊坡的巖土參數(shù)取值見表11。

3.3? 邊坡治理效果分析

該填土高邊坡采用了本文第3.2節(jié)給出的抗剪強(qiáng)度參數(shù)值，采用坡率法通過調(diào)整和控制邊坡的高度和坡度進(jìn)行邊坡治理。最終東側(cè)坡段坡率設(shè)計(jì)為1∶2.5，南側(cè)一段坡率設(shè)計(jì)為1∶3.0，南側(cè)一段坡率設(shè)計(jì)為1∶3.5，輔助坡頂截水、坡面排泄水。整治邊坡已于2022年11月竣工驗(yàn)收，通過一年多時間使用及檢驗(yàn)，整個邊坡目前狀態(tài)良好。邊坡治理效果達(dá)到了甲方的預(yù)期治理目標(biāo)，優(yōu)化了原初步設(shè)計(jì)方案，減少了開挖土石方量，縮短了邊坡治理工期，節(jié)約了治理費(fèi)用達(dá)三千余萬元，取得了良好的社會效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。

4? 結(jié)論

1）通過堆填高邊坡勘察得到的抗剪強(qiáng)度參數(shù)是依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、鉆探巖心樣、鉆進(jìn)情況等主觀推斷的，不能良好反映出坡體的真實(shí)客觀情況。

2）該堆填高邊坡經(jīng)過16組原位直剪試驗(yàn)，其抗剪強(qiáng)度結(jié)果普遍較大，尤其是天然狀態(tài)試驗(yàn)結(jié)果。原位直剪試驗(yàn)存在的主要缺陷是很難找到邊坡土體最軟弱結(jié)構(gòu)面進(jìn)行剪切，優(yōu)點(diǎn)是原位試驗(yàn)?zāi)軌蚰M原型試驗(yàn)，獲得的力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)相對可靠，具有較好的參考借鑒價值。

3）邊坡若發(fā)生滑坡，都是沿著最不利的軟弱面（帶）滑動，故邊坡設(shè)計(jì)穩(wěn)定性計(jì)算采用的抗剪強(qiáng)度參數(shù)應(yīng)是推測的最軟弱面（帶）的參數(shù)，建議采用試驗(yàn)結(jié)果最低值且綜合考慮其他不利因素再進(jìn)行折減取值。

4）隨著土石混合體的含水率增加，黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ值逐漸降低，而且含水率變化對黏聚力的影響程度比對內(nèi)摩擦角大，當(dāng)含水率增大后黏聚力下降較快。故該邊坡設(shè)計(jì)的抗剪強(qiáng)度取值，對c 值采用SPSS軟件多元線性逐步回歸分析求得，對φ值采用原位直剪試驗(yàn)浸水狀態(tài)下的各坡段試驗(yàn)低值并進(jìn)行一定折減而得。

5）采用綜合分析法研究確定抗剪強(qiáng)度參數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場直剪試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，運(yùn)用SPSS軟件分析各指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)性和擬合度，結(jié)合現(xiàn)場邊坡地質(zhì)調(diào)查、工程經(jīng)驗(yàn)等，綜合整個邊坡具體實(shí)際的地質(zhì)條件的相同點(diǎn)、異同點(diǎn)，進(jìn)行邊坡分段設(shè)計(jì)，給出各段的抗剪強(qiáng)度c、φ值。

6）通過應(yīng)用綜合法確定的剪強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)踐證明能優(yōu)化邊坡設(shè)計(jì)、縮短邊坡治理工期、節(jié)約治理費(fèi)用，治理效果顯著，取得了良好的社會效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。

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