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贵州边坡工程边坡工程安全等级的划分及应用

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贵州边坡工程边坡工程安全等级的划分及应用

发布日期:2017-12-22 00:00 来源:http://www.cybbyy.com 点击:

边坡工程安全等级的划分及应用



贵州边坡工程目前边坡工程安全等级划分与应用存在安全等级级数不清、安全等级划分困难、安全等级变化不连续、同一地段安全等级有两个、安全等级应用范围不足、安全等级应用不规范、高于一级的安全等级无法应用等问题。对此进行了分析并建议:①边坡工程安全等级、破坏后果严重性、坡顶建(构)筑物重要性划分原则与不位于坡顶的房屋等其它建设工程一致;②通过稳定性计算确定边坡抗失稳支护力和放坡所用稳定坡率;③重力式挡墙抗滑移和抗倾覆稳定安全系数与地基承载安全系数对不同安全等级取不同值;锚杆设计计算中各种强度均采用标准值。

0 引言

边坡工程安全等级事关边坡工程的安全可靠和经济合理,其合理划分和应用有重要意义。目前,边坡工程安全等级的划分规则是【1】:(1)一般按表1确定;(2)对由外倾软弱结构面控制或处于工程滑坡地段或塌滑区内有重要建(构)筑物的边坡,当破坏后果很严重、严重时,直接定为一级。

表1 边坡工程安全等级

 表1          边坡工程安全等级

注:1.一个边坡工程的各段,可根据实际情况采用不同的安全等级;

2.对危害性极严重、环境和地质条件复杂的特殊边坡工程,其安全等级应根据工程情况适当提高;

3.破坏后果很严重指造成重大人员伤亡;破坏后果严重指可能造成人员伤亡或财产损失;破坏后果不严重指可能造成财产损失。

本文对边坡工程安全等级划分与应用存在的问题进行分析并提出建议。

1 边坡工程安全等级划分存在的问题及建议

1.1 边坡工程安全等级划分表的形式

就表1而言,从形式上看,边坡工程安全等级由破坏后果严重性、坡高和边坡类型共同决定,但实际上,边坡工程安全等级完全由破坏后果严重性决定,二者具有一一对应的关系:破坏后果很严重时安全等级为一级,破坏后果严重时安全等级为二级,破坏后果不严重时安全等级为三级。在表1中坡高和边坡岩体类型只对确定破坏后果严重性有影响:边坡岩体类别为Ⅲ或Ⅳ类且坡高大于15m和土质边坡坡高大于10m时不存在破坏后果不严重的情况。可见表1的形式与内容是矛盾的。

付文光等人认为【2】:表1有缺项,高度大于15m小于或等于30m、破坏后果不严重的岩质边坡与高度大于10m小于或等于15m、破坏后果不严重的土质边坡,工程安全等级无法确定。根据上述可知,这是对表1的误解。显然,这种误解是由表1的形式不规范造成的。

为此,建议将表1中只对确定破坏后果严重性有影响而不是安全等级判定因素的坡高和边坡岩体类型删除,使边坡工程安全等级与破坏后果严重性一一对应。

1.2 边坡类别在边坡工程破坏后果严重性划分中的作用

边坡类别与边坡工程破坏后果严重性无对应关系,同等条件下,类别低的边坡,破坏后果不一定就严重;类别高的边坡,破坏后果不一定就不严重,因为:(1)边坡受外倾结构面控制时,破坏范围与影响范围和外倾结构面性状有关而与边坡类别无关;(2)边坡受岩土体强度控制时,虽然破坏范围与影响范围和岩土体类别有关(类别越低,破坏范围与影响范围越大),但破坏后果严重性与破坏范围及影响范围无对应关系(无论破坏范围及影响范围大小如何,只影响绿化带的破坏后果都是不严重的)。边坡工程属于地质灾害防治工程,其破坏后果严重性与边坡类别无关而完全取决于受其影响的保护对象重要性,如同滑坡治理工程破坏后果严重性与滑坡是土质滑坡还是岩质滑坡无关而完全取决于受其影响的保护对象重要性一样。在考虑边坡类别的情况下,边坡工程破坏后果严重性划分将出现困难:对边坡岩体类别为Ⅲ或Ⅳ类且坡高大于15m和土质边坡坡高大于10m的情形,根据表1,判为破坏后果不严重时应改为破坏后果严重;判为破坏后果严重时是否改为破坏后果很严重则不得而知。这将导致边坡工程安全等级划分出现困难。因此,将边坡类别作为边坡破坏后果严重性的判定因素是不合适的,建议不将边坡类别作为边坡破坏后果严重性的判定因素。

1.3 坡高在边坡工程破坏后果严重性划分中的作用

坡高与边坡破坏工程后果严重性无对应关系,同等条件下,高度大的边坡,破坏后果不一定就严重;高度小的边坡,破坏后果不一定就不严重。虽然在相同条件下破坏范围与影响范围和坡高有关(坡高越大,破坏范围和影响范围越大),但破坏后果严重性与破坏范围及影响范围无对应关系(无论破坏范围及影响范围大小如何,只影响绿化带的破坏后果都是不严重的)。边坡工程属于地质灾害防治工程,其破坏后果严重性与其自身高度无关而完全取决于受其影响的保护对象重要性,如同滑坡治理工程破坏后果严重性与滑坡体厚度、前后缘高差无关而完全取决于受其影响的保护对象重要性一样。在考虑坡高的情况下,边坡工程破坏后果严重性划分将出现困难:对边坡岩体类别为Ⅲ或Ⅳ类且坡高大于15m和土质边坡坡高大于10m的情形,根据表1,判为破坏后果不严重时应改为破坏后果严重;判为破坏后果严重时是否改为破坏后果很严重则不得而知。这将导致边坡工程安全等级划分出现困难。因此,将坡高作为边坡破坏后果严重性的判定因素是不合适的,建议不将坡高作为边坡破坏后果严重性的判定因素。

高度大于30m的岩质边坡工程和高度大于15m的土质边坡工程及与此相当的土岩组合边坡工程,多年来视为超出相关标准高度限值的边坡工程,数量相对较少,设计经验相对不多。为慎重起见,暂时可将其安全等级提高一级。随着设计经验的积累,以后可以将这两个坡高起点值逐渐提高。

1.4 外倾软弱结构面在边坡工程安全等级划分中的作用

对由外倾软弱结构面控制的边坡,当破坏后果很严重、严重时,工程安全等级定为一级的规则意味着:对由外倾软弱结构面控制的边坡,当破坏后果严重时,工程安全等级提升一级。这是没有道理的:

1.外倾软弱结构面与外倾硬性结构面相比,只是强度低一些(就像外倾硬性结构面这个群体内部强度也有很大差别一样),边坡破坏范围有可能(但不一定)大一些(就像外倾硬性结构面这个群体内部破坏范围也可以有很大差别一样),工程安全等级本来就是由工程破坏后果严重性决定的,在破坏后果严重性已经明确定为严重而未提高到很严重时,为何相应边坡工程安全等级要提升一级呢?

2.根据表1,对由外倾软弱结构面控制的边坡,当破坏后果不严重时,工程安全等级仍定为三级而未提高到二级。可见,上述规则还造成由外倾软弱结构面控制的边坡工程,其安全等级不是一级就是三级,缺二级的谬误。

3.土体中也有抗剪强度指标与外倾软弱结构面抗剪强度指标相当的土体。如果对破坏后果严重且由外倾软弱结构面控制的边坡,工程安全等级需提升一级,那么,对破坏后果严重且抗剪强度指标与外倾软弱结构面抗剪强度指标相当的土质边坡,工程安全等级也应提升一级,但根据表1,对破坏后果严重的土质边坡,工程安全等级为二级。可见,上述规则与表1是矛盾的。

建议:不将边坡是否受外倾软弱结构面控制作为边坡工程安全等级的判定因素,明确规定边坡工程安全等级由边坡工程破坏后果严重性决定,这也是整个土木工程界的常规做法。

1.5 工程滑坡在边坡工程安全等级划分中的作用

对处于工程滑坡地段的边坡,当破坏后果很严重、严重时,工程安全等级定为一级的规则意味着:对处于工程滑坡地段的边坡,当破坏后果严重时,工程安全等级提升一级。这是没有道理的:

1.处于工程滑坡地段的边坡与处于其它地段的边坡相比,只是多一个或几个位置较明确的强度较低的既有滑面,破坏范围有可能(但不一定)大一些,工程安全等级本来就是由工程破坏后果严重性决定的,在破坏后果严重性已明确定为严重而未提高到很严重时,为何相应边坡工程安全等级要提升一级呢?

2.根据表1,对处于工程滑坡地段的边坡,当破坏后果不严重时,工程安全等级仍定为三级而未提高到二级。可见,上述规则还造成处于工程滑坡地段的边坡工程,其安全等级不是一级就是三级,缺二级的谬误。

存在类似谬误的还有另一部国标【3】。它根据受滑坡影响的建筑物地基基础设计等级确定滑坡稳定安全系数,对甲级取1.30,对乙级取1.20,对丙级取1.10。但地基基础设计等级又受场地复杂程度影响,在建筑物受滑坡影响的情况下,场地属于复杂场地。因此,地基基础设计等级不存在丙级。这样,对丙级取1.10的规定无执行对象【4】。这就出现两个问题:既然无执行对象,何必做出此规定;其它工程均有三个安全等级,唯独滑坡治理工程仅由两个安全等级,合适吗?

建议不将边坡是否处于工程滑坡地段作为边坡工程安全等级的判定因素,明确规定边坡工程安全等级由边坡工程破坏后果严重性决定,这也是整个土木工程界的常规做法。

1.6 坡顶建(构)筑物重要性分级

塌滑区内有重要建(构)筑物时边坡工程安全等级定为一级的做法本是十分正常的【因为“重要”是建(构)筑物重要性分级中的最高级】,问题是:依据相关标准,坡顶破坏后果很严重和严重的建(构)筑物均列为坡顶重要建(构)筑物【1】,这意味着坡顶破坏后果严重(而非很严重)的建(构)筑物也是坡顶重要建(构)筑物,相应边坡工程安全等级也是一级。这是没有道理的:

1.坡顶建(构)筑物与其它建(构)筑物相比,只是位置在坡顶而已,工程安全等级本来就是由工程破坏后果严重性决定的,在破坏后果严重性已明确定为严重而未提高到很严重时,为何相应边坡工程安全等级要提升一级呢?

2.坡顶破坏后果不严重的建(构)筑物,其重要性等级仍定为三级并未提高到二级。这样,上述规则就造成仅在坡顶有建(构)筑物的边坡工程,其安全等级不是一级就是三级,缺二级的谬误。

3.对应于坡顶破坏后果严重(而非很严重)的建(构)筑物,边坡工程安全等级提高一级与该建(构)筑物本身上部结构设计时其重要性等级没有提高到一级是矛盾的。

4.对应于坡顶破坏后果严重(而非很严重)的建(构)筑物,边坡工程安全等级提高一级与该建(构)筑物本身基础设计时其重要性等级没有提高到一级是矛盾的。

建议:不将坡顶破坏后果严重(而非很严重)的建(构)筑物列为坡顶重要建(构)筑物,坡顶建(构)筑物重要性分级同不位于坡顶的建(构)筑物重要性分级一样由破坏后果严重性决定,二者一一对应。重要的是,当坡顶有建(构)筑物时,应同时按平地地基和边坡地基进行承载力验算和变形控制。关于边坡地基承载力验算和变形控制方法,笔者已另文【5,6】论述。

1.7 边坡工程破坏后果严重性划分标准

表1注解3提供了边坡工程破坏后果严重性的划分标准,它存在下列问题:

1.一种破坏后果同时有两个严重性等级。“可能造成财产损失”这种破坏后果,既是严重,又是不严重,这就造成同一地段边坡工程安全等级有两个的谬误。因建(构)筑物一旦损坏必然造成财产损失,当把破坏后果定为严重时,按目前坡顶重要建(构)筑物的判别标准【破坏后果严重的坡顶建(构)筑物是坡顶重要建(构)筑物】,所有坡顶建(构)筑物都是坡顶重要建(构)筑物。这就造成“坡顶建(构)筑物”与“坡顶重要建(构)筑物”两个概念的混乱。

2.造成边坡工程安全等级标准过严。当工程重要性分为重要、一般和次要时,在房屋工程中,7层以下一般视为次要工程;但在边坡工程中,7层以下房屋位于坡底时因其损坏可能造成人员伤亡(对应破坏后果为严重)而划为一般工程,7层以下房屋位于坡顶时因其损坏可能造成人员伤亡(对应破坏后果为严重,而坡顶破坏后果严重的建筑物划为坡顶重要建筑物)而是重要工程。显然,边坡工程安全等级与房屋等其它建设工程安全等级划分标准差别过大,边坡工程安全等级划分标准过严。这是不必要的,因为房屋工程中上部结构的直接破坏同样会造成人员伤亡、基础或平地地基的破坏同样会导致建(构)筑物的直接破坏。

建议边坡工程破坏后果严重性划分标准与房屋等其它建设工程破坏后果严重性划分标准一致。

1.8 边坡工程安全等级级数

根据表1注解2,边坡工程可以有高于一级的安全等级。这一规则导致边坡工程安全等级级数不清。级数是自然数,其数字不能连续变化,按“适当提高”的说法,边坡工程安全等级在一级之上可以有特一级、特二级、……,等等,但在一级之上到底有几级是不清楚的,也就是说,边坡工程安全等级共有几级是不清楚的。

房屋等其它建设工程安全等级级数为三级,目前在工程实践中,房屋最大高度远大于建筑边坡高度,边坡工程在一级之上划分出新的安全等级是不必要的。建议边坡工程安全等级采用三级制,不设立超出一级的安全等级。

1.9 边坡工程在一级之上的安全等级划分标准

在不清楚一级之上有几级的情况下,相应划分标准必然无法制定。此时,在某种条件下高于一级的边坡工程安全等级无法划分,在一级基础上提高后的安全等级(如:特一级或特二级)是否“适当”无法判定。建议边坡工程安全等级采用三级制,不设立超出一级的安全等级,在采用三级制情况下,边坡工程在一级之上的安全等级划分标准缺乏的问题便不复存在。

2 边坡工程安全等级应用存在的问题及建议

边坡工程安全等级的应用存在下列问题:

1.应用范围不足。

(1)位于平地上、非软弱地基、无软弱结构面、墙背与墙面为直线形的重力式挡墙断面尺寸满足抗滑移和抗倾覆稳定性、地基承载和地基抗变形要求即可,而相关标准中的抗滑移和抗倾覆稳定安全系数对不同安全等级是同一值(分别为1.3和1.6)、地基承载安全系数对不同安全等级也是同一值(因采用地基承载力特征值概念),因此,其断面设计与边坡工程安全等级无关。这与锚喷、锚杆挡墙断面设计区分安全等级的做法是矛盾的。

(2)为满足抗滑稳定性要求而按相关标准中坡率允许值表进行放坡的坡率也与安全等级无关,因为坡率允许值表中的稳定坡率未与安全等级联系起来。这与有外倾软弱结构面的岩质边坡、土质较软的边坡、坡顶边缘附近有较大荷载的边坡、高度超过坡率允许值表适用范围的边坡通过稳定性计算确定放坡坡率的做法是矛盾的,因为在后一做法中,相应坡率的边坡是否达到稳定的判断是以稳定系数是否不小于稳定安全系数为标准的,而不同安全等级有不同的边坡稳定安全系数。

(3)对坡顶无建(构)筑物的土质边坡而言,支护结构岩土荷载计算时,不要求按土体等效内摩擦角计算土压力,也不要求计算静止土压力,只要求按土体粘聚力和内摩擦角计算主动土压力。在这种情况下,当主动土压力小于或等于0时,边坡无需进行支护。此即这类边坡无需进行支护的条件,因主动土压力大小与安全等级无关,故这类边坡无需进行支护的条件也与安全等级无关。

2.安全等级在锚杆设计计算中的应用不规范。锚杆设计计算采用单一安全系数法,锚杆杆体抗拉安全系数和锚杆锚固体抗拔安全系数对不同安全等级采用不同值,但在锚杆抗拉强度验算和钢筋、钢绞线与砂浆粘结强度验算中钢筋、钢绞线抗拉强度及其与砂浆粘结强度均采用了设计值。众所周知,采用单一安全系数法进行强度(或承载力)验算时,荷载和强度(或承载力)均应采用标准值。因此钢筋、钢绞线抗拉强度及其与砂浆粘结强度采用设计值是不正确的【7】。

3.高于一级的安全等级除边坡稳定安全系数外无应用领域。确定边坡工程支护结构重要性系数、确定锚杆杆体抗拉安全系数和锚固体抗拔安全系数、确定立柱嵌入深度增大系数、划分边坡工程勘察等级、划分进行锚杆基本试验的边坡工程范围、划分进行动态设计和信息化施工的边坡工程范围时均只针对安全等级为一二三级的边坡工程提出要求,未对安全等级高于一级的边坡工程提出要求。

4.边坡稳定安全系数提高条件与边坡工程安全等级提高条件不一致。根据表1注解2,边坡工程安全等级应在一级基础上适当提高的条件是:危害性极严重、环境和地质条件复杂;根据相关标准,边坡稳定安全系数在对应一级的稳定安全系数基础上适当提高的条件是:破坏后果极严重或地质条件很复杂【1】。显然二者是不一致的。前者包含“环境条件复杂”但不要求“地质条件很复杂”;后者不包含“环境条件复杂”但要求“地质条件很复杂”。

5.当需要提高稳定安全系数时稳定系数是否满足要求无法评判。对地质条件很复杂或破坏后果极严重的边坡工程,稳定安全系数提高值是多少无从查取。这导致相应边坡稳定系数是否满足要求无法评判。例如:某地质条件很复杂或破坏后果极严重的永久边坡,其一般工况下稳定系数为1.36,因相应稳定安全系数不是(而大于)1.35但具体数据未知,该边坡稳定系数是否满足要求无法评判。边坡稳定安全系数是边坡稳定系数的阈值,稳定系数达到稳定安全系数时,边坡不需要进行抗失稳支护,稳定系数未达到稳定安全系数时,边坡需要进行抗失稳支护。当边坡稳定系数是否满足要求无法评判时,是否需要进行抗失稳支护也就无法判断。

建议:

1.边坡工程安全等级明确采用三级制,不设立超出一级的安全等级。这样做既解决了高于一级的安全等级除边坡稳定安全系数外无应用领域、边坡稳定安全系数提高条件与边坡工程安全等级提高条件不一致、当需要提高稳定安全系数时稳定系数是否满足要求无法评判等问题,也与其它建设工程安全等级采用三级制的做法一致。

2.采用边坡稳定性计算的反算方法计算边坡抗失稳支护结构岩土荷载(即抗失稳支护力)【8】。这样算出的抗失稳支护力是使稳定系数刚好等于稳定安全系数的抗失稳支护力,而不同安全等级有不同稳定安全系数。这样做解决了坡顶无建(构)筑物土质边坡无需支护的条件与边坡工程安全等级无关的问题。

3.为满足稳定性要求而放坡的坡率通过边坡稳定性计算来确定【9】。因不同安全等级有不同稳定安全系数,这样做解决了按坡率允许值表放坡的稳定坡率与边坡工程安全等级无关的问题。

4.重力式挡墙抗滑移和抗倾覆稳定安全系数对不同安全等级取不同值;改地基竖向和水平承载力特征值为地基竖向和水平极限承载力标准值与支护结构地基承载安全系数之商,地基承载安全系数对不同安全等级取不同值。这样做解决了部分支护结构截面设计与边坡工程安全等级无关的问题。

5.锚杆设计计算中钢筋、钢绞线抗拉强度及其与砂浆粘结强度均采用标准值【7】。

上述建议解决了目前边坡工程安全等级应用存在的全部5个问题。

3 结语

1.目前边坡工程安全等级划分存在下列问题:①贵州边坡工程安全等级划分表形式与内容矛盾,易引起划分表有缺项的误解;②边坡工程破坏后果严重性划分考虑了无必然联系的边坡类别和坡高,导致边坡工程安全等级划分出现困难;③边坡工程安全等级划分考虑了是否由外倾软弱结构面控制、是否处于工程滑坡地段,导致由外倾软弱结构面控制或处于工程滑坡地段的边坡工程安全等级只有一、三级而无二级;④将坡顶破坏后果严重(而非很严重)的建(构)筑物划入坡顶重要建(构)筑物,导致坡顶有建(构)筑物的边坡工程安全等级只有一、三级而无二级;⑤将可能造成财产损失同时作为边坡工程破坏后果严重和不严重的评定标准,导致同一地段边坡工程安全等级有两个;⑥边坡工程安全等级允许在一级基础上适当提高,导致边坡工程安全等级级数不清和一级之上安全等级划分标准缺乏。

2.边坡工程安全等级应用存在下列问题:①一些支护结构截面、按坡率允许值表放坡的稳定坡率、坡顶无建(构)筑物土质边坡无需支护的条件与边坡工程安全等级无关,导致相关设计与边坡稳定性评价规则矛盾;②安全等级在锚杆设计计算中的应用不规范;③高于一级的安全等级除边坡稳定安全系数外无应用领域;④边坡稳定安全系数提高条件与边坡工程安全等级提高条件不一致;⑤当需要提高稳定安全系数时稳定系数是否满足要求无法评判。

3.建议:①边坡工程安全等级采用三级制,不设立超出一级的安全等级;②明确要求边坡工程安全等级由边坡工程破坏后果严重性决定,二者一一对应;不考虑边坡是否由外倾软弱结构面控制、是否处于滑坡地段;鉴于高度大于30m的岩质边坡工程和高度大于15m的土质边坡工程及与此相当的土岩组合边坡工程,多年来视为超出相关标准高度限值的边坡工程,暂将其为二三级的安全等级提高一级,随着设计经验的积累,以后将坡高起点值逐渐提高;③边坡工程破坏后果严重性划分不考虑边坡岩体类别和坡高;④坡顶建(构)筑物重要性划分与不位于坡顶的建(构)筑物一致,同时按平地地基和边坡地基进行承载力验算和变形控制;⑤边坡工程破坏后果严重性划分原则与房屋等其它建设工程一致;⑥通过稳定性计算确定边坡抗失稳支护结构岩土荷载(即抗失稳支护力)和放坡时所采用的稳定坡率;⑦重力式挡墙抗滑移和抗倾覆稳定安全系数对不同安全等级取不同值;⑧改地基竖向和水平承载力特征值为地基竖向和水平极限承载力标准值与支护结构地基承载安全系数之商,地基承载安全系数对不同安全等级取不同值;⑨锚杆设计计算中钢筋、钢绞线抗拉强度及其与砂浆粘结强度均采用标准值。

4.实施边坡处理不仅要保证边坡安全,还要保证边坡不产生过大变形以保障坡上建筑物正常使用且避免产生不安全感,故边坡工程勘察设计时区分的工程等级实际上是重要性等级而不是安全等级;采用分项系数法进行支护结构计算时所用系数是重要性系数而不是安全性系数;众多标准采用的工程等级也是重要性等级而不是安全等级。因此,贵州边坡工程建议将边坡工程安全等级改称为边坡工程重要性等级。



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