關于《建筑邊坡工程技術規范GB 50330-2013》的討論

記得前幾年在一次土動力學會議上，邀我作一個報告，于是就從道德經開始，“反者道之動，弱者道之用”，講了一通法家與道家的哲學。提出建筑不要一味加強、加固，以鐵柱鋼墻與強大的自然力對抗。而應順應自然，以柔克剛。介紹了世界上十余處加筋土結構在強地震中，從未發生結構性的破壞的案例。

報告后大家還比較認同。但多事者推薦到《世界地震工程》期刊，編輯來函告知：我刊是一份嚴肅的學術期刊，請把1000余字的哲學部分刪去。所以以后在“嚴肅的學術期刊”上再不敢胡說了，只好在網上聊聊過癮。

看到網上彭總邊坡規范的討論，這里獻上一篇嚴肅的論文，供批評指正。

0引言

《建筑邊坡工程技術規范 GB 50330-2013》[1]（以下簡稱《邊坡規范》或“該規范”）于2013年出版，2014年6月實施。與舊版比較，有一些進步。例如刪去了原版中不合理的動水壓力計算，采用了隱式的傳遞系數法，取消了工作條件系數等。但仍有一些不盡如人意之處，作為國家規范，它略顯粗糙；附圖中有一些未加說明的標注；一些公式也未交代清楚，給使用造成較大困難；還有一些概念上的錯誤，可能造成嚴重的后果。這里提出一些意見以供討論。

1.荷載與設計方法

1.1作用與效應

《工程可靠性設計統一標準(GB 50153-2008)》[2]指出，作用是“施加在結構上的集中力或分布力（直接作用，也稱荷載）和引起結構外加變形或約束的原因（間接作用）”?？梢?，荷載是狹義的作用，廣義的作用包括地震、凍脹、膨脹、濕陷、溫度等，它們會引起的結構的脹縮與內力。至于效應是“由作用引起的結構或結構構件的反應”。這個反應可包括內力和變形。按著這一標準，在近年來出版的建筑領域的規范都稱“作用組合的效應”。

《建筑結構荷載規范(GB 50009-2012)》[3]由于是荷載規范，所以講的是“荷載組合”，而非作用組合。稱為“荷載組合的效應”?？梢娫诮M合與效應的關系上二者是統一的，即先是作用（荷載）的組合，然后才是效應?？衫斫鉃樽饔茫ê奢d）先按一定的規定組合，然后計算這種組合下的結構（構件）上的力或變形，它通過結構傳到巖土中。

但頒布于2013年的新版《邊坡規范》還是沿用“荷載效應的組合”，顯然不合時宜。作為國家規范，這種滯后也是難以理解的。

1.2安全系數法與分項系數法

所謂安全系數法亦稱“單一安全系數法”。它是將工程中包含的一切不確定性因素，都放入單一的安全系數之中。安全系數的取值往往是根據以往的經驗。這些不確定性包括作用（荷載）的參數、材料的性質、計算與施工的精確性與可靠性，也包括政治、經濟、環境和社會的各種條件與要求?？梢哉f，安全系數是個筐，一切不確定性都往里裝。因而就無需再引入其他系數了，例如重要性系數、工作條件系數、折減系數等。所以說新版《邊坡規范》取消了工條件系數，而規定臨時工程的安全系數小一些，這是符合安全系數法的基本概念的。

基于可靠度理論的分項系數法是將荷載與與抗力都當成隨機變量，那么失效或破壞也就是隨機事件。它是將荷載與抗力的不確定性分別考慮的。

以圖1為例，兩組荷載(S)與抗力(R)都是正態分布，荷載與抗力的均值相同，但變異系數不同，第一組的分布較為集中，離散較小，因而發生失效(S>R)的概率就較?。ㄒ妶D中的陰影面積）。在可靠度設計中主要的參數是可靠度指標，如果=3，則表明失事的概率約為萬分之三(3/10000)。分項系數是根據變量的概率分布形態經統計分析而得到的，它與可靠度指標和變異系數的關系可寫為

式中 分別為抗力與和荷載的分項系數[4]。

圖1.兩組荷載與抗力的概率密度函數曲線

《建筑工程可靠性設計統一標準(GB 50068-2001)》[5]指出：“制定建筑結構荷載規范及鋼結構、薄壁鋼結構、混凝土結構、砌體結構、木結構設計規范應遵守本標準的規定；制定地基基礎和建筑抗震等設計規范，宜遵守本標準的原則?！彼栽趲r土工程的有關規范中，凡與巖與土有關的設計，一般均用安全系數法；而只涉及到鋼材、混凝土與砂漿等材料時則采用分項系數法。例如對于錨桿（索）的設計，《建筑地基基礎設計規范(GB 5007-2011)》[6]，《建筑基坑支護設計規范(JGJ 120-2012)》[7]等都規定，在鋼筋(索)抗拉、筋材與砂漿間的抗拔采用分項系數法；而錨固體與巖土間的抗拔，則采用安全系數法。

新版的《邊坡規范》把這三種承載力問題統一使用安全系數法。例如其中的8.2.2條的式8.2.2-1為   

式中：As——錨桿鋼筋或預應力錨索截面面積（）；

fy——普通鋼筋抗拉強度設計值（kPa）；

Kb——錨桿桿體抗拉安全系數。

這里就是把鋼筋的抗拉按安全系數法計算，這是不合理的。更不合理的是這里的抗力采用了鋼筋抗拉強度的設計值。如上所述，由于安全系數是包含了所有不確定性的參數，因而抗力應取極限抗力的標準值，可是上式使用的是設計值，二者的關系為

以HRB400鋼筋為例，其抗拉強度標準值為fk=400MPa，設計值為fy=360MPa，亦即其抗力分項系數為G=0.9。從而可見，式(2)即《邊坡規范》的式8.2.2-1是把安全系數與分項系數混合使用，似乎安全系數Kb只負責荷載的不確定性。這在原理與概念上是不對的。應當用鋼筋的標準值，在同樣的安全度情況下，可以適當增大安全系數。

2.擋土墻上的主動土壓力計算

《邊坡規范》提出了一系列主動土壓力半經驗的計算公式，但存在不少問題。

2.1墻背俯傾的情況

在該規范的6.2.10中，給出了圖2的有俯傾式墻面的土壓力計算公式。表示為為式6.2.10-2和式6.2.10-3，即本文中的式(3)和式(4)。

問題是這里未交代計算的主動土壓力的方向，如果假設墻背光滑，則主動土壓力Ea垂直于墻背，如圖2所示，那么驗算墻的抗傾覆與抗滑移穩定時，其荷載要比Ea水平時增大，或者抗力減小。這是必須明確的

圖2 墻背俯傾的情況

2.2墻頂填土傾斜的情況

該規范的B.0.3中，給出了圖3的有墻頂填土傾斜時的土壓力計算公式。為式B.0.3-1，即本文的式(5)。

圖3 墻頂填土傾斜情況

這個公式來源于無限斜坡的朗肯土壓力計算[8]，除了墻背豎直光滑、填土水平以外，這是一種很少見的可以得到朗肯主動土壓力理論解的情況，見圖4。其理論解就是

但其必要條件是墻背與土間的摩擦角。即計算的主動土壓力方向必須是平行于坡面的。

圖4無限斜坡的朗肯土壓力

可是在《邊坡規范》中的附圖中（見圖3）表示，主動土壓力似乎是水平的，亦即墻背是光滑的。這樣式(5)或式(6)就不適用了。

以圖4中所示的參數為例，用該規范計算的主動土壓力(水平向)系數為Ka=0.866，這時重力式擋土墻的抗傾覆穩定安全系數為Fs=1.0；用庫倫理論計算的主動土壓力(水平向，)系數為Ka=0.75，抗傾覆穩定安全系數為Fs=1.155；用朗肯理論計算的主動土壓力平行于坡面，Ka=0.866，水平土壓力系數Kax=0.75，豎直土壓力系數Kay=0.5?？箖A覆穩定安全系數為Fs=2.38?？够品€定的情況也類似。

從以上計算可見，這種朗肯理論的誤用。是安全系數減少了一倍多。類似的情況也存在于B.0.3-2，B.0.3-3和B.0.4等附錄中，所以主動土壓力的方向非常重要。

其實不管墻后的填土形式多么復雜，采用庫倫土壓力理論進行計算都沒有問題。因為計算機已經完全普及，建立一個搜索具有最大土壓力的滑動面的軟件是輕而易舉的，又何必羅列了這么多完全不適用、不合理、華而不實的“半經驗公式”呢？

3.邊坡穩定分析中的孔隙水壓力、重度與強度指標

邊坡穩定分析中的參數的選用甚至是比計算理論與方法更重要，可是《邊坡規范》在這方面存在一些多不足與錯誤。

3.1孔隙水壓力

該規范建議使用簡化比肖甫法進行圓弧滑動面的穩定分析是一個進步，尤其是在有較大孔隙水壓力的情況。在其公式A.0.1中

孔隙水壓力Ui的計算式為

式中計算條塊滑面前端水頭高度（m）。這一計算對于靜水下的土坡是明確的，如圖5(a)所示。這時水位以下的Gi按浮重度計算更方便合理，無需引入孔隙水壓力Ui。而在有滲流的情況下（如圖5(b)），則應按此條底部中點的等勢線的水頭hwi計算孔隙水壓力，亦即。

圖5 有水邊坡的穩定分析

3.2邊坡穩定分析中的“水土合算”

在《邊坡規范》的4.3.5條文中指出“土質邊坡按水土合算原則計算時，地下水位以下宜采用土的飽和自重固結不排水抗剪強度指標”。

“水土合算”本來是基坑支護上的土壓力計算的一種經驗算法，由于它不符合有效應力原理，歷來爭議不斷。在基坑問題中，由于特殊的應力路徑，屬于一種誤打誤撞的經驗算法[9]。其主要特點是在靜水以下，采用土的飽和重度和固結不排水強度指標計算土的主動土壓力。而在邊坡穩定分析中用所謂“水土合算”就十分荒謬了[10]。

圖6 水下邊坡的穩定分析

對于這種圓弧穩定計算，采用固結不排水 (或者固結快剪) 強度指標，“固結”是在原位的的有效應力作用下的固結，而不是在下的固結。以圖6為例，如果正常固結的地基土層是在與地面齊平的地下水情況下沉積的，那么M點土體在自然的情況下的固結壓力為。如果很快地開挖出圖示的邊坡，則其抗剪強度為。所以在這種情況下，抗滑力矩應當用土的浮重度計算，而不是用飽和重度計算。在杭州地鐵一號線湘湖站基坑工程事故中，設計采用的 ④2,⑥1兩層淤泥質土的飽和重度平均為, 平均固結快剪強度指標：。采用飽和重度計算抗滑力矩，這比用浮重度高2.4倍。這可能是事故的原因之一。

4.結論

本文對于新版的《邊坡規范》提出了一些意見，他們包括：

(1)規范中“荷載效應的組合”的提法是一種過時的提法，目前建筑行業的規范都已改為“作用組合的效應。

(2)在錨桿設計中，抗拉和從砂漿中抗拔計算以使用分項系數法為宜；即使使用安全系數法，其抗力也應使用極限抗力的標準值，而非設計值。

(3)該規范中推薦的一些計算主動土壓力的公式，沒有明確土壓力的作用方向，將無限斜坡的朗肯主動土壓力計算公式用來計算幾種墻后填土傾斜的公式是有前提的，即主動土壓力方向與斜坡面平行。

(4)該規范在土坡穩定分析中提出的“水土合算”是錯誤的和有害的。

參考文獻：

[1] 建筑邊坡工程技術規范[S]. GB 50330-2013, 北京：中國建筑工業出版社，2013.

[2] 工程可靠性設計統一標準[S]. GB 50153-2008, 北京：中國建筑工業出版社，2008.

[3] 建筑結構荷載規范[S]. GB 50009-2012, 北京：中國建筑工業出版社，20012.

[4] 周景星。李廣信等, 基礎工程(地3版)[M]. 北京：清華大學出版社，

[5] 建筑工程可靠性設計統一標準[S]. GB 50068-2001, 北京：中國建筑工業出版社，2001..

[6] 建筑地基基礎設計規范[S].GB 50007-2011, 北京：中國建筑工業出版社，2011.

[7] 建筑基坑支護技術規程[S]. JGJ 120—2012，北京：中國建筑工業出版社，2012.

[8] 李廣信，張丙印。于玉貞，土力學.[M]. 北京：清華大學出版社，2013.

[9] 李廣信. 對基坑工程有關規范的討論(2)[J]，工程勘察41（10）：1-6.

[10] 李廣信. 對基坑工程有關規范的討論(3)[J]，工程勘察41（11）：1-4.