边坡工程中岩土参数的分析与选取

1）岩土参数的可靠性和适用性

边坡岩土参数可通过试验、规范和地区经验获得，岩土参数的分析和选定是边坡工程计算和分析评价的基础，它直接关系评价的合理性和设计计算的可靠性。边坡岩土参数可分为两类：一类是评价指标，用以评价岩土的工程地质性状，作为鉴定类别、地层岩土分析的主要依据；另一类是计算指标，用以岩土工程计算，分析预测岩土体在各种工况下的力学行为和变化趋势，并指导施工和监测。边坡工程对这两类岩土参数的基本要求是可靠性和适用性。可靠性是指参数能正确反映岩土体在规定条件下的性状，能较准确地估计参数真值所在的区间；适用性是指参数能满足岩土工程设计计算的假设条件和计算精度要求。岩土工程勘察报告应对主要参数的可靠性和适用性进行分析，并在此基础上选定所需参数。

岩土参数的可靠性和适用性受很多因素的影响，根据已有资料分析其在很大程度上取决于岩土体的受扰动程度和试验标准。岩土体的受扰动程度取决于取样器和取样方法的问题；试验标准决定拟采取的试验方法和取值标准问题，故岩土参数的可靠性和适用性也涉及此两个问题。

通过采用不同取样器和取样方法、不同试验方法和取值标准进行对比试验，对不同的土体，采用不同的取样方法，发现凡是由结构扰动较大强度降低得多的土，其数据的离散性也显著增大。对同一土层的同一指标，采用不同的试验方法和标准进行试验，发现所获数据差异很大。因此，在进行岩土计算时，不仅要分析岩土参数的数据，而且要了解数据获取过程（即取样和试验方面的问题），从而对岩土参数的可靠性和适用性进行评价。

《岩土工程勘察规范（2009年版）》（GB 50021—2001）指出，岩土参数应根据工程特点和地质条件选用，并按下列内容评价其可靠性和适用性：

①取样方法和其他因素对试验结果的影响。

②采用的取样方法和取值标准。

③不同测试方法所得结果的分析比校。

④测试结果的离散程度。

⑤测试方法与计算模型的配套性。

2）岩岩土参数的统计分析

由于岩土体具有非均质性、不连续性和各向异性等特点，测定岩土参数的取样工具、取样方法、试验方法及试验条件等不同，在一定条件下进行试验，并获得不相同的岩土参数结果，实际获得的岩土参数与工程原型之间可能存在差异，即岩土参数是随机变量，变异性较大。因此，在进行岩土工程设计计算时，应在划分工程地质单元的基础上作统计分析，了解各项指标的概率系数，确定其标准值和设计值。

岩土参数统计分析前，一定要正确划分工程地质单元体。按工程地质单元体，布置勘探试验工作及统计整理试验成果，能较好地反映客观情况。工程地质单元体是指对建筑场地按工程地质条件划分的单元。同一工程地质单元中各部位工程地质条件相近，不同工程地质单元的数据不能一起统计，否则不同工程地质单元体岩土的物理力学性质参数差异较大，导致统计的数据毫无价值。因此，岩土的物理力学指标应按场地的工程地质单元和层位分别统计，并分析数据的分布情况和说明数据的取舍标准。

由于土的不均匀性，对同一工程地质单元（土层）取的土样，用相同方法测定的数据通常是离散的。因此，可用概率统计里的频率分布直方图和分布密度函数来表示其分布规律。实践证明，即使在原材料组成和工艺条件均相同的条件下，生产出的材料，其性能测试结果也不完全一样（如混凝土试件），它们往往表现出一定规律的波动性，而非杂乱无章。为了便于研究实验数据的数字特征，一般采用统计特征值。通常把特征值分成两类：一类用来作为某批数据的典型代表，是反映数据分布的集中情况或中心趋势的（如算术平均值和中位数等）；另一类是反映数据分布离散程度或离散性质的（如标准差（均方差）、极差和变异系数等）。

岩土参数的平均值ϕm、标准差σf和变异系数δ应按公式计算为

平均值是表征数据集中情况或中心趋势的一个统计指标。它是一组数据之和，除以这组数据的项数（见式3.2）。算术平均值在统计学上较中位数、众数受到随机因素影响更少，缺点是它更易受到极端值的影响。

标准差也称标准偏差或实验标准差，是一组数据自平均值分散开来的程度的一种测量观念，用所有数减去平均值。它的平方和除以样本数减一（如是总体除以总体数），再把所得值开根号，即1/2次方，得到的数就是这组数据的标准差（见式3.3）。一个较大的标准差，代表大部分的数值和其平均值之间差异较大；一个较小的标准差，代表这些数值较接近平均值。因此，标准差能反映一个数据集的离散程度。平均数相同的，标准差未必相同。

标准差与平均值的比值，称为变异系数（见式3.4），记为δ，又称离散系数或标准差率。它是衡量实验数据变异程度的另一个统计特征值。当进行两个或多个数据变异程度的比较时，如果度量单位与平均值相同，可直接利用标准差来比较；如果单位与平均值不同时，比较其变异程度就不能采用标准差，而需采用标准差与平均值的比值（相对值）来进行比较。

当需要比较两组数据离散程度大小时，如果两组数据的测量尺度相差太大，或者数据量纲不同，就不能直接使用标准差来进行比较。此时，变异系数就可消除测量尺度和量纲的影响。变异系数是无量纲，按照其均数大小进行标准化，这样就可进行客观比较了。因此，可认为变异系数与极差、标准差和方差一样，都是反映数据离散程度的绝对值。其大小不仅受数据离散程度的影响，而且还受数据平均水平大小的影响。

岩土参数的变异性按变异系数的大小，可分为不同等级（变异类型）（见表3.13）。它有助于岩土工程师定量地判别和评价岩土参数的变异特性，以便提出合适的设计参数值。

表3.13　岩土参数的变异等级

岩土参数同时具有水平变异性和垂直变异性两种特性。分析岩土参数的变异规律，有助于正确理解这些参数的变异特性，从而正确划分力学层位或区分统计指标。力学计算中，应用参数变异规律的函数，可估计岩土体在复杂条件下的反应或变化趋势。边坡勘察需要时，应分析参数在水平方向上的变化规律。

绘制主要参数沿深度（垂向）变化的图件，并按其变化特点划分为相关型和非相关型。相关型参数随深度呈有规律的变化（正相关或负相关），相关型参数宜结合岩土参数与深度的经验关系，可按下式确定剩余标准差，并用剩余标准差计算变异系数，即

式中　σr——剩余标准差；

　　　r——相关系数；对非相关型，r=0。

按计算确定的δ值，岩土参数随深度的变异特性：当δ<0.3时，为均一型；当δ≥0.3时，为巨变型。

3）岩土参数的标准值和设计值

岩土参数的标准值是岩土参数的基本代表值，是岩土参数的可靠性估值。设计时，通常取概率分布的0.05分位数。它是统计学中的区间估计理论求得的母体平均值置信区间的单侧置信界限值。母体平均值μ可靠性估值fk（即标准值）的概率表达式为

式中　α——风险率，即此概率分布的某一分位数，是一个可接受的小概率，如取ϕk作为设计取值，α取0.05。(www.xing528.com)

式中的标准值是对分布的单侧置信下限的估计，意味着参数母体平均值小于此值的概率为α。它表示在大量的重复抽样对材料性能作测定时，将有95%的测定值大于ϕk，小于ϕk的风险为5%。

岩土参数标准值的计算可参考《岩土工程勘察规范》计算为

式中　γs——统计修正系数。

式（3.9）中的正负号按不利组合考虑，如抗剪强度指标的修正系数应取负值。统计修正系数也可按岩土工程的类型和重要性、参数的变异性和统计数据的个数，根据经验选用。

控制岩土工程设计的是由某一范围土体抗剪强度性能及体积重综合作用形成的抗力与外力的平衡条件。例如，不同内摩擦角的土体，土坡滑动面的位置也会不同。如当ϕ>3°时，滑动面为坡脚圆；当ϕ=0°且坡角<53°时，则为中点圆。因此，抗剪强度标准值的取值应反映某一范围土体的综合性能，采用对总体平均值作区间估计的理论。

岩体结构面的抗剪强度指标，宜根据现场原位试验确定。试验应符合现行国家标准《工程岩体试验方法标准》（GB/T 50266—2013）的有关规定。当无条件进行试验时，结构面的抗剪强度标准值在初步设计时可按表3.14，并结合类似工程经验综合确定。

表3.14　结构面抗剪强度指标标准值

表3.14中，除第一项和第五项外，结构面两壁岩性为极软岩、软岩时，取较低值；取值时，应考虑结构面的贯通程度；结构面浸水时，取较低值；临时性边坡，可取高值；已考虑结构面的时间效应；未考虑结构面参数在施工期和运行期受其他因素影响发生的变化，当判定为不利因素时，可进行适当折减。

岩体结构面的结合程度可按表3.15确定。

表3.15　结构面的结合程度

表3.15中：

①结构面起伏度RA=A/L。其中A为连续结构面起伏幅度，cm；L为连续结构面取样长度，cm，测量范围L一般为1.0~3.0 m。起伏度：当RA≤1%时，平直；当1%<RA≤2%时，略有起伏；当2%<RA时，起伏。

②粗糙度：很光滑，感觉非常细腻如镜面；光滑，感觉比较细腻，无颗粒感觉；较粗糙，可以感觉到一定的颗粒状；粗糙，明显感觉到颗粒状。

当无试验资料和缺少当地经验时，天然状态或饱和状态岩体内摩擦角标准值，可根据天然状态或饱和状态岩块的内摩擦角标准值，结合边坡岩体完整程度按表3.16中的系数折减确定。表3.16中，全风化层可按成分相同的土层考虑；强风化基岩可根据地方经验适当折减。

表3.16　边坡岩体内摩擦角的折减系数

边坡岩土的等效内摩擦角也称似内摩擦角，是指考虑岩土黏聚力影响的假想内摩擦角。它是在土工试验中采用直剪试验得到的摩擦角指标。当需要边坡岩体等效内摩擦角指标时，其值也可按当地经验确定；当缺乏当地经验时，可按表3.17确定。表3.17适用的边坡高度为不大于30 m的岩质边坡。当边坡高度大于30 m时，应作专门的研究。边坡高度较大时，宜取较小值；高度较小时，宜取较大值。当边坡岩体变化较大时，应按同等高度段分别取值。表3.17已考虑时间效应，对Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ类岩质临时边坡，可取上限值。Ⅰ类岩质临时变坡，可根据岩体强度及完整程度取大于72°的数值；表3.17适用于完整、较完整的岩体，破碎、较破碎的岩体可根据地方经验适当折减。

表3.17　边坡岩体等效内摩擦角标准值

边坡稳定性计算参数选择时，应根据不同的工况选择不同的抗剪强度指标。土质边坡按照水土合算原则计算时，地下水位以下宜采用土的饱和自重固结不排水抗剪强度指标；按水土分算原则计算时，地下水位以下宜采取土的有效抗剪强度指标。

填土边坡的力学参数宜根据试验并结合当地工程经验综合确定。应根据工程要求、填料的性质和施工质量等因素，综合确定试验方法；试验条件应尽可能接近实际状况，以增加参数的可靠性。

土质边坡抗剪强度试验方法的选择应符合下列规定：

①土质边坡含水状态分天然和饱和状态，其抗剪强度试验方法的选择应考虑坡体内的含水状态，根据坡体内的含水状态选择天然或饱和状态下的抗剪强度试验方法。

②在计算土压力和抗倾覆稳定性验算时：对黏土、粉质黏土，宜选择直剪固结快剪或三轴固结不排水剪；对粉土、沙土和碎石土，宜选择有效应力强度指标。

③在计算土质边坡整体稳定、局部稳定和抗滑稳定性时：对饱和软黏性土，宜选择直剪快剪、三轴不固结不排水试验或十字板剪切试验；对一般黏性土、沙土和碎石土，可参照在计算土压力和抗倾覆稳定性验算时的参数选择规定。

在岩土工程勘察成果报告中，应按下列不同情况提供岩土参数值：

①一般情况下，应提供岩土参数的平均值ϕm、标准差σf、变异系数δ、数值分布范围和数据的个数n；

②承载能力极限状态计算需要的岩土参数标准值，应按式（2.8）、式（2.9）（ϕk=γsϕm）计算；当设计规范另有专门规定的标准值取值方法时，可按有关规范执行。正常使用极限状态计算需要的岩土参数，宜采用平均值。评价岩土性状需要的岩土参数，应采用平均值。

③当用分项系数描述的设计表达式计算时，岩土参数的设计值ϕd可计算为

式中　γ——岩土参数的分项系数，按有关设计规范的规定取值。