1、关于建筑边坡工程技术规范 GB 50330-2013的讨论2015-09-14 08:52 来源：中国岩土网 阅读：3793建筑边坡工程技术规范 GB 50330-20131（以下简称边坡规范或“该规范” ）于 2013 年出版，2014 年 6 月实施。与旧版比较，有一些进步。例如删去了原版中不合理的动水压力计算，采用了隐式的传递系数法，取消了工作条件系数等。但仍有一些不尽如人意之处，作为国家规范，它略显粗糙；附图中有一些未加说明的标注；一些公式也未交代清楚，给使用造成较大困难；还有一些概念上的错误，可能造成严重的后果。这里提出一些意见以供讨论。关于建筑边坡工程技术规范 GB 50330-2
2、013的讨论 李广信 记得前几年在一次土动力学会议上，邀我作一个报告，于是就从道德经开始，“反者道之动，弱者道之用”，讲了一通法家与道家的哲学。提出建筑不要一味加强、加固，以铁柱钢墙与强大的自然力对抗。而应顺应自然，以柔克刚。介绍了世界上十余处加筋土结构在强地震中，从未发生结构性的破坏的案例。 报告后大家还比较认同。但多事者推荐到世界地震工程期刊，编辑来函告知：我刊是一份严肃的学术期刊，请把 1000 余字的哲学部分删去。所以以后在“严肃的学术期刊”上再不敢胡说了，只好在网上聊聊过瘾。 看到网上彭总边坡规范的讨论，这里献上一篇严肃的论文，供批评指正。 0 引言 建筑边坡工程技术规范 GB 50
3、330-20131（以下简称边坡规范或“该规范” ）于 2013 年出版，2014 年 6 月实施。与旧版比较，有一些进步。例如删去了原版中不合理的动水压力计算，采用了隐式的传递系数法，取消了工作条件系数等。但仍有一些不尽如人意之处，作为国家规范，它略显粗糙；附图中有一些未加说明的标注；一些公式也未交代清楚，给使用造成较大困难；还有一些概念上的错误，可能造成严重的后果。这里提出一些意见以供讨论。 1.荷载与设计方法 1.1 作用与效应 工程可靠性设计统一标准(GB 50153-2008)2指出，作用是 “施加在结构上的集中力或分布力（直接作用，也称荷载）和引起结构外加变形或约束的原因（间接作用
4、）”。可见，荷载是狭义的作用，广义的作用包括地震、冻胀、膨胀、湿陷、温度等，它们会引起的结构的胀缩与内力。至于效应是“由作用引起的结构或结构构件的反应” 。这个反应可包括内力和变形。按着这一标准，在近年来出版的建筑领域的规范都称“作用组合的效应” 。 建筑结构荷载规范(GB 50009-2012)3由于是荷载规范，所以讲的是 “荷载组合”，而非作用组合。称为“荷载组合的效应 ”。可见在组合与效应的关系上二者是统一的，即先是作用（荷载）的组合，然后才是效应。可理解为作用（荷载）先按一定的规定组合，然后计算这种组合下的结构（构件）上的力或变形，它通过结构传到岩土中。 但颁布于 2013 年的新版边
5、坡规范还是沿用“荷载效应的组合 ”，显然不合时宜。作为国家规范，这种滞后也是难以理解的。 1.2 安全系数法与分项系数法 所谓安全系数法亦称“单一安全系数法 ”。它是将工程中包含的一切不确定性因素，都放入单一的安全系数之中。安全系数的取值往往是根据以往的经验。这些不确定性包括作用（荷载）的参数、材料的性质、计算与施工的精确性与可靠性，也包括政治、经济、环境和社会的各种条件与要求。可以说，安全系数是个筐，一切不确定性都往里装。因而就无需再引入其他系数了，例如重要性系数、工作条件系数、折减系数等。所以说新版边坡规范取消了工条件系数，而规定临时工程的安全系数小一些，这是符合安全系数法的基本概念的。
6、基于可靠度理论的分项系数法是将荷载与与抗力都当成随机变量，那么失效或破坏也就是随机事件。它是将荷载与抗力的不确定性分别考虑的。 以图 1 为例，两组荷载(S)与抗力(R) 都是正态分布，荷载与抗力的均值相同，但变异系数 不同，第一组的分布较为集中，离散较小，因而发生失效(SR)的概率就较小（见图中的阴影面积）。在可靠度设计中主要的参数是可靠度指标 ，如果 =3，则表明失事的概率约为万分之三(3/10000)。分项系数是根据变量的概率分布形态经统计分析而得到的，它与可靠度指标和变异系数的关系可写为 式中 分别为抗力与和荷载的分项系数 4。 图 1.两组荷载与抗力的概率密度函数曲线 建筑工程可靠性
7、设计统一标准(GB 50068-2001)5指出： “制定建筑结构荷载规范及钢结构、薄壁钢结构、混凝土结构、砌体结构、木结构设计规范应遵守本标准的规定；制定地基基础和建筑抗震等设计规范，宜遵守本标准的原则。”所以在岩土工程的有关规范中，凡与岩与土有关的设计，一般均用安全系数法；而只涉及到钢材、混凝土与砂浆等材料时则采用分项系数法。例如对于锚杆（索）的设计，建筑地基基础设计规范(GB 5007-2011)6 ，建筑基坑支护设计规范(JGJ 120-2012)7等都规定，在钢筋(索) 抗拉、筋材与砂浆间的抗拔采用分项系数法；而锚固体与岩土间的抗拔，则采用安全系数法。新版的边坡规范把这三种承载力问题
8、统一使用安全系数法。例如其中的 8.2.2 条的式 8.2.2-1 为 式中：As锚杆钢筋或预应力锚索截面面积（ ）； fy普通钢筋抗拉强度设计值（ kPa）； Kb锚杆杆体抗拉安全系数。 这里就是把钢筋的抗拉按安全系数法计算，这是不合理的。更不合理的是这里的抗力采用了钢筋抗拉强度的设计值。如上所述，由于安全系数是包含了所有不确定性的参数，因而抗力应取极限抗力的标准值，可是上式使用的是设计值，二者的关系为 以 HRB400 钢筋为例，其抗拉强度标准值为 fk=400MPa，设计值为 fy=360MPa，亦即其抗力分项系数为 G=0.9。从而可见，式(2)即边坡规范的式 8.2.2-1 是把安全
9、系数与分项系数混合使用，似乎安全系数 Kb 只负责荷载的不确定性。这在原理与概念上是不对的。应当用钢筋的标准值，在同样的安全度情况下，可以适当增大安全系数。 2.挡土墙上的主动土压力计算 边坡规范提出了一系列主动土压力半经验的计算公式，但存在不少问题。 2.1 墙背俯倾的情况 在该规范的 6.2.10 中，给出了图 2 的有俯倾式墙面的土压力计算公式。表示为为式6.2.10-2 和式 6.2.10-3，即本文中的式(3) 和式(4)。 问题是这里未交代计算的主动土压力的方向，如果假设墙背光滑，则主动土压力 Ea垂直于墙背，如图 2 所示，那么验算墙的抗倾覆与抗滑移稳定时，其荷载要比 Ea 水平
10、时增大，或者抗力减小。这是必须明确的 图 2 墙背俯倾的情况 2.2 墙顶填土倾斜的情况 该规范的 B.0.3 中，给出了图 3 的有墙顶填土倾斜时的土压力计算公式。为式 B.0.3-1，即本文的式 (5)。 图 3 墙顶填土倾斜情况 这个公式来源于无限斜坡的朗肯土压力计算8，除了墙背竖直光滑、填土水平以外，这是一种很少见的可以得到朗肯主动土压力理论解的情况，见图 4。其理论解就是 但其必要条件是墙背与土间的摩擦角 。即计算的主动土压力方向必须是平行于坡面的。 图 4 无限斜坡的朗肯土压力 可是在边坡规范中的附图中（见图 3）表示，主动土压力似乎是水平的，亦即墙背是光滑的。这样式(5)或式 (
11、6)就不适用了。 以图 4 中所示的参数为例，用该规范计算的主动土压力(水平向)系数为 Ka=0.866，这时重力式挡土墙的抗倾覆稳定安全系数为 Fs=1.0；用库伦理论计算的主动土压力(水平向， )系数为 Ka=0.75，抗倾覆稳定安全系数为 Fs=1.155；用朗肯理论计算的主动土压力平行于坡面，Ka=0.866，水平土压力系数 Kax=0.75，竖直土压力系数 Kay=0.5。抗倾覆稳定安全系数为 Fs=2.38。抗滑移稳定的情况也类似。 从以上计算可见，这种朗肯理论的误用。是安全系数减少了一倍多。类似的情况也存在于 B.0.3-2， B.0.3-3 和 B.0.4 等附录中，所以主动土
12、压力的方向非常重要。 其实不管墙后的填土形式多么复杂，采用库伦土压力理论进行计算都没有问题。因为计算机已经完全普及，建立一个搜索具有最大土压力的滑动面的软件是轻而易举的，又何必罗列了这么多完全不适用、不合理、华而不实的“半经验公式” 呢？ 3.边坡稳定分析中的孔隙水压力、重度与强度指标 边坡稳定分析中的参数的选用甚至是比计算理论与方法更重要，可是边坡规范在这方面存在一些多不足与错误。 3.1 孔隙水压力 该规范建议使用简化比肖甫法进行圆弧滑动面的稳定分析是一个进步，尤其是在有较大孔隙水压力的情况。在其公式 A.0.1 中 孔隙水压力 Ui 的计算式为 式中 计算条块滑面前端水头高度（m）。这一
13、计算对于静水下的土坡是明确的，如图 5(a)所示。这时水位以下的 Gi 按浮重度计算更方便合理，无需引入孔隙水压力 Ui。而在有渗流的情况下（如图 5(b)），则应按此条底部中点的等势线的水头 hwi 计算孔隙水压力，亦即 。 图 5 有水边坡的稳定分析 3.2 边坡稳定分析中的“水土合算 ” 在边坡规范的 4.3.5 条文中指出“ 土质边坡按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”。 “水土合算” 本来是基坑支护上的土压力计算的一种经验算法，由于它不符合有效应力原理，历来争议不断。在基坑问题中，由于特殊的应力路径，属于一种误打误撞的经验算法9。其主要特点是在
14、静水以下，采用土的饱和重度和固结不排水强度指标计算土的主动土压力。而在边坡稳定分析中用所谓“水土合算” 就十分荒谬了 10。 图 6 水下边坡的稳定分析 对于这种圆弧稳定计算，采用固结不排水 (或者固结快剪) 强度指标，“固结” 是在原位的 的有效应力作用下的固结，而不是在 下的固结。以图 6 为例，如果正常固结的地基土层是在与地面齐平的地下水情况下沉积的，那么 M 点土体在自然的情况下的固结压力为 。如果很快地开挖出图示的边坡，则其抗剪强度为。所以在这种情况下，抗滑力矩应当用土的浮重度计算，而不是用饱和重度计算。在杭州地铁一号线湘湖站基坑工程事故中，设计采用的 2,1 两层淤泥质土的饱和重度
15、平均为 , 平均固结快剪强度指标：。采用饱和重度计算抗滑力矩，这比用浮重度高 2.4 倍。这可能是事故的原因之一。 4.结论 本文对于新版的边坡规范提出了一些意见，他们包括： (1)规范中“荷载效应的 组合”的提法是一种过时的提法，目前建筑行业的规范都已改为“ 作用 组合的效应。 (2)在锚杆设计中，抗拉和从砂浆中抗拔计算以使用分项系数法为宜；即使使用安全系数法，其抗力也应使用极限抗力的标准值，而非设计值。 (3)该规范中推荐的一些计算主动土压力的公式，没有明确土压力的作用方向，将无限斜坡的朗肯主动土压力计算公式用来计算几种墙后填土倾斜的公式是有前提的，即主动土压力方向与斜坡面平行。 (4)该
16、规范在土坡稳定分析中提出的 “水土合算”是错误的和有害的。 参考文献： 1 建筑边坡工程技术规范S. GB 50330-2013, 北京：中国建筑工业出版社，2013. 2 工程可靠性设计统一标准S. GB 50153-2008, 北京：中国建筑工业出版社，2008. 3 建筑结构荷载规范S. GB 50009-2012, 北京：中国建筑工业出版社，20012. 4 周景星。李广信等, 基础工程(地 3 版)M. 北京：清华大学出版社， 5 建筑工程可靠性设计统一标准S. GB 50068-2001, 北京：中国建筑工业出版社，2001 6 建筑地基基础设计规范S.GB 50007-2011, 北京：中国建筑工业出版社， 2011. 7 建筑基坑支护技术规程S. JGJ 1202012，北京：中国建筑工业出版社，2012. 8 李广信，张丙印。于玉贞，土力学.M. 北京：清华大学出版社，2013. 9 李广信. 对基坑工程有关规范的讨论(2)J ，工程勘察 41（10 ）：1-6. 10 李广信. 对基坑工程有关规范的讨论(3)J，工程勘察 41（11 ）：1-4.
