沈守鴻

(福建嘉博聯(lián)合設計股份有限公司 福建福州 350001)

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，土地資源的有限性與社會生產(chǎn)發(fā)展需求之間的矛盾加劇，在多山地區(qū)進行工程建設已經(jīng)越來越普遍，建筑邊坡隨處可見。重力式擋土墻作為一種施工便捷，造價經(jīng)濟的支擋方式廣泛應用于早期的邊坡工程中。隨著山坡土地的開發(fā)，原有坡地建筑的拆遷重建也日益增多。新建建筑的場地整平，推、填土將造成原有擋土墻高度增加，需要做加高處理。

以往的處理方式一般是將原有擋土墻拆除重建，但此方法工程量大，造價高，費工費時，而且施工過程將對周邊環(huán)境產(chǎn)生較大影響。較為經(jīng)濟的方式是對原有擋墻加以利用，進行一定的加固處理后，再相應加高擋墻。但以往文獻中利用原有擋墻的方式均是在能明確原有擋墻具體尺寸的前提下進行[1-5]，在原有設計資料缺失，無法確認擋墻具體尺寸的情況下，這種支護加高的方式將存在一系列問題。

本文以南平市某邊坡設計項目為例，因年代久遠，無法明確原有擋墻具體尺寸的情況下，根據(jù)已知擋墻高度及頂寬，假設擋墻形狀后，將擋墻等效視為一性能較好土層，進行邊坡加固加高設計，并利用有限元軟件Plaxis8.6對設計結(jié)果進行驗證分析。監(jiān)測結(jié)果表明，支護結(jié)構(gòu)變形穩(wěn)定，該支護設計方案切實可行。

1 工程概況

擬建場地位于南平市延平區(qū)工業(yè)路西側(cè)，屬于丘陵山地，場地屬山前坡積、洪積地貌單元。場地東側(cè)緊鄰工業(yè)路位置，現(xiàn)狀存在7m～9m漿砌片石擋土墻，擋墻頂標高約111.2m～112.9m，擋墻結(jié)構(gòu)坡面較為完整，如圖1所示。擬建場地完成面標高約112.7m～115.3m，高于現(xiàn)狀擋墻頂約1.5m～3.0m，場地完成面與道路標高高差約10.0m～12.0m。該工程邊坡高度較高，坡腳緊鄰城市道路，且坡頂擬建建筑物較多，邊坡破壞后果很嚴重，邊坡工程安全等級為一級。

1.1 工程地質(zhì)條件

經(jīng)勘探孔揭示，場地內(nèi)影響邊坡安全的巖土層，由上而下分述如下：

①雜填土：褐黃、灰黑等色，松散，干燥～稍濕，未完成固結(jié)，以粘性土、砂、建筑垃圾為主，填齡為不小于10年。揭示厚度為0.80m～9.60m。

②含碎卵石粉質(zhì)粘土：灰黃、褐黃、褐紅等色，濕，可塑，坡洪積成因。揭示厚度3.60m～14.80m。

③粉質(zhì)粘土：灰黃、褐黃、褐紅等色，濕，可塑～硬塑，坡積成因。揭示厚度12.60m。

④全風化粉砂巖：灰黃、褐紅等色，飽和，母巖為粉砂巖。揭示厚度0.50m～7.20m。

⑤砂土狀強風化粉砂巖：灰黃、褐紅、褐黃等色，飽和，標準貫入試驗均大于50擊(未修正)，母巖為粉砂巖。揭示厚度5.66m～36.10m。

圖1 原有擋土墻照片

1.2 水文地質(zhì)條件

勘察期間，場地未見地表水徑流，未見地下水滲出。擬建場地地下水按埋藏條件及性質(zhì)，可分為上層滯水及風化巖孔隙-裂隙潛水。該次勘察在坡頂鉆孔測得含水層初見水位埋深15.70m～19.40m，穩(wěn)定水位埋深為15.20m～18.90m，穩(wěn)定水位標高88.60m～99.33m。

2 邊坡支護方案的比選確定

原有擋墻高度不足，場地完成面高于原有擋墻約1.5m～3.0m，處理方式大致有以下幾種。

2.1 墻頂直接增高擋墻

對于高差較小的擋墻直接加高，高差較大的擋土墻采用在原墻頂設置減壓鋼筋混凝土平臺基礎(chǔ)，然后在平臺上增高擋墻。該種方案工程造價最低，經(jīng)濟效益最好，但該方法需在明確原擋墻具體結(jié)構(gòu)形狀的基礎(chǔ)上，對增高后的整體擋墻重新進行穩(wěn)定性驗算，驗算通過后方可保證該方案的安全性。

因原擋墻設計施工于20世紀90年代，距勘察時間較遠，多方尋找后仍無法獲得原擋墻的設計圖紙，地勘單位只能根據(jù)外觀可見情況確定擋墻高度、坡面坡度及墻頂寬度等信息，墻后擋墻具體結(jié)構(gòu)形狀無法明確。因而，該方案技術(shù)上較難實現(xiàn)，排除此加高方案。

2.2 拆除舊擋墻后新建較高的重力式擋土墻

該方案造價較高，但避免了因舊有擋土墻資料缺失導致的設計難題，為最簡單直接的支護方式，是技術(shù)上可行的方案，在排除2.1所述方案后原計劃采用該方案進行施工。但該方案遭到了市政等相關(guān)單位的否定：原擋墻緊鄰市政道路，墻底即為市政路的人行道，相關(guān)景觀綠化及管線埋設均已完成，在拆除舊擋墻及新建擋墻的過程中，難免將對原人行道及相關(guān)管線造成破壞，影響較大。因此該方案也無法實行。

2.3 坡面采用框架錨索支護，在原擋墻后增設小擋墻

在上述兩種分案均排除后，最終決定在舊擋墻外側(cè)采用框架錨索進行支護，然后在坡面后側(cè)增設小擋墻以達到場地完成面高度，滿足建筑要求。該方案無需拆除舊擋墻，施工過程中不會對市政道路及管線產(chǎn)生影響。典型邊坡設計剖面如圖2所示。

圖2 典型邊坡設計剖面

3 既有擋土墻的加固加高設計

采用在舊有擋墻外側(cè)進行框架錨索支護，如忽略原有擋土墻，只按地勘提供土層進行設計計算，顯然過于保守，且支護造價較高，存在較大浪費。因此，決定將原有的擋土墻近似簡化為土體抗剪強度較好的土層，考慮原有支護結(jié)構(gòu)對邊坡支護的有利影響，在此基礎(chǔ)上對舊擋墻進行加固加高。

3.1 反算原有擋土墻等效土體抗剪參數(shù)

因墻后擋墻具體尺寸無法確定，假設墻體厚度基本同擋墻墻頂寬度，基底尺寸略大于墻頂寬度(根據(jù)工程經(jīng)驗，該假設符合工程實際，且偏于安全)，將墻體等效為一種巖土層。原有擋墻穩(wěn)定，因此，可假設包含墻體等效土層在內(nèi)的原有坡面的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fs不小于1.0。據(jù)此，假設擋墻等效巖土層的抗剪參數(shù)，帶入結(jié)構(gòu)計算軟件“理正巖土計算6.5版”進行邊坡穩(wěn)定性計算，根據(jù)安全系數(shù)反算擋墻等效巖土層的抗剪參數(shù)。其中，根據(jù)砌體擋墻的一般材料性能，試算過程取等效土層重度r為22kN/m3，粘聚力C試算區(qū)間取[40，70]，內(nèi)摩擦角Ф試算區(qū)間取[30，45]，試算過程如表1所示。

表1 擋墻等效土層抗剪參數(shù)反算表

根據(jù)表1所示，可取第7次試算結(jié)果作為原有擋土墻等效巖土層的抗剪參數(shù)，即重度r為22kN/m3，粘聚力C為48kPa，內(nèi)摩擦角Ф為38°。

3.2 預應力錨索支護設計

采用3道預應力錨索，錨索材料為4束ФS15.2鋼絞線，錨索錨固體直徑為150mm，采用壓力分散型錨索，第一道錨索長度17m，二三道錨索長度18m，錨索水平間距2.5m，具體如圖2所示。根據(jù)3.1節(jié)所得擋墻的等效土層參數(shù)，并將坡頂新增擋墻等價為外加荷載，帶入“理正巖土計算軟件”，計算所得邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fs=1.354，大于規(guī)范[6]規(guī)定值1.35，滿足設計要求。

相同情況下，如忽略擋土墻，僅按原狀土層進行計算，為滿足規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)要求，錨索水平間距需由2.5m加密至2.2m，排數(shù)需由3排增加至4排，長度由原先的17m～18m增加至30m～32m，材料由4束增加至6束，計算所得安全系數(shù)為1.350。由此可見，考慮原有擋墻的有利影響，采用等效土層參數(shù)的方法可明顯減少支護造價，取得較好的經(jīng)濟效益。

4 數(shù)值模擬分析

為了驗證上文所述“擋墻等效土層”的合理性，保證邊坡安全，采用有限元軟件Plaxis 8.6對邊坡進行數(shù)值模擬分析，對“理正巖土計算軟件”，即傳統(tǒng)極限平衡法的計算結(jié)果進行驗證，并對該種支護設計方案下邊坡的穩(wěn)定性、位移變形等性能進行進一步研究。

4.1 原狀坡面擋墻計算結(jié)果

根據(jù)地勘提供土層資料，并按3.1節(jié)中反算所得擋墻等效土層參數(shù)，土體本構(gòu)模型采用摩爾—庫倫模型，計算參數(shù)如表2所示。采用強度折減系數(shù)法計算原狀坡面的安全系數(shù)，邊坡破壞滑動面如圖3所示。

表2 Plaxis計算軟件土體計算參數(shù)

在將舊有擋土墻等效為土層的情況下，采用Plaxis計算所得原狀邊坡安全系數(shù)為Fs=0.997，邊坡通過擋墻底滑動破壞。與3.1節(jié)中理正巖土軟件計算結(jié)果對比，滑動破壞面及安全系數(shù)基本相同，安全系數(shù)偏小于1.0。原狀坡面是保持穩(wěn)定的，Plaxis計算所得邊坡安全系數(shù)小于1.0，可見3.1節(jié)中所采用擋土墻等效土層的抗剪參數(shù)是對于支護設計分析是安全可行的。

4.2 增設預應力錨索后邊坡計算結(jié)果

土層參數(shù)如4.1節(jié)中表2所示，其中原狀擋墻頂新增擋墻同原狀擋墻等效土層，墻后新增土層參數(shù)同雜填土層。錨桿自由段采用“錨桿”類型，軸向剛度為2×105kN，間距2.5m，錨桿錨固段采用“土工格柵”類型，軸向剛度為1×105kN/m，坡頂場地地面道路荷載為20kN/m2，寬度5m。

圖3 原狀邊坡破壞滑動面

邊坡潛在滑動破壞面結(jié)果如圖4所示，滑動面與“理正巖土計算軟件”結(jié)果基本相同，邊坡安全系數(shù)為Fs=1.412，滿足規(guī)范設計要求，同時也大于3.2節(jié)中“理正”的計算結(jié)果1.354，由此可見，該次項目中 “理正”算法較有限元算法偏于安全。

總位移變形結(jié)果如圖5所示，位移變形值集中在新增擋墻墻頂及坡面位置，邊坡最大位移為10.88mm，滿足設計要求。

圖4 邊坡潛在破壞面

圖5 位移變形圖

5 邊坡監(jiān)測

該項目為一級邊坡，邊坡布置了坡體深層水平位移、坡頂?shù)乇硭轿灰萍俺两?、坡頂建筑豎向、水平位移及傾斜等監(jiān)測項目。目前該段邊坡竣工已超過1年，監(jiān)測結(jié)果顯示，該段邊坡坡頂水平位移累計值為6.5mm，坡頂沉降累計值為8mm，深層水平位移累計值為9.72mm。監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值計算結(jié)果相近，滿足規(guī)范和設計要求，同時其余位置監(jiān)測結(jié)果也均能滿足要求。由此可見，支護結(jié)構(gòu)變形穩(wěn)定，邊坡工程安全可靠，本支護設計方案是行之有效的。圖6為預應力框架錨索施工完成后的實景圖，支護施工對原有的市政道路、景觀綠化及相關(guān)市政配套設施基本沒有破壞，最大限度減少了沿路施工過程中對居民及行人的影響。

圖6 框架錨索施工完成實景圖

6 結(jié)論

本文結(jié)合南平某邊坡設計實例，提出將原有擋土墻等效為一性能較好土層的設計方案，并利用傳統(tǒng)極限平衡法(理正巖土軟件)和數(shù)值計算法(有限元軟件Plaxis)對方案進行計算及分析，得出以下結(jié)論：

(1)“擋墻等效土層”的方案是切實可行，這種方案可以成功解決在無法明確擋墻尺寸時，對既有擋土墻如何進行加固加高的問題。需要指出的是，擋墻墻體的假設厚度及等效土層的抗剪參數(shù)在反算過程中并不是只有唯一解，在相對合理的區(qū)間內(nèi)，只要保證反算的最終結(jié)果滿足“邊坡安全系數(shù)Fs=1.0”，均可起到相同的等效結(jié)果。

(2)保留既有擋土墻，對擋墻進行加固加高處理，充分考慮原有擋墻對新建邊坡的有利影響，既可以減少拆除舊擋墻過程中對周邊環(huán)境產(chǎn)生的影響，又可以有效降低支護造價，起到較好的社會經(jīng)濟效益。因此，對既有擋土墻進行加固加高的處理方式在今后類似的邊坡支護項目中可盡量加以推廣及應用。