張碧燕,劉揚(yáng)

（1.廈門工學(xué)院，福建 廈門 316000；2.福建兆翔機(jī)場建設(shè)有限公司，福建 廈門 316000）

1 引言

邊坡失穩(wěn)的問題在房建、路橋、水利等建設(shè)工程中的影響越來越凸顯，邊坡穩(wěn)定性分析已成為巖土工程和工程地質(zhì)領(lǐng)域中研究的重要內(nèi)容。目前，邊坡穩(wěn)定性分析方法主要有以剛體極限平衡理論為基礎(chǔ)的極限平衡法和以有限元(EM)、有限差分(FDM)為基礎(chǔ)的數(shù)值分析法。極限平衡法是建立在(剛體)極限狀態(tài)時的靜力基礎(chǔ)上，分析邊坡各種破壞模式下的受力狀態(tài)來評價其穩(wěn)定性。由于該類方法可給出物理意義明確的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)以及可能的破壞面，力學(xué)模型簡單而得到廣泛應(yīng)用。常用的極限平衡分析的主要方法有Fellenius法、Bishop法、Janbu法、Morgenstern-Price法、Spencer法、Sarma法、平面直線法、推力傳遞系數(shù)法等。針對某人行道旁邊坡（滑坡）土體的加固措施設(shè)計(jì)，本次設(shè)計(jì)計(jì)算運(yùn)用目前在邊坡穩(wěn)定性分析時較為成熟的Geo－Studio軟件中的SLOPE/W模塊建立模型，進(jìn)行未加固前及加固后的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算，并進(jìn)行對比分析。

2 工程實(shí)例

2.1 工程簡介

某人行道旁山坡，經(jīng)檢測有滑坡危險，需進(jìn)行改造加固。為探明滑坡體的規(guī)模，作者前往現(xiàn)場進(jìn)行勘察，邊坡高度約為28m，平均坡度約為45°，坡腳處有一個已建的擋土墻，高度為2m。作者負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)勘探計(jì)劃，在原有的以前的勘探資料的基礎(chǔ)上加1個新鉆孔以及5個試井。邊坡腳有一個舊時已建的擋土墻，墻身厚度尺寸以及材料不詳，因此邊坡腳加2個新的水平鉆孔去驗(yàn)證其厚度及其截面材料。根據(jù)鉆探進(jìn)尺快慢、土層變化、水流滲漏滲流及地下水位等情況綜合分析，得到土質(zhì)剖面后結(jié)合場地約束限制、環(huán)境保護(hù)等因素選擇加固方案，再用巖土軟件Geo-Studio的SLOPE/W模塊（極限平衡法）進(jìn)行建模輔助判斷整體和局部的滑裂面位置以及相應(yīng)的安全系數(shù)，從而確定設(shè)計(jì)方案。

2.2 工程水文地質(zhì)

邊坡主要土層為花崗巖殘積土和崩積土，淺層附有填土。該邊坡平均坡度為45°，邊坡坡度較大，存在滑坡危險，需要進(jìn)行改造加固。根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)查及鉆孔揭露，邊坡出露地層為填土及崩積土，根據(jù)鉆孔對地下水位的監(jiān)測，取最高監(jiān)測水位做設(shè)計(jì)地下水位，暴雨時設(shè)計(jì)水位假設(shè)為地表面，邊坡滿水土體飽和狀態(tài)。主要巖性以及地質(zhì)剖面見圖3所示。

圖1 邊坡現(xiàn)場環(huán)境及尺寸勘察

圖2 邊坡腳的舊時已建擋土墻尺寸勘察

圖3 邊坡工程地質(zhì)剖面

2.3 設(shè)計(jì)計(jì)算建模參數(shù)

極限平衡分析方法的主要思想是假定巖土體破壞是由滑體內(nèi)滑面上發(fā)生滑動而造成的，滑動體被看成是剛體，不考慮其變形，將邊坡上的滑體進(jìn)行條分，根據(jù)滑面上巖土體處于極限狀態(tài)，并且滿足摩爾－庫侖準(zhǔn)則條件下滑體條受力和力矩的平衡來分析邊坡的穩(wěn)定性，確定沿滑裂面滑動可能性的大小，即為該滑裂面上安全系數(shù)Fs的大小。假定不同的滑裂面就可以得到不同的安全系數(shù)值，其中安全系數(shù)Fs值最小的滑面就是最危險滑動面，其對應(yīng)的安全系數(shù)值即為該邊坡穩(wěn)定的安全系數(shù)值。

綜合室內(nèi)外試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，各土層參數(shù)的指標(biāo)參照《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330—2013)取值。土體的物理力學(xué)參數(shù)，見表1所示。

2.4 邊坡穩(wěn)定性分析及加固措施設(shè)計(jì)

選取場地坡度最陡的某典型剖面進(jìn)行建模模擬分析，分別分析無加固情況下即原自然條件下邊坡的穩(wěn)定性以及在改造加固措施下邊坡的穩(wěn)定性。通過對比各種加固方案下的最終加固效果以及造價、施工可行性等進(jìn)行最終方案選擇。

土層物理力學(xué)參數(shù) 表1

邊坡穩(wěn)定安全系數(shù) 表2

2.4.1 無加固情況下

根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330—2013)、《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021—2001)等的相關(guān)規(guī)定，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)應(yīng)不小于表2規(guī)定的數(shù)值。邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)，見表2所示。

根據(jù)邊坡工程地質(zhì)剖面圖，運(yùn)用Geo-Studio建立邊坡計(jì)算分析模型，見圖4和圖5所示?；泼嬗梅朣進(jìn)行表示，滑移面相應(yīng)的安全系數(shù)匯總于表3。整體穩(wěn)定性分析中最危險滑移面為S2，安全系數(shù)為1.348。局部穩(wěn)定性分析中最危險滑移面為S5，安全系數(shù)為1.008，均小于1.35。因此，邊坡需進(jìn)行改造加固。作者采用三種加固措施，并進(jìn)行比對，最終挑選最優(yōu)設(shè)計(jì)方案呈現(xiàn)給建設(shè)單位。

圖4 邊坡計(jì)算分析模型：天然無加固措施狀態(tài)整體穩(wěn)定性分析

圖5 邊坡計(jì)算分析模型：天然無加固措施狀態(tài)局部穩(wěn)定性分析

邊坡無加固措施狀態(tài)穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果 表3

2.4.2 加固措施1：邊坡整體開挖減小坡度

基于場地地形，對邊坡進(jìn)行整體的開挖，將土體往后削減，削退到邊坡的坡度呈30°，小于各土層的摩擦角，保證邊坡的穩(wěn)定，設(shè)計(jì)方案見圖6所示。由于邊坡的高度約為28m，平均坡度為45°，為了降低邊坡的坡度，需要從坡頂往原有坡頂邊向里至少延伸12m。施工中還需要把邊坡坡頂處原有的部分山路移除并且會破壞坡頂植被。此方案會影響坡頂范圍內(nèi)的山路和植被，因此不環(huán)保且可行性較低。

圖6 加固措施1 設(shè)計(jì)方案：邊坡整體開挖

2.4.3 加固措施2：加高坡腳擋土墻并填土減少邊坡坡度

第二種方案是在坡腳修建擋土墻，并回填密實(shí)填土到約30°的坡度，見圖7所示。該方案提高了穩(wěn)定性，但本方案需要使用體型相對較大的打樁機(jī)，并在施工階段占據(jù)坡腳面積，影響人行道以及車道的正常使用。在山坡旁還有已建住宅群，已建住宅的地下車庫入口就在邊坡旁，本方案施工階段會擋住地下車庫入口。因此，由于現(xiàn)場條件限制約束以及考慮到施工噪音對附近住宅的影響，該方案可行性很低。

圖7 加固措施2 設(shè)計(jì)方案：擋土墻加回填

2.4.4 加固措施3：錨桿加固設(shè)計(jì)

第三種方案是在邊坡上安裝錨桿進(jìn)行加固，提高邊坡的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)方案見圖8所示。首先，錨桿加固工程可以避免影響坡頂?shù)纳降绤^(qū)域和植被。此外，進(jìn)行錨桿的安裝所需要的機(jī)器使用空間比較緊湊。因此，在施工期間，不會占用太多的人行道面積。該方案符合現(xiàn)場條件，而且根據(jù)具體設(shè)計(jì)結(jié)果是經(jīng)濟(jì)且可行的。

圖8 加固措施3設(shè)計(jì)方案：錨桿加固

2.4.5 錨桿加固深化設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用錨桿鉆孔直徑Hd=0.110m，錨桿鋼筋直徑d=0.025m，錨桿鋼筋規(guī)格采用直徑25mm、牌號HRB400、抗拉強(qiáng)度為570MPa、截面積為490.87mm2的鋼筋，每根錨桿鋼筋的極限拉斷荷載Pu為279.7kN。錨桿的間距不宜過大，也不能太小，一般規(guī)定錨桿的間距最小不應(yīng)小于1.5m，本文錨固間距選取2m；注漿材料采用M35的水泥砂漿，錨桿錨固段置于花崗巖殘積土中，按規(guī)范錨固體的設(shè)計(jì)安全系數(shù)取Fs2=2.5。

設(shè)計(jì)過程使用軟件Geo-Studio的SLOPE/W模塊進(jìn)行建模，錨桿加固后的邊坡計(jì)算模型見圖9和圖10所示，邊坡整體和局部穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果匯總于表4，本文中設(shè)計(jì)10排錨桿從上往下排布，長度從7m～15m不等，依照不同高程處其不同土層厚度進(jìn)行設(shè)計(jì)。所有的錨桿都與水平方向有順時針160°的夾角。錨桿加固后的邊坡整體穩(wěn)定性分析中最危險滑移面為S2，安全系數(shù)為1.471。局部穩(wěn)定性分析中最危險滑移面為S5，安全系數(shù)為1.449。均大于規(guī)定的安全系數(shù)1.35。邊坡在天然工況下不加固時處于不穩(wěn)定狀態(tài)，在采取錨桿加固之后，邊坡在不同工況下開挖均處于穩(wěn)定狀態(tài)，表明錨桿加固支護(hù)有效地提高了坡體的穩(wěn)定性。

圖9 邊坡計(jì)算分析模型：錨桿加固狀態(tài)整體穩(wěn)定性分析

圖10 邊坡計(jì)算分析模型：錨桿加固狀態(tài)局部穩(wěn)定性分析

2.5 設(shè)計(jì)方案決策

考慮到現(xiàn)場場地和地形的限制和約束，以及加固方案施工的可行性，最終選擇用錨桿加固作為加固措施。錨桿加固的方案性價比相對比較高，對周邊環(huán)境影響小，適應(yīng)場地周遭約束?？紤]到邊坡土壤以及地下水對錨桿鋼筋具有輕度的腐蝕性，作者提出了應(yīng)對腐蝕的防護(hù)措施，使用鍍鋅鋼筋，實(shí)際用料鋼筋半徑再加2mm的腐蝕犧牲厚度。

邊坡錨桿加固狀態(tài)穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果 表4

從環(huán)境和可持續(xù)性的角度出發(fā)，作者建議保護(hù)現(xiàn)有的樹木，并且錨桿加固完工后在坡面上進(jìn)行種植和綠化。在排水方面，提出建議在坡頂和坡腳同時修建U型排水溝，以及坡峰到坡腳的跌水槽建立一個完整的地表水如雨水等的收集排水系統(tǒng)。

為了監(jiān)測錨桿加固工程施工對鄰近地面和建筑物、構(gòu)筑物的影響，還提出了一個綜合的沉降以及振動監(jiān)測方案，通過安裝沉降標(biāo)記點(diǎn)、傾斜和建筑物沉降檢查點(diǎn)和振動檢查點(diǎn)來檢測地面沉降、現(xiàn)有建筑物、構(gòu)筑物的傾斜和振動，監(jiān)測的頻率建議是在整個施工期間每天都測量所有監(jiān)測點(diǎn)，這樣就能及時掌握工程動態(tài)以及對附近環(huán)境的影響。

3 結(jié)語

本文運(yùn)用Geo－Studio軟件對未加固的邊坡及加固后的穩(wěn)定性分析計(jì)算，得出以下結(jié)論：邊坡在未加固情況下在天然和暴雨工況下存在局部不穩(wěn)定，邊坡均可能出現(xiàn)失穩(wěn)狀態(tài)，針對該邊坡采取錨桿加固方案后，其穩(wěn)定性明顯得到提高，在各工況下均處于穩(wěn)定狀態(tài)。