復雜高填方邊坡設計關鍵問題討論

胡裕生，張登

(福建省建筑輕紡設計院 福建福州 350001)

引 言

山區(qū)工程建設中，為獲得平整場地時常需要修建高填方邊坡。此類工程受到外部及自身條件的嚴重制約，而給工程設計及施工帶了極大的困難。此外，此類高填方邊坡如不慎重處理，將成為滑坡危險源，給鄰近建構(gòu)筑物安全構(gòu)成嚴重威脅[1]。因此，開展此類邊坡的針對性研究具有重要的理論及現(xiàn)實意義。高填方邊坡設計的復雜性主要體現(xiàn)在四個方面:一是邊坡的高度過大，致使邊坡整體穩(wěn)定性難以保證，擋土結(jié)構(gòu)土壓力急劇增長，地基土地基承載力難以滿足要求;二是填土質(zhì)量難以保證，填土實際力學參數(shù)與設計參數(shù)存在差異，這種差異有時非常顯著，設計人員必須充分考慮;三是邊坡工程的長期性，永久性邊坡服役壽命長達50年，受到地震、地下水、地面堆載、風化侵蝕等一系列外界因素的強烈影響，這些因素對邊坡的影響目前尚難以做出準確估計，致使設計人員很難在工程經(jīng)濟性與安全性之間做出正確的權衡[2]。四是邊坡通常鄰近建構(gòu)筑物，這對邊坡的變形控制提出了更高的要求此外鄰近建筑群體的景觀要求，也是該類邊坡設計不可忽視的因素。由于上述因素造成的高填方邊坡設計關鍵問題主要包括:

(1)整體穩(wěn)定問題;

(2)土壓力問題;

(3)地基承載力問題;

(4)外部穩(wěn)定性問題;

(5)變形控制問題。

針對本文此類工程問題，以福建某高填方邊坡設計為例，在分析復雜高填方擋墻受力特點的基礎上說明了此類高填方擋墻設計關鍵問題的解決方案。本工程研究成果可為類似工程的設計和施工提供借鑒。

1 工程概況

圖1 場地總平圖

1.1 高填方邊坡概況

福建某小區(qū)建設，為獲得平整場地需填筑高填方邊坡。原始地面高程約490.600m，設計地面高程513.100m，邊坡總高度約22.5m。距離坡腳約20m為既有多層框架結(jié)構(gòu)住宅。擬建建筑物距坡腳約15.5m～25.5m，為地上32層，地下3層住宅。建筑結(jié)構(gòu)采用剪力墻結(jié)構(gòu)，樁基礎采用沖鉆孔灌注樁。場地總平圖如(圖1)所示。

1.2 場地工程地質(zhì)概況

場地位于閩南低山丘陵地帶，土層自上而下如(表1)所示。

表1 各土層物理力學性質(zhì)

不難看出，除需邊坡填土外，既有場地尚存在較厚的填土層。這導致邊坡整體穩(wěn)定性及地基承載力難以滿足要求，需慎重處理。

2 邊坡設計關鍵問題及應對方案

2.1 整體穩(wěn)定問題

提高填土質(zhì)量是保證填方邊坡整體穩(wěn)定性最有效且最為廉價的方法。但由于目前工程施工市場的混亂，通常填土質(zhì)量難以保證。對此，采用加筋土擋墻方案，每400mm鋪設一層加筋土，并對填土進行碾壓，以盡可能確保填土質(zhì)量。此外，根據(jù)場地條件，將加筋土擋墻做成臺階狀，每階高度3.2m，坡度1:0.05，臺階寬度1.5m，進一步減小下滑力。

邊坡地基土體較為軟弱，容易形成剪出口，造成邊坡整體失穩(wěn)。因此，必須對邊坡土體進行必要的加固。由于場地鄰近既有建筑物，不宜采用強夯方案。擬采用CFG樁對地基土體進行加固。此外，坡腳設置扶壁式擋墻，用以對坡腳應力集中部位進行加強。

按上述設計方案建立計算模型，計算邊坡安全系數(shù)為1.35，潛在滑動面如(圖2)所示。從圖中可以看出，坡腳部位邊坡潛在滑動面穿過CFG樁樁身。由于CFG樁抗拉抗剪性能較弱，為防止此部分CFG樁失效，采用內(nèi)插鋼筋籠的方式對此部分CFG樁進行補強。鋼筋籠的配筋原則是將邊坡穩(wěn)定計算所得下滑力乘以1.35扣除邊坡抗滑力所得外力全部由此部分CFG樁承擔。

圖2 高填方邊坡設計方案及潛在滑動面

2.2 土壓力問題

隨著邊坡高度的增加，擋土結(jié)構(gòu)承受的土壓力急劇增加。為解決整體穩(wěn)定問題所設置的加筋土，恰好可以起到顯著減小土壓力的作用。此外，臺階式放坡也使得土壓力有進一步減小[3]。然而，這兩項因素的疊加卻給計算土壓力造成了困難。文獻[4]、文獻[5]均只給出直立式加筋土擋墻土壓力的計算方法，對于臺階式加筋土擋墻并未涉及。楊廣慶等[6]在這方面開展了有益的研究，提出了計算多級加筋土擋墻土壓力的改進方法，但該方法在計算級數(shù)較多加筋土擋墻的適用性仍有必要進行進一步研究，且計算過程也較為繁瑣。本文采用的方法是:先根據(jù)直立式擋墻的計算公式計算邊坡土壓力，再根據(jù)式(1)進行折減的方法[7]:

式中:ξ－土壓力折減系數(shù);

β－邊坡坡度，對臺階式邊坡取總體坡度;

φk－邊坡土體內(nèi)摩擦角。

2.3 地基承載力問題

根據(jù)勘察報告場地地基土土體為雜填土，地基承載力特征值僅為80kPa。遠不能滿足填筑高填方邊坡的需要。為解決整體穩(wěn)定問題設置的CFG樁，同時起到提高地基土地基承載力的作用。本工程將CFG樁設置為臺階狀。這主要出于三個方面的原因考慮:一是保護已施工工程樁，二是保證上部加筋材料具有足夠的延伸長度，三是起到防滑作用。此外，為形成復合地基，設置200厚碎石墊層。值得注意的是，由于既有地基土體為較厚雜填土層，為防止后期雜填土沉降導致填土與墊層脫開，導致復合地基失效。需對填土地面3m深度范圍內(nèi)，改用砂石墊層進行換填。

2.4 外部穩(wěn)定問題

本工程高填方邊坡后方為三層地下室，若視邊坡加筋土土體為整體，僅承受地下室底板以下不足4m高度土壓力，邊坡抗滑移、抗傾覆穩(wěn)定性較容易得到滿足。需要指出的是，對于鄰近高層建筑物的填方邊坡，計算其抗傾覆、抗滑移穩(wěn)定性時必須計入視上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位，計入上部結(jié)構(gòu)傳來荷載的影響。若上部結(jié)構(gòu)嵌固部位位于邊坡坡腳以下，可不計入此部分荷載的影響，若上部結(jié)構(gòu)嵌固部位位于邊坡腳以上，則需要計入該部分荷載的影響。一般認為，當邊坡坡頂距離建筑物距離超過坡高兩倍時，可不計入上部結(jié)構(gòu)荷載的影響。但其理論依據(jù)還有待進一步研究。

對于坡腳剛性扶壁式擋墻，當填土較厚時，通常可采取兩種方案解決其外部穩(wěn)定性問題。一是樁承方案，通過設置樁基礎解決擋墻計算承載力問題，利用樁基抗壓及抗拔解決擋墻抗傾覆穩(wěn)定性問題，利用樁的水平承載力解決其抗滑移穩(wěn)定性問題。然而，由于填方擋土墻墻后土壓力較大，而樁的水平承載力通常較其豎向承載力小許多。這導致按承載豎向荷載計算的樁基數(shù)量通常僅為按承載水平荷載計算的樁基數(shù)量的1/10，甚至更少，這種設計你較不合理，給工程造成極大的浪費。并且，由于剛性擋墻底板的大小通常受到用地紅線，鄰近建筑物等的限值，尺寸不能過大。而樁基礎之間又有樁間距的要求。這導致這一方案，有時是難以實施的。二是，用將樁基礎與擋墻底板脫開的方案。此時，需要在地基與擋墻底板之間設置墊層，墊層與剛性樁形成復合地基共同承擔豎向荷載。抗滑移穩(wěn)定性主要底板與墊層之間的摩擦力保證。此時，墊層設置就成為關鍵因素，墊層不宜過厚，影響摩擦力發(fā)揮。也不宜過薄，影響復合地基的形成。其厚度一般取200～1000mm，設計時需根據(jù)樁間距綜合考慮。梁永輝[3]建議初步設計取樁間距的20～30%。

2.5 變形控制問題

為控制邊坡變形，本工程不再采用土工格柵而改用CAT鋼塑復合帶。這主要出于兩個方面的原因:一是CAT鋼塑復合帶的強度和剛度更好，有利于控制變形。二是高填方擋墻下部土壓力較大，需要高強度材料來保證擋墻的內(nèi)部穩(wěn)定性。

高填方擋墻施工完成后，土體的固結(jié)將引起邊坡的較大沉降。倘若冒然施工坡頂?shù)缆芳肮芫€，將極易造成道路及管線損毀。因此，坡頂建構(gòu)筑物應待邊坡沉降穩(wěn)定后再施工。此外，為加快邊坡固結(jié)進程，除施工期注意分層碾壓質(zhì)量外，可在邊坡適當位置設置砂井以利于排水。

3 結(jié)論

(1)高填方邊坡設計復雜性是要體現(xiàn)在邊坡高度過大，穩(wěn)定性難以保證;填土質(zhì)量難以保證;邊坡服役期長，外部條件對邊坡影響難以估計以及受到鄰近建筑物因素制約四個方面。

(2)復雜邊坡設計的關鍵問題主要包括:整體穩(wěn)定問題，土壓力問題，地基承載力問題，外部穩(wěn)定性問題及變形控制問題五個方面。

(3)通過設置臺階式加筋土擋墻及CFG樁復合地基并采取合理的局部加強措施并合理安排施工順序可較好地解決上述問題。

(4)第(3)點所述加強措施，主要包括坡腳設置剛性扶壁式擋墻及坡腳CFG樁內(nèi)插鋼筋籠兩個方面。

[1]殷躍平，鄢毅，陳波，唐輝明，林彤.三峽庫區(qū)巫山新城超高加筋擋

墻變形破壞及修復研究[J].工程地質(zhì)學報，2003，(1):89－99.

[2]張井泉.高填方邊坡穩(wěn)定性研究[D].西南交通大學，2009.

[3]梁永輝.鄰近建筑軟基高填方支擋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計[J].巖土工程學報，2013，35(supp.2):697 －701.

[4]JTG D30－2004，公路路基設計規(guī)規(guī)范[S].

[5]TB10001－2005，鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設計規(guī)范[S].

[6]楊廣慶.臺階式加筋土擋土墻設計方法的研究[J].巖石力學與工程學報，23(4):695～698.

[7]JGJ 120－99，建筑基坑支護技術規(guī)程[S].