甘肅蘭州某黃土建筑高邊坡失穩(wěn)原因及補(bǔ)強(qiáng)治理方案

賴國泉，任慶釗，張俊德

(中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

甘肅蘭州某黃土建筑高邊坡失穩(wěn)原因及補(bǔ)強(qiáng)治理方案

賴國泉，任慶釗，張俊德

(中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

通過對(duì)蘭州市某黃土建筑高邊坡現(xiàn)場(chǎng)變形及工程地質(zhì)條件系統(tǒng)調(diào)查的基礎(chǔ)上，采用有限元軟件Plaxis對(duì)目前開挖狀態(tài)下坡體應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行了數(shù)值分析，并對(duì)該邊坡實(shí)施了地表及支護(hù)結(jié)構(gòu)物表面位移監(jiān)測(cè)。在以上基礎(chǔ)上分析了該邊坡失穩(wěn)的原因，并針對(duì)該邊坡的治理難度及特點(diǎn)，提出了合理治理方案并得出以下結(jié)論：(1)位移監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，目前變形以水平位移為主，沉降較小。22個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，14個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)水平位移超過20 mm，17個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)日平均水平位移速率大于0.2 mm/d。累計(jì)水平位移至已超過規(guī)范警戒值，及時(shí)實(shí)施坡頂應(yīng)急搬遷及坡腳停止施工的措施、坡頂建筑物拆遷后，位移速率呈明顯降低趨勢(shì)。(2)有限元分析表明，原支護(hù)樁基埋置深度較淺，未進(jìn)入卵石層，樁錨固段過短，且錨桿沒有穿過滑裂面，無法提供錨固力，支護(hù)樁產(chǎn)生了傾倒式變形，這與位移監(jiān)測(cè)以水平變形為主是吻合的。(3)基于強(qiáng)腰固腳的理念，提出了坡體上部減載，中部錨固，下部抗滑樁支擋的合理治理方案；(4)針對(duì)該超限邊坡長期穩(wěn)定監(jiān)測(cè)，提出施工兩年后監(jiān)測(cè)到期，采取延長監(jiān)測(cè)、減少次數(shù)、重點(diǎn)監(jiān)控的建議。

黃土高邊坡；長期監(jiān)測(cè)；有限元分析；補(bǔ)強(qiáng)治理

0 引言

近年來，隨著城市化進(jìn)程的加快，山地城市地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。例如2015年12月20日發(fā)生的深圳市紅坳南山城建棄土場(chǎng)滑坡[1]，造成77 人遇難或失聯(lián)、33棟建筑物被掩埋或不同程度損壞。蘭州市是黃河階地上典型的山地—河谷型城市，由于特殊的地形、地貌、地質(zhì)、氣候條件以及強(qiáng)烈的人類活動(dòng)，使滑坡、崩塌、不穩(wěn)定斜坡等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)[2-4]。近年來，隨著城市化進(jìn)程加快與工程活動(dòng)加劇，城區(qū)黃土滑坡地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，蘭州已成為我國地質(zhì)災(zāi)害最為嚴(yán)重的省級(jí)城市之一。

由于黃土具有“粘聚力高、結(jié)構(gòu)性強(qiáng)、直立性好”等特點(diǎn)[5]，針對(duì)黃土中低邊坡治理設(shè)計(jì)，一般以工程類比法為主，力學(xué)驗(yàn)算法為輔進(jìn)行[6-8]。具體采取了“寬臺(tái)陡坡”的治理形式。國內(nèi)各部門對(duì)高度在15 m以下的中、低黃土邊坡做過較為系統(tǒng)的研究[9-10]，并在其各自的規(guī)范中提出明確的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)邊坡工程實(shí)踐。而對(duì)于15 m以上的黃土高邊坡變形破壞機(jī)理、開挖設(shè)計(jì)和防護(hù)方面的系統(tǒng)研究成果較少，也無規(guī)范可依。以致因設(shè)計(jì)不當(dāng)而導(dǎo)致的黃土高邊坡破壞現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生?！督ㄖ吰鹿こ碳夹g(shù)規(guī)范》(GB50330-2013)規(guī)定[11]：超限邊坡應(yīng)進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)，采取有效、可靠的加強(qiáng)措施。

本文以蘭州市某建筑黃土高邊坡為例，分析了造成該建筑邊坡失穩(wěn)的原因，并提出了正確的補(bǔ)強(qiáng)治理方案。為同類工程的實(shí)施提供相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概述

1.1 工點(diǎn)概況

工點(diǎn)位于蘭州市七里河區(qū)，屬于侵蝕—堆積河谷平原地貌，為黃河南岸Ⅲ級(jí)階地，后期受人工改造較大，坡腳由于要建住宅，開挖形成了高度大約35 m的黃土高邊坡。坡頂為公交公司6層住宅樓，基礎(chǔ)為淺基礎(chǔ)。

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)勘察報(bào)告，勘探深度范圍內(nèi)地層主要由新近堆積雜填土、黃土狀粉土、粉土、卵石等四個(gè)主要地層。開挖深度范圍內(nèi)地層主要為黃土狀粉土和卵石二元結(jié)構(gòu)。黃土狀粉土：黃褐色，稍濕，稍密，土質(zhì)較均勻，含少量鈣質(zhì)白色假菌絲，零星含有鈣質(zhì)結(jié)核，一般具有中等-強(qiáng)烈濕陷性。該層層厚16.6～30.62 m。卵石層：系沖洪積成因，雜色，稍濕，磨圓度呈次圓狀，分選性較差，最大粒徑約150 mm，一般粒徑為40～60 mm，細(xì)粗砂充填。場(chǎng)地內(nèi)地下水以孔隙潛水為主，主要賦存于下部卵石層中，接受大氣降水及側(cè)向徑流的補(bǔ)給，向黃河方向排泄，水位埋藏較深。邊坡工程設(shè)計(jì)與施工時(shí)，可不考慮地下水的影響。

1.3 原治理措施及施工現(xiàn)狀

原設(shè)計(jì)上部采用錨桿、漿砌石護(hù)坡，下部采用雙排鉆孔灌注樁與預(yù)應(yīng)力錨桿相結(jié)合的樁錨支護(hù)方案(圖1)。支護(hù)樁直徑1 m，樁中-中間距為2.5 m。

圖1 原設(shè)計(jì)典型斷面圖Fig.1 The typical profile of the original design

現(xiàn)場(chǎng)變形調(diào)查時(shí)，兩排支護(hù)樁已施工完畢，正在實(shí)施兩排樁之間聯(lián)系梁，后排樁上部三排錨桿已實(shí)施，其余錨桿未施工。

2 現(xiàn)場(chǎng)變形及地表位移監(jiān)測(cè)分析

2.1 現(xiàn)場(chǎng)宏觀變形

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表明，坡體頂部家屬院內(nèi)距坡口線20 m、26 m、32 m產(chǎn)生了三條貫通拉張裂縫，裂縫寬2～4 cm，走向基本平行于邊坡走向，裂縫長度分別為68 m、62 m、43 m。

2.2 地表位移監(jiān)測(cè)

為及時(shí)掌握坡體變形趨勢(shì)，達(dá)到安全預(yù)警的目的，對(duì)該邊坡實(shí)施了地表位移變形監(jiān)測(cè)。采用全站儀進(jìn)行觀測(cè)，共設(shè)置22個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)為JC1～JC22。

監(jiān)測(cè)初始日期為2016年1月12日，截止2016年4月12日，共監(jiān)測(cè)90次，監(jiān)測(cè)成果見表1、圖2。

表1 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果匯總

由以上監(jiān)測(cè)結(jié)果分析可知(圖3)：

(1)自2016年1月12日監(jiān)測(cè)以來，坡體一直處于蠕動(dòng)變形狀態(tài)，變形方向朝向臨空側(cè)(即基坑的方向)；

(2)截止2016年4月12日，累計(jì)水平位移分布范圍見表2。由表2可知，超過60%的監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)水平位移大于20 mm。

表2 累計(jì)水平位移分布范圍

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意Fig.2 Monitoring point arrangement diagram

(3)由表1分析可知，22個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，有17個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)日平均水平位移速率大于0.2 mm/d。《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330-2013)規(guī)定：“土質(zhì)邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)坡頂?shù)淖畲笏轿灰埔汛笥谶吰麻_挖深度的1/500或20 mm，以及其水平位移速率已連續(xù)3天大于2 mm/d，應(yīng)報(bào)警并采取應(yīng)急措施?！痹撨吰伦员O(jiān)測(cè)以來，由于累計(jì)水平位移值超過了警報(bào)值，及時(shí)上報(bào)了業(yè)主并采取了相關(guān)措施，停止了坡腳一切施工，坡頂居住居民進(jìn)行了搬遷以及3號(hào)住宅樓進(jìn)行了拆遷。3月10日拆遷工作完成后，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形速率明顯降低。

圖3 典型監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)水平位移—時(shí)間曲線Fig.3 The typical monitoring cumulative horizontal displacement-time curve

(4)由表1及圖4分析可知，大部分支護(hù)結(jié)構(gòu)物表面監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降較小，目前支護(hù)結(jié)構(gòu)物變形以水平變形為主。但位于3號(hào)樓靠近臨空側(cè)的坡體頂部左右側(cè)JC16點(diǎn)(鍋爐房附近)與JC17點(diǎn)(3號(hào)樓中間)累計(jì)沉降達(dá)-54 mm與42 mm，表明目前3號(hào)樓附近坡體沉降明顯。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，該邊坡在開挖時(shí)，公交公司家屬院曾出現(xiàn)較大量的漏水，漏水直接下滲至黃土內(nèi)部，易引起坡體變形，是造成JC16、JC17點(diǎn)沉降較大的原因之一。

圖4 典型監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降—時(shí)間曲線Fig.4 The typical monitoring cumulative settlement-time curve

3 有限元數(shù)值模擬分析

3.1 模型建立

模型參照1-1斷面，采用平面應(yīng)變，結(jié)構(gòu)單元選取15-節(jié)點(diǎn)單元；賦予土體和旋噴樁材料屬性，巖土體物理力學(xué)參數(shù)選取參考地勘報(bào)告及本地區(qū)經(jīng)驗(yàn)值綜合確定(表3)。目前開挖狀態(tài)下模型圖見圖5。采用二維有限元軟件plaxis進(jìn)行分析。

表3 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

圖5 數(shù)值模型圖Fig.5 The numerical model figure

3.2 模擬工況

按9個(gè)工序模擬現(xiàn)場(chǎng)施工過程，依次為：①加載(樓房荷載按90 kN/m2均布荷載考慮)；②坡面防護(hù)施工；③內(nèi)側(cè)樁基施工；④開挖第一層土體及施工第一層錨桿；⑤開挖第二層土體及施工第二層錨桿；⑥開挖第三層土體；⑦外側(cè)樁基施工；⑧開挖第四層土體及施工第三層錨桿；⑨開挖第五層土體。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

由圖6分析可知，該邊坡的變形主要集中在距坡頂坡口線32 m處，且距邊坡坡口線越近變形越大，最大變形區(qū)域集中在樁頂位置?，F(xiàn)場(chǎng)開挖最后一道工序時(shí)，因坡頂6層居民樓及硬化路面出現(xiàn)裂縫停止施工，水平位移最大值達(dá)到5.4 cm，計(jì)算結(jié)果中裂縫在坡頂出現(xiàn)的位置與現(xiàn)場(chǎng)變形情況相吻合。若繼續(xù)開挖邊坡，邊坡的變形將持續(xù)增大，可能導(dǎo)致計(jì)算模型中出現(xiàn)的情況，計(jì)算不收斂，樁后土體出現(xiàn)傾倒式破壞。

圖6 工況9總位移變形圖Fig.6 The excavation to the working condition of 9 total displacement deformation figure

由圖7可知，開挖至現(xiàn)場(chǎng)施工情況時(shí)應(yīng)力最大值為245.86 kN/m2；樁腳以及周圍土體處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。隨著邊坡開挖深度的增大，塑性屈服區(qū)域出現(xiàn)向外圍土體擴(kuò)大的趨勢(shì)；塑性屈服點(diǎn)分布呈鍥體狀，坡面位置屈服點(diǎn)分布從邊坡邊緣32 m至邊坡坡口線位置，下側(cè)屈服點(diǎn)集中分布在樁腳處，屈服點(diǎn)在坡面和坡腳之中貫通，形成破裂面。

圖7 開挖至工況9剪應(yīng)力圖Fig.7 Shear stress figure of working condition of 9

綜上分析可知，原治理措施錨桿長度較短。從圖中可以看出錨桿沒有穿過滑裂面，其計(jì)算不收斂的原因是樁基埋置深度較淺，樁前土體厚度較小，且錨桿沒有穿過滑裂面導(dǎo)致錨桿不能提供足夠的錨固力。

4 邊坡失穩(wěn)原因分析

引起該邊坡失穩(wěn)的原因是多方面，通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與分析，并結(jié)合數(shù)值仿真分析得出主要是受以下兩方面的原因。

(1)有限元計(jì)算表明，原治理措施預(yù)應(yīng)力錨桿長度不足，錨固段大部分沒有穿過破裂面，無法提供錨固力。支護(hù)樁樁底位于卵石層頂面，未深入卵石層一定深度，設(shè)置過短，導(dǎo)致支護(hù)樁產(chǎn)生了傾倒式變形。邊坡支擋結(jié)構(gòu)設(shè)置不當(dāng)是引起該邊坡失穩(wěn)的主要原因。

(2)巖土工程設(shè)計(jì)與施工是一個(gè)系統(tǒng)工程，施工工序開挖需一環(huán)扣一環(huán)，完全按照設(shè)計(jì)設(shè)定的工序下進(jìn)行，才能保證治理的成功?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表明，本邊坡開挖存在超挖現(xiàn)象。下部已經(jīng)開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高(卵石層附近)，而兩排樁之間的連接頂梁正在施工，頂梁位置的錨桿隨施工完成但尚未張拉，第四排錨桿尚未施工。因此兩排樁不能整體受力、部分錨桿沒有受力、下排尚無錨桿(未施工)，在未全部實(shí)施防護(hù)工程時(shí)邊坡已開挖到位，也是引起坡體變形的原因之一。

5 補(bǔ)強(qiáng)治理方案

5.1 治理難點(diǎn)

(1)邊坡高度超標(biāo)

該邊坡開挖深度達(dá)35 m，已超過《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330-2013)的規(guī)定，土質(zhì)建筑邊坡不超過15 m的設(shè)計(jì)原則。

(2)周邊地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜

該邊坡不穩(wěn)定地層主要為黃土狀粉土，具有中等～強(qiáng)烈濕陷性，為特殊巖土體。邊坡場(chǎng)地的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以垂直升降運(yùn)動(dòng)為主，形成多級(jí)階地，各階地間高差變化明顯，階地高差的懸殊變化特征是區(qū)域性升降運(yùn)動(dòng)劇烈而頻繁的表征，并構(gòu)成了獨(dú)特的二元結(jié)構(gòu)地貌，為滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育提供了有利條件。

(3)周邊建筑物密集

開挖邊坡坡腳擬布設(shè)四棟高層建筑，高層距坡腳只有10 m左右。坡頂為既有建筑小區(qū)，距坡口線只有5 m左右，現(xiàn)3#住宅已產(chǎn)生變形，根據(jù)當(dāng)?shù)卣?guī)劃，目前在拆除。

5.2 治理措施

考慮到以上治理難點(diǎn)，對(duì)該邊坡治理采取專項(xiàng)設(shè)計(jì)，邊坡工程安全等級(jí)按一級(jí)考慮，采用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)法，即依據(jù)施工及監(jiān)測(cè)過程中反饋的信息及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)。

邊坡加固工程的原則一般為固腳強(qiáng)腰，即穩(wěn)固坡腳，加強(qiáng)坡面防護(hù)。一般情況下可在上部減載，中部(坡面)設(shè)置錨索框架，并在下部設(shè)置抗滑樁進(jìn)行支擋防護(hù)。

本工程擬在目前邊坡平臺(tái)(兩排樁連接頂板處)設(shè)置錨索抗滑樁，該處設(shè)置較寬的平臺(tái)后按1∶0.5坡率刷方高10 m，該級(jí)邊坡采用錨索框架防護(hù)，其上按15 m左右平臺(tái)刷方減載，厚7.5 m左右，刷方后邊坡坡率1∶1.5，采用拱形骨架防護(hù)。典型治理斷面及平面見圖8、圖9。

5.3 長期穩(wěn)定監(jiān)測(cè)的特殊要求

《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)要求指出[6]規(guī)定：“一級(jí)永久性邊坡工程竣工后的監(jiān)測(cè)時(shí)間不宜少于2年”。鑒于該邊坡工程的特殊性與重要性，竣工后按既有方案進(jìn)行監(jiān)測(cè)，竣工兩年后已趨于穩(wěn)定的項(xiàng)目應(yīng)適當(dāng)延長監(jiān)測(cè)時(shí)間。其原則是:延長監(jiān)測(cè)年限，減少監(jiān)測(cè)次數(shù)(每年2次)，抓住重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)段、重點(diǎn)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目(變形和重點(diǎn)地段錨索應(yīng)力)和關(guān)鍵時(shí)間段(雨季)，努力做到每次監(jiān)測(cè)后及時(shí)分析，并完善長期發(fā)展趨勢(shì)資料，使監(jiān)測(cè)資料真正起到反映邊坡治理后的穩(wěn)定狀態(tài)。

圖8 典型補(bǔ)強(qiáng)治理斷面Fig.8 Typical reinforcing management section

圖9 工程布置平面圖Fig.9 The project plan

6 結(jié)論

(1)位移監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，目前變形以水平位移為主，沉降較小，22個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，14個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)水平位移超過20 mm，17個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)日平均水平位移速率大于0.2 mm/d，累計(jì)水平位移已超過規(guī)范警戒值，及時(shí)實(shí)施坡頂應(yīng)急搬遷及坡腳停止施工的措施，坡頂建筑物拆遷后，位移速率呈明顯降低趨勢(shì)。

(2)有限元分析表明，原支護(hù)樁基埋置深度較淺，未進(jìn)入卵石層，樁錨固段過短，且錨桿沒有穿過滑裂面，無法提供錨固力，支護(hù)樁產(chǎn)生了傾倒式變形，這與位移監(jiān)測(cè)以水平變形為主是吻合的。

(3)基于強(qiáng)腰固腳的理念，提出了坡體上部減載，中部錨固，下部抗滑樁支擋的合理治理方案。

(4)針對(duì)超限邊坡的長期穩(wěn)定監(jiān)測(cè)提出，施工兩年后監(jiān)測(cè)到期，延長監(jiān)測(cè)，減少次數(shù)，重點(diǎn)監(jiān)控的監(jiān)測(cè)新理念。

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Instability of a high loess slope in Lanzhou city of Jiangsu province and suggestion for its reinforcement

LAI Guoquan，REN Qingzhao，ZHANG Junde

(NorthwestResearchInstituteCo.,Ltd.ofC.R.E.C.,Lanzhou,Gansu730000,China)

Through surveying the deformation and the engineering geological conditions of the loess high slope in Lanzhou. To take the finite element software Plaxis, By adopting the method of numerical simulation analysis of the current state of the excavation slope body stress and strain state, and take the implementation of displacement monitoring. On the basis of above analysis the causes of the slope instability. Against the difficulty of governance and characteristics of slope, this paper puts forward a reasonable management plan. (1) the displacement monitoring results shows the deformation is given priority to with horizontal displacement, subsidence is smaller 22 monitoring points, 14 cumulative horizontal displacement monitoring points more than 20 mm, daily average of 17 monitoring displacement rate is greater than 0.2 mm/d. Cumulative horizontal displacement to more than standard value, and timely implementation of top emergency relocation and slope foot to stop construction of the measures, slope after building demolition, displacement rate showed a trend of decrease. (2) The finite element analysis shows the original supporting pile foundation embedment depth is shallow, not into the pebble bed, pile anchorage segment are too short, and no through the critical slip surface bolt, cannot provide the anchoring force, the dumping of supporting pile type deformation, this is given priority to with horizontal deformation and displacement monitoring are identical.(3) Based on the concept of strong waist GuJiao, this paper puts forward that the upper slope lightening, central anchor, the lower of anti-slide pile retaining reasonable management plan. (4) For the overrun slope stability monitoring, it is suggested that after two years of monitoring expires, to extend the monitoring, reduce frequency, monitor and monitoring the new idea.

the loess high slope；long-term monitoring; the finite element analysis; reinforcing governance

10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.2017.01.06

2016-03-31;

2016-06-27

賴國泉(1981-)，男，碩士，工程師，主要從事地質(zhì)災(zāi)害治理相關(guān)研究方面的工作。E-mail：273085646@qq.com

O 319.56

A

1003-8035(2017)01-0036-07