某加油站邊坡加固及靜力穩(wěn)定性分析

白生學(xué) 葉帥華

（1 甘肅中凱建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730050；2 蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

1 工程概況

富源加油站改造項(xiàng)目場(chǎng)地位于甘肅省蘭州市榆中縣定遠(yuǎn)鎮(zhèn)定遠(yuǎn)村的北部、國(guó)道312線的東側(cè)，該加油站為已建工程，此次改造項(xiàng)目主要是對(duì)建筑物周圍的邊坡進(jìn)行改造治理。原邊坡以加油站營(yíng)業(yè)廳東側(cè)外墻為分界，以東為自然邊坡，高度在3.0m左右；以西為已采用毛石擋墻加固的邊坡，但是在營(yíng)業(yè)廳背面?zhèn)鹊拿瘬鯄τ捎谟晁鑼?dǎo)不暢已出現(xiàn)明顯破壞，營(yíng)業(yè)廳西側(cè)外墻以西的毛石擋墻基本完好，高度均在3.0m左右。本次改造項(xiàng)目不僅對(duì)站內(nèi)相關(guān)建筑設(shè)施進(jìn)行改造治理，而且考慮到周邊邊坡的永久性安全，對(duì)邊坡也進(jìn)行加固處理。邊坡總長(zhǎng)大約81.5m，根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB50330-2013）的規(guī)定，該邊坡的安全等級(jí)為二級(jí)。

2 Geo-Studio

Geo-Studio有限元分析軟件是由全球著名的加拿大巖土軟件開(kāi)發(fā)商GEO-SLOPE公司在七十年代開(kāi)發(fā)的面向巖土、采礦、交通、水利、地質(zhì)、環(huán)境工程等領(lǐng)域開(kāi)發(fā)的一套仿真分析軟件，是全球最知名的巖土工程分析軟件之一，現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于各種復(fù)雜巖土工程項(xiàng)目的有限元分析中，對(duì)邊坡開(kāi)挖及加固后的靜力與動(dòng)力穩(wěn)定性分析結(jié)果較為貼合實(shí)際。

3 模型建立

計(jì)算模型所選斷面為該邊坡的一典型斷面，在Geo-Studio軟件的SLOPE/W模塊中建立兩種工況下的計(jì)算模型。邊坡安全等級(jí)為二級(jí)，邊坡按單級(jí)設(shè)計(jì)，邊坡設(shè)計(jì)坡角為80°。在邊坡加固深度范圍內(nèi)，土體土質(zhì)均勻，主要為素填土和黃土狀粉土。邊坡土體參數(shù)根據(jù)《巖土工程勘察報(bào)告》和工程經(jīng)驗(yàn)選擇,具體見(jiàn)表1。

表1 邊坡土體參數(shù)

4 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

穩(wěn)定性計(jì)算中考慮的工況主要包括：工況一：削坡，無(wú)支護(hù)；工況2：削坡，有支護(hù)。計(jì)算過(guò)程中考慮在坡頂位置施加面荷載用來(lái)模擬加油站建筑物所產(chǎn)生的自重，面荷載為20kPa的均布力。

邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fst可以定義為假定滑動(dòng)面上的抗滑力與下滑力之比。由于該邊坡的安全等級(jí)為二級(jí)，所以根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50330-2013）規(guī)定，工況一的Fst按臨時(shí)邊坡考慮取1.20；工況2的Fst按永久邊坡的一般工況考慮取1.30。

在邊坡斷面上采用Morgenstern-Price法進(jìn)行極限平衡穩(wěn)定分析，求得在兩種工況下的穩(wěn)定性系數(shù)。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖1～2和表2。

從計(jì)算結(jié)果可以看到，邊坡在完成削坡后，未加固處理（工況一）時(shí)的穩(wěn)定性系數(shù)Fs是2.232，大于工況一的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fst（1.20），所以該邊坡加固前就處于穩(wěn)定狀態(tài)；在完成加固處理后，穩(wěn)定性系數(shù)Fs是7.092，遠(yuǎn)大于工況二的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fst（1.30），穩(wěn)定性得到明顯的提高。

圖1 工況一穩(wěn)定性計(jì)算

圖2 工況二穩(wěn)定性計(jì)算

表2 穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算值

5 邊坡變形穩(wěn)定性復(fù)核

對(duì)變形穩(wěn)定性進(jìn)行復(fù)核的目的是為了各全面的分析邊坡支護(hù)方案的治理效果。具體由Geo-S-Tudio中的SIGMA/W模塊計(jì)算完成。在SIGMA/W模塊分別建立兩種不同工況下的邊坡模型。對(duì)模型左右邊界均約束其X方向變形，對(duì)下部邊界均約束其X、Y兩個(gè)方向的變形?？蚣芰?、基礎(chǔ)樁和錨桿錨固段用結(jié)構(gòu)梁模擬，錨桿自由段用結(jié)構(gòu)桿模擬。土體模型采用彈塑性本構(gòu)模型即摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5～6、表3～5。

表3 坡面不同工況下最大變形量

表4 建筑基底不同工況下最大變形量

表5 坡底平臺(tái)不同工況下最大變形量

圖3 工況一整體變形圖

圖4 工況二整體變形圖

從邊坡加固前后的計(jì)算結(jié)果可以看出，邊坡在經(jīng)過(guò)加固以后，坡面、建筑基底和坡底平臺(tái)處的豎向的最大變形量以及建筑基底處的水平最大變形量都有不同程度的減小，但是坡面和坡底平臺(tái)處的水平最大位移卻增加了。提取錨桿錨固段和自由段軸力數(shù)據(jù)，得到錨桿錨固段軸力最大值為21.56kN，但錨桿自由段軸力卻為30kN，這說(shuō)明施加的預(yù)應(yīng)力沒(méi)有損失（因?yàn)殄^桿中施加的預(yù)應(yīng)力為30kN）。這也就導(dǎo)致坡面和坡底平臺(tái)處的水平變形在經(jīng)過(guò)加固后沒(méi)有減小反而增大。

復(fù)核結(jié)果表明加固措施對(duì)提高邊坡的穩(wěn)定性起到了較為顯著的作用。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)采用Geo-Studio有限元分析軟件對(duì)中石油富源加油站邊坡支護(hù)工程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，可以確定對(duì)邊坡采用框架預(yù)應(yīng)力錨桿擋墻支護(hù)以后穩(wěn)定性得到明顯的提高，但是對(duì)錨桿施加的預(yù)應(yīng)力如果沒(méi)有發(fā)揮應(yīng)有的作用，則可能引起邊坡位移的增大，因此在邊坡支護(hù)方案設(shè)計(jì)中，對(duì)所施加預(yù)應(yīng)力的大小要引起足夠重視。