蘭州地區(qū)某黃土高填方邊坡的穩(wěn)定性分析與聯(lián)合支護(hù)設(shè)計(jì)

李麒麟，丁保艷，王 鵬

(甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院， 甘肅 蘭州 730050)

在我國(guó)山區(qū)和丘陵地帶的城鎮(zhèn)化建設(shè)和交通等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，受到不利地形地貌條件的影響，時(shí)常需要對(duì)邊坡進(jìn)行挖填方工作，但由此引發(fā)的高填方邊坡失穩(wěn)案例時(shí)有發(fā)生，如貴州荔波機(jī)場(chǎng)[1]、昆明機(jī)場(chǎng)[2]、九寨黃龍機(jī)場(chǎng)[3]、攀枝花機(jī)場(chǎng)[4]等邊坡失穩(wěn)，特別是12.20深圳堆埋渣填土滑坡[5]造成77人死亡，可見該類填方邊坡失穩(wěn)事故造成了重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。為保證高填方工程本身的安全，需要對(duì)邊坡進(jìn)行支護(hù)。

對(duì)于一般填方邊坡，常見的支護(hù)形式有重力式擋土墻、護(hù)壁式擋土墻、懸臂式擋墻、加筋土擋墻等[6]。對(duì)高填方邊坡，一方面該類邊坡的挖填方工程破壞了原邊坡的穩(wěn)定性并改變邊坡徑流和滲流路徑等水文地質(zhì)條件，并具有高差大、工程地質(zhì)條件復(fù)雜、施工困難等特點(diǎn)；另一方面目前規(guī)范[7]對(duì)高度超過15 m的土質(zhì)邊坡尚無(wú)相應(yīng)的專項(xiàng)設(shè)計(jì)要求，造成其穩(wěn)定性分析和支護(hù)結(jié)構(gòu)的選取具有一定的難度。為滿足高填方邊坡工程建設(shè)的需要，謝春慶等[8]、王雙等[9]和孫晉超等[10]通過室內(nèi)外試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察等手段對(duì)填方邊坡的失穩(wěn)機(jī)制進(jìn)行了研究并提出相應(yīng)的處理措施，取得了較好的災(zāi)害治理效果，李波等[11]等對(duì)不同加固設(shè)計(jì)方案進(jìn)行數(shù)值模擬，給出了某高邊坡的最佳開挖加固方案。上述學(xué)者通過土工試驗(yàn)、數(shù)值模擬和地質(zhì)勘察等傳統(tǒng)手段對(duì)填方邊坡的穩(wěn)定性及其支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，但是山區(qū)高填方工程具有地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜、工期長(zhǎng)和填筑高度高等難點(diǎn)，因此為動(dòng)態(tài)地監(jiān)測(cè)變形同時(shí)控制其穩(wěn)定性，楊校輝等[12]在對(duì)某高填方的滑移過程進(jìn)行全過程的時(shí)空監(jiān)測(cè)，該動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)不僅可以預(yù)警潛在的失穩(wěn)，同時(shí)可以記錄工后沉降，進(jìn)行工后沉降分析。

對(duì)于黃土地區(qū)的填方邊坡，王衍匯等[13]對(duì)延安新區(qū)黃土高填方邊坡進(jìn)行有限元穩(wěn)定性分析，得出地震和地下水位的變化是影響其穩(wěn)定性的主要因素；同時(shí)為解決諸如樁基附加沉降、樁體彎曲等現(xiàn)象，張碩等[14]和魏愷鴻等[15]采用地形微變監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行全天候監(jiān)測(cè)，揭示了黃土高填方坡體加載過程中的力學(xué)與變形響應(yīng)；朱彥鵬等[16]基于極限平衡算法理論，提出了框架預(yù)應(yīng)力錨托板結(jié)構(gòu)加固高填方邊坡的設(shè)計(jì)理論，解決了預(yù)應(yīng)力錨桿(錨索)加固填土體錨固值偏低的問題。上述研究主要針對(duì)的是山區(qū)機(jī)場(chǎng)填方邊坡的支護(hù)研究[8-9,12]，少有對(duì)高陡填方邊坡的相關(guān)支護(hù)研究。

綜上，目前規(guī)范中尚未對(duì)黃土高填方邊坡的支護(hù)設(shè)計(jì)有對(duì)應(yīng)的要求，同時(shí)對(duì)高陡填方邊坡的治理缺乏足夠深入的認(rèn)識(shí)，對(duì)其相應(yīng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)選型、設(shè)計(jì)參數(shù)的選取和施工方案優(yōu)化等問題尚未有成熟可靠的參考。本文以蘭州某黃土高填方邊坡治理工程為依托，通過理論計(jì)算和數(shù)值模擬等手段，分析該高陡邊坡的穩(wěn)定性并提出聯(lián)合支護(hù)措施，相關(guān)研究結(jié)果可為類似黃土地區(qū)的高陡填方邊坡穩(wěn)定性設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況與特點(diǎn)

蘭州某高填方邊坡位于甘肅省榆中縣和平鎮(zhèn)，平面位置如圖1所示。

圖1 邊坡平面位置示意圖

該邊坡屬人工邊坡，邊坡高22 m～25 m，水平長(zhǎng)度430 m，整體走向?yàn)榻媳毕?。地震?dòng)峰值加速度0.20g，場(chǎng)地類別為III類場(chǎng)地。為提高邊坡的穩(wěn)定性，預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，保證后期坡頂和坡底建筑物的安全，考慮對(duì)該邊坡進(jìn)行治理。

1.1 地形地貌和地質(zhì)構(gòu)造

工程所在區(qū)為侵蝕堆積河谷臺(tái)地區(qū)與黃土梁區(qū)交匯部位。場(chǎng)地地形起伏較大。整體地勢(shì)西高東低，海拔在1 710 m～1 744 m之間。新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)在本區(qū)表現(xiàn)為垂直升降為主，測(cè)區(qū)內(nèi)屬于強(qiáng)烈上升區(qū)。據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，測(cè)區(qū)內(nèi)無(wú)隱伏斷裂，無(wú)活動(dòng)斷裂，地質(zhì)構(gòu)造對(duì)本工程無(wú)影響。

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

場(chǎng)地地層主要分布的是濕陷性砂質(zhì)黃土，且有較多的黃土陷穴，屬IV級(jí)濕陷性黃土場(chǎng)地。擬建場(chǎng)地?zé)o地表水及地下水分布，區(qū)內(nèi)最大凍結(jié)深度118 cm，為季節(jié)性凍土，凍結(jié)時(shí)間由11月至翌年的3月，存在一定的凍融凍脹危害。

1.3 邊坡特點(diǎn)

(1) 該邊坡相對(duì)高差約34 m，局部坡度可達(dá)65°，且需要進(jìn)行大量高填方作業(yè)，對(duì)高陡邊坡穩(wěn)定性十分不利。目前規(guī)范[7]對(duì)高度超過15 m的土質(zhì)邊坡尚無(wú)相應(yīng)設(shè)計(jì)要求，因此如何安全有效地對(duì)該類邊坡進(jìn)行支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)函待解決的問題。

(2) 由于該高填方邊坡的坡頂附近建有其他民用建筑，對(duì)變形有嚴(yán)格要求，所以在邊坡支擋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮建筑物側(cè)向變形的要求；此外，還應(yīng)考慮地震工況下，坡頂建筑物引起的水平地震力作用對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

(3) 擬處理邊坡是具有濕陷性的黃土狀粉土邊坡，且坡頂沿裂隙發(fā)育的黃土陷穴與坡面發(fā)育的黃土陷穴貫通。在強(qiáng)降雨條件下，邊坡黃土狀粉土容易發(fā)生濕陷，如何消除濕陷性可能引起的沉降，并進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是工程設(shè)計(jì)人員必須考慮的問題。

2 穩(wěn)定性分析

2.1 計(jì)算方法及參數(shù)選定

(1) 計(jì)算方法及參數(shù)選定。由于目前尚無(wú)高陡填方邊坡的穩(wěn)定性算法，推薦對(duì)支護(hù)前后的邊坡采用不同的計(jì)算方法。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查，該不穩(wěn)定邊坡物質(zhì)組成較單一，潛在滑面近似圓弧狀，穩(wěn)定性計(jì)算采用《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》[7](GB 50330—2013)圓弧型滑面的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算公式，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖2所示。

(1)

圖2 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算簡(jiǎn)圖

(2)

(3)

式中：Fs為邊坡穩(wěn)定性系數(shù)；ci為第i計(jì)算條塊滑面黏聚力,kPa；φi為第i計(jì)算條塊滑面內(nèi)摩擦角,(°)；Li為第i計(jì)算條塊滑面長(zhǎng)度,m；θi為第i計(jì)算條塊滑面傾角,(°)，滑面傾向與滑動(dòng)方向相同時(shí)取正值，底面傾向與滑動(dòng)方向相反時(shí)取負(fù)值；Ui為第i計(jì)算條塊滑面單位寬度總水壓力，kN/m；Gi為第i計(jì)算條塊單位寬度自重，kN/m；Gbi為第i計(jì)算條塊單位寬度豎向附加荷載，kN/m，方向指向下方時(shí)取正值，指向上方時(shí)取負(fù)值；Qi為第i計(jì)算條塊單位寬度水平荷載，kN/m；hwi，hw,i-1為第i及第i-1計(jì)算條塊滑面前端水頭高度，m；γw為水重度，kN/m3；i為計(jì)算條塊號(hào)；n為條塊數(shù)量。

本次穩(wěn)定性分析共選取8個(gè)計(jì)算剖面，其中1剖面填方量為102 m3，其余剖面填方量為2 700 m3～17 000 m3。計(jì)算工況為工況I：自重；工況II：地震工況。地震荷載標(biāo)準(zhǔn)：蘭州市設(shè)防烈度為Ⅷ度，地震動(dòng)峰值加速度取0.2g，物理力學(xué)參數(shù)取值見表1。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)取值

2.2 穩(wěn)定性結(jié)果分析

原邊坡填方前后的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果分別見表2和表3，并根據(jù)規(guī)范[7]進(jìn)行穩(wěn)定性定性判斷。

由表2可知，填方前該邊坡在自重工況下基本可以保持穩(wěn)定，在地震工況下僅有2個(gè)剖面不能保持穩(wěn)定。通過表3計(jì)算可知，填方后的高邊坡穩(wěn)定性出現(xiàn)不同程度的下降，其中1-1’剖面穩(wěn)定性系數(shù)小幅提高，原因是該填方處在距坡頂較遠(yuǎn)位置，原坡面上無(wú)填方作業(yè)，導(dǎo)致自重產(chǎn)生的摩擦阻力增大，抗滑力增大，穩(wěn)定系數(shù)略微增大；剖面4和剖面5穩(wěn)定性下降幅度最大，分別為42.86%和46.15%，因?yàn)樯蟽啥纹拭娌粌H在坡頂有填方，在坡面上也有大量填方，同時(shí)由于邊坡高陡，坡角較大，因此沿坡面的滑動(dòng)力增大，穩(wěn)定性降低，特別是在地震工況下，該邊坡難以保持穩(wěn)定。

表2 填方前邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

表3 填方后邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

由于該填方邊坡高陡且填方量大，規(guī)范[7]尚無(wú)對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)要求，因此考慮首先對(duì)填方前后的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，然后針對(duì)邊坡的不同部位及地形較陡、填方量較大的坡面根據(jù)工程特點(diǎn)和工程經(jīng)驗(yàn)因地制宜地采取不同的支護(hù)措施。

3 聯(lián)合支護(hù)設(shè)計(jì)

本邊坡經(jīng)過設(shè)計(jì)計(jì)算，選擇出兩種支護(hù)方案。支護(hù)設(shè)計(jì)方案1：預(yù)應(yīng)力錨索框架+加筋土擋墻+擋墻；方案2：預(yù)應(yīng)力錨索框架+抗滑樁。經(jīng)過方案比選，兼顧安全與經(jīng)濟(jì)性原則，最終決定選取采用方案1，由于篇幅限制，僅介紹實(shí)際施工中采用的支護(hù)措施方案。方案1中不同部位聯(lián)合支護(hù)布置如下，在坡腳布設(shè)擋墻進(jìn)行防護(hù)；坡面布設(shè)預(yù)應(yīng)力錨索框架加固；在坡頂布設(shè)加筋土擋墻；坡面格構(gòu)內(nèi)進(jìn)行綠化美化環(huán)境。首先采用理正巖土軟件進(jìn)行支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性計(jì)算，土體模型采用摩爾-庫(kù)侖模型，土力學(xué)參數(shù)及材料參數(shù)分別見表1和表4?？紤]到剖面5-5′穩(wěn)定性下降最多，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求較高，因此以剖面5-5′為例(見圖3)，對(duì)加筋土擋墻加固的坡頂和錨索框架加固的坡面分別進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算。

(1) 錨索框架支護(hù)設(shè)計(jì)與驗(yàn)算。為解決填方作業(yè)帶來的潛在淺層滑坡和深層穩(wěn)定性等問題，考慮在坡面采用錨索框架柔性支擋結(jié)構(gòu)。根據(jù)規(guī)范[7]對(duì)該支護(hù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性驗(yàn)算。

圖3 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算簡(jiǎn)圖

自重工況下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)是1.61，地震工況下為1.46，分別提高了21.05%和21.60%。由此可見，坡面填方量最大的5-5’剖面經(jīng)過加固后其穩(wěn)定性得到顯著提高。

(2) 加筋土擋墻支護(hù)設(shè)計(jì)與驗(yàn)算?？紤]到加筋土擋墻可以加固垂直填方邊坡且具有施工方便、造價(jià)較低等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)坡頂土體采用加筋土擋墻進(jìn)行加固，由于規(guī)范[7,17]無(wú)相關(guān)加筋土擋土墻相關(guān)的內(nèi)容，本次加筋土擋土墻設(shè)計(jì)主要參考《鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[18](TB 10025—2006)相關(guān)內(nèi)容。加筋土加固坡體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表明:自重工況下坡頂填土體穩(wěn)定性系數(shù)是3.77，地震工況下為2.97，由于坡頂填方相比于坡面填方量較少，因此坡頂土體穩(wěn)定性系數(shù)大于坡面土體穩(wěn)定性系數(shù)。

4 數(shù)值模擬

考慮到本次設(shè)計(jì)采用了多種支護(hù)結(jié)構(gòu)形式，為控制各個(gè)支護(hù)施工階段的位移，采用MIDAS/GTS NX對(duì)各個(gè)施工階段進(jìn)行數(shù)值模擬并分析其位移情況。本模型為2D模型，設(shè)置土層屬性為平面應(yīng)變，計(jì)算時(shí)使用莫爾-庫(kù)侖理論；定義錨桿為植入式桁架，計(jì)算時(shí)按彈性材料計(jì)算，桿徑取0.03 m，水平間距為3 m，豎向間距為3 m；立柱、混凝土面層、基礎(chǔ)定義為1D梁?jiǎn)卧?，截面屬性見?，取值參考于文獻(xiàn)[19-21]。

表4 截面屬性

錨桿施工、立柱施工和加筋土擋墻施工后的水平位移云圖分別如圖4、圖5和圖6所示。

圖4 錨桿施工后水平位移云圖

圖5 立柱施工后水平位移云圖

由圖4和圖5可以看出，每次施工完成后水平位移最大值在每級(jí)邊坡坡腳處，并且隨著施工的進(jìn)行，坡體的水平最大位移在逐漸減小，第一級(jí)邊坡坡腳水平位移方向指向坡內(nèi)，而第二級(jí)邊坡水平位移方向指向坡外。坡體中部有向外位移的趨勢(shì)，應(yīng)是坡頂回填土壓力過大所致。

圖6 加筋土擋墻施工后水平位移云圖

通過圖6分析可知，開始施工加筋土擋土墻后，邊坡的水平最大位移從一、二級(jí)坡面的連接區(qū)域向第一級(jí)坡面過渡，這表明邊坡在施工框架預(yù)應(yīng)力錨桿時(shí)，變形與原狀邊坡相同，滑動(dòng)面并未發(fā)生大的改變，而加筋土擋土墻施工完后，邊坡形成了新的滑動(dòng)面。

5 支護(hù)方案

根據(jù)第2節(jié)邊坡穩(wěn)定性分析和第3節(jié)支護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果，考慮到該邊坡的復(fù)雜性及結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，采取預(yù)應(yīng)力錨索格構(gòu)工程、加筋土擋墻工程、擋土墻工程以及坡面綠化工程等形成聯(lián)合支護(hù)，工程現(xiàn)場(chǎng)如圖7所示。

圖7 邊坡工程施工現(xiàn)場(chǎng)

5.1 擋土墻工程

在斜坡坡腳設(shè)置擋土墻，長(zhǎng)340 m，C30混凝土澆筑，墻型為仰斜式，高2.0 m，基礎(chǔ)埋深1.2 m，墻頂寬0.5 m，內(nèi)坡比1.0∶0.1，外坡比1.0∶0.3，基礎(chǔ)底面內(nèi)傾，坡比0.1∶1.0，基礎(chǔ)寬1.11 m，墻背采用砂土分層回填，壓實(shí)系數(shù)大于0.85。地基采用三七灰土墊層，厚30 cm，壓實(shí)系數(shù)不小于0.88。墻內(nèi)預(yù)埋排水管，φ75PVC管1排，縱橫向間距1.5 m，外傾坡比5%，梅花型布置，排水管距地面0.5 m，墻后設(shè)置為花管，回填砂礫石反濾層將其包裹。擋土墻每隔10 m設(shè)一道伸縮縫，縫寬25 mm，縫內(nèi)填塞聚苯板。

5.2 預(yù)應(yīng)力錨索框架工程

框架橫向?qū)挾?.98 m，高度11.00 m，坡面長(zhǎng)度13.75 m，每片框架由三根立柱和四道橫梁連接而成。框架梁、立柱截面尺寸0.4 m×0.5 m，立柱橫向間距3 m，橫梁豎向間距3 m，框架為C30現(xiàn)澆鋼筋混凝土，每片框架整體澆筑，一次完成。每?jī)善蚣苤g設(shè)置2 cm伸縮縫，內(nèi)填瀝青麻絲，深度20 cm。為保證工程后期綠化工程，本次治理工程框架外露30 cm。

每片框架布設(shè)6排錨索，在框架梁節(jié)點(diǎn)處設(shè)置錨索，錨孔直徑為φ150 mm，與水平面夾角15°，錨索由3根φ15.2高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線制成，水平間距3 m，豎向間距3 m。注漿材料用M30水泥砂漿，水灰比0.40～0.45，砂漿體強(qiáng)度不低于30 MPa，孔口注漿壓力控制在0.25 MPa左右。

5.3 加筋土擋墻工程

本設(shè)計(jì)擬采用TGDG80高密度聚乙烯單拉塑料格柵，拉伸強(qiáng)度≥80 kN/m，2%伸長(zhǎng)率時(shí)的拉伸強(qiáng)度≥21 kN/m，5%伸長(zhǎng)率時(shí)的拉伸強(qiáng)度≥40 kN/m，似摩擦系數(shù)≥0.4，豎向間距0.5 m，橫向搭接長(zhǎng)度20 cm，縱向搭接長(zhǎng)度150 cm，反包搭接長(zhǎng)度200 cm。加筋體為矩形斷面，各層筋帶長(zhǎng)度均為15.0 m(局部地段有所變化)，橫向搭接長(zhǎng)度20 cm，縱向搭接長(zhǎng)度150 cm，反包搭接長(zhǎng)度200 cm。混凝土基礎(chǔ)采用C30混凝土，一般埋深1.3 m，每隔10 m設(shè)一道伸縮縫。坡頂護(hù)設(shè)混凝土互肩，采用C30混凝土，尺寸300 mm×500 mm，采用1.0 m長(zhǎng)鋼釘(Φ25 mm×2.5 mm鋼管加工)與生態(tài)袋固定，間距2.0 m。

5.4 回填工程

黃土高填方沉降主要集中在施工期，因此通過施工工藝可以有效地控制沉降。通過控制施工填筑速率，可以減小工后沉降，提高壓實(shí)度對(duì)沉降控制影響更明顯，每提高1%的壓實(shí)度，可減小工后沉降6%[22]。本次回填工程通過提高壓實(shí)度和降低填筑速率等工藝方法減小黃土沉降。施工中要求填土分層鋪填，每層鋪填25 cm～30 cm，夯實(shí)后再鋪下一層，要求壓實(shí)系數(shù)大于0.88，拉筋必須在相應(yīng)高度的土層夯實(shí)平整后穩(wěn)定一定時(shí)間，再挖槽鋪設(shè)，距墻面板1.5 m距離內(nèi)不能用重型機(jī)械夯填，以避免墻面板承受過大的附加側(cè)向應(yīng)力。目前，本工程已完工一年，工后沉降和位移均在規(guī)范[17]參考值以內(nèi)。

6 結(jié) 論

(1) 對(duì)于高陡填方邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算可采取不同的方案，對(duì)于原邊坡的穩(wěn)定性分析可采用規(guī)范中的算法；對(duì)于邊坡的支擋設(shè)計(jì)可根據(jù)邊坡的坡度、填方量和邊坡部位等因素劃分?jǐn)嗝娣謩e計(jì)算，該計(jì)算結(jié)果在保證安全的同時(shí)對(duì)支擋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及選取也具有較高的針對(duì)性。

(2) 對(duì)于高填方邊坡的坡頂可采取加筋土擋墻支護(hù)設(shè)計(jì)，該結(jié)構(gòu)在保證安全的同時(shí)還具有施工簡(jiǎn)便、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)；對(duì)于填方量較大且坡度較陡的坡面，推薦采用預(yù)應(yīng)力錨索框架工程，該主動(dòng)支護(hù)結(jié)構(gòu)不僅有效地控制邊坡位移而且可以結(jié)合綠化措施，符合生態(tài)支護(hù)理念。

(3) 實(shí)踐證明，在聯(lián)合支護(hù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過控制施工填筑速率和提高壓實(shí)度等方法，可有效控制該黃土高填方邊坡的工后沉降和位移。