西南某工程邊坡支護(hù)方案案例分析及理正計(jì)算可靠性分析

（四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局化探隊(duì)，四川 德陽(yáng)，618000）

1 工程概況

場(chǎng)地位于四川臺(tái)坳西部的龍門(mén)山前坳陷帶，綿陽(yáng)環(huán)狀旋扭構(gòu)造，吳家壩向斜北翼寬緩部位。地層傾角1°，無(wú)大斷裂構(gòu)造從場(chǎng)地及附近區(qū)域通過(guò)，歷史上無(wú)破壞性地震發(fā)生，屬基本穩(wěn)定區(qū)。待治理邊坡長(zhǎng)195m左右。邊坡區(qū)為粉質(zhì)粘土覆蓋，下部為基巖層。部分地段為平臺(tái)，斜坡坡角15°～20°左右。場(chǎng)坪標(biāo)高541.50～544.50m，在場(chǎng)地整平后將形成長(zhǎng)161m高5.7～10.5m 土巖混合挖方邊坡，邊坡距離擬建18層高建筑物僅8.3m，邊坡破壞后果嚴(yán)重。典型工程地質(zhì)剖面如圖1。

圖1 典型工程地質(zhì)剖面

2 邊坡工程地質(zhì)條件

鉆探揭露邊坡土層自上而下為：

1）粉質(zhì)粘土：棕黃色（局部為灰黃色），土體上中部含褐紅色鐵錳質(zhì)氧化物斑點(diǎn)及白色鈣質(zhì)物，下部含少量卵石。其干強(qiáng)度較高，切面光滑，呈可塑狀，層厚7.4～9.8m。場(chǎng)區(qū)均有分布。

2）白堊系下統(tǒng)七曲寺組泥巖：埋深7.4～9.8m，淺紫紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，泥鈣質(zhì)膠結(jié)?？笨捉沂旧疃葍?nèi)，按風(fēng)化程度分為強(qiáng)風(fēng)化及中風(fēng)化兩個(gè)亞層：①?gòu)?qiáng)風(fēng)化層：巖石結(jié)構(gòu)大部分破壞，層理不清晰、節(jié)理裂隙很發(fā)育，呈碎塊狀，強(qiáng)風(fēng)化層厚1.4～4.1m。②中風(fēng)化層：巖石組織結(jié)構(gòu)僅部分破壞，層理清晰，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體呈塊狀，中風(fēng)化層厚5.9～10.9m。場(chǎng)區(qū)內(nèi)未見(jiàn)有地表水出露，地表水來(lái)源于大氣降雨，邊坡區(qū)部分地形微凹，降雨時(shí)期地表徑流較大，對(duì)該邊坡穩(wěn)定性有一定的影響。邊坡物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

3 邊坡穩(wěn)定性及破壞形式分析

邊坡按場(chǎng)坪標(biāo)高開(kāi)挖后，形成高5.7～10.5m 直立均質(zhì)土邊坡，坡體由土質(zhì)構(gòu)成，邊坡穩(wěn)定性受土體強(qiáng)度和坡形控制。邊坡開(kāi)挖形成直立邊坡，其坡角遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于粉質(zhì)粘土土體強(qiáng)度，邊坡會(huì)發(fā)生沿圓弧形滑面滑動(dòng)的破壞。擬建建筑距離邊坡僅8.3m，小于邊坡最大高度，邊坡破壞后后果嚴(yán)重，對(duì)邊坡采取治理措施是十分必要的。

表1 巖土物理力學(xué)指標(biāo)表

4 設(shè)計(jì)思路

治理工程應(yīng)針對(duì)治理對(duì)象的具體特征、穩(wěn)定性、危害性等，因地制宜，選取針對(duì)性強(qiáng)的工程措施。組成安全可靠、技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理、施工方便的治理方案;確保邊坡在工程年限內(nèi)，在天然和;暴雨等作用下，不發(fā)生淺部整體滑動(dòng);避免對(duì)小區(qū)內(nèi)的居民生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成威脅。針對(duì)場(chǎng)地平整邊坡采用“樁板式擋墻”治理方案，有較強(qiáng)的針對(duì)性。

圖2 平面布置圖

5 方案設(shè)計(jì)

本次治理工程針對(duì)擬開(kāi)挖邊坡的實(shí)際情況，擬采取“樁板式擋墻+變形監(jiān)測(cè)”的綜合治理方案。

在用地紅線內(nèi)側(cè)AC 段布置樁板式擋墻支擋，頂部設(shè)置冠梁。治理支護(hù)段設(shè)置兩種類型樁共41 根：其中，A型樁33 根，樁長(zhǎng)16～20m，截面1.5m×2.0m，樁中心距4.0m，嵌固段長(zhǎng)8～10m，嵌固段為泥巖；B型樁8 根，樁長(zhǎng)10.0m，截面1.0m×1.5m，樁中心距4.0m，嵌固段長(zhǎng)5.0～6.0m，嵌固段為泥巖；樁間設(shè)置擋土板厚0.3m，板下部埋深不小于500mm。平面布置圖見(jiàn)圖2。

6 計(jì)算依據(jù)

設(shè)計(jì)依據(jù)為《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB50330-2013），防治工程安全等級(jí)采用二級(jí)，安全系數(shù)取1.30。并參考《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）、《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2010)。參照坡體治理工程慣例及國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鋼筋等建筑材料使用壽命的規(guī)定，綜合確定防治工程使用年限為五十年。

采用北京理正軟件研究院的巖土計(jì)算軟件(6.5)《建筑邊坡?lián)跬翂υO(shè)計(jì)》進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算。計(jì)算方法采用M法。

表2 樁基本參數(shù)表（單位：m）

7 計(jì)算結(jié)果

7.1 樁結(jié)構(gòu)計(jì)算

7.1.1 基本參數(shù)

樁基本參數(shù)見(jiàn)表2。

7.1.2 樁體受力計(jì)算

樁體受力計(jì)算采用“M”法(本應(yīng)為K法，基于泥巖風(fēng)化作用強(qiáng)，邊坡懸臂段長(zhǎng)，從安全出發(fā)，采用“M”法)，推力分布采用矩形模式。抗滑樁內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如下（表3）：

表3 樁內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

7.1.3 樁彎矩、剪力、樁頂位移、土反力見(jiàn)圖3、4。

圖3 A型樁內(nèi)力圖

圖4 B型樁內(nèi)力圖

7.2 樁配筋設(shè)計(jì)

1）縱筋計(jì)算?？够瑯栋词軓潣?gòu)件考慮，鋼筋保護(hù)層按80mm計(jì)，設(shè)計(jì)配筋據(jù)GB50010-2010：Φ 28HRB400鋼筋。

2）構(gòu)造鋼筋。各樁構(gòu)造鋼筋均用Φ28HRB400鋼筋。

3）箍筋配筋。箍筋采用Φ12HRB400鋼筋。樁間設(shè)置擋土板，板厚0.3m，鋼筋縱筋為Φ20HRB400鋼，箍筋為Φ14HRB400 螺紋鋼筋，混凝土為C30。

7.3 樁板設(shè)計(jì)圖

樁板墻最終設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖5、圖6、圖7。

8 理正計(jì)算可靠性分析

為驗(yàn)證理正軟件計(jì)算的可靠性，以A型樁為例，采用手動(dòng)計(jì)算與理正軟件的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

8.1 手動(dòng)計(jì)算結(jié)果

A型樁樁斷面為b×a=1.5m×2m的矩形，截面S=3m2，截面模量截面對(duì)樁中心慣性矩相對(duì)剛度系數(shù)EI＝0.85Eh·I＝23800000m2，樁的中心距l(xiāng)=4m，樁的計(jì)算寬度Bp=b+1=2.5m，樁的埋深h=7.9m。

8.1.1 采用m法計(jì)算樁身的內(nèi)力

1）計(jì)算樁的剛度：

圖5 A型樁設(shè)計(jì)圖

圖6 B型樁設(shè)計(jì)圖

圖7 板設(shè)計(jì)及其與樁連接圖

樁的換算深度α·h=2.40706436425381＜2.5，故按剛性樁計(jì)算。

2）計(jì)算外力

按《邊坡規(guī)范》公式(6.2.3)計(jì)算主動(dòng)土壓力：

Ea=392.235(kN)Ex=380.584(kN)Ey=94.890(kN) 作用點(diǎn)高度Zy=2.700(m)每根樁承受的水平推力T=380.584×4=1522.336kN

樁前被動(dòng)土壓力大于樁前剩余抗滑力，故樁前抗力按剩余抗滑力控制?；嫣幍募袅0=1522.336-0=1522.336 kN

滑面處彎矩M0=1522.336×3.375-0×2.7=5137.884 kN·m

3）計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)中心的深度及轉(zhuǎn)角

4）求樁身內(nèi)力及側(cè)向應(yīng)力

側(cè)向應(yīng)力：σy=（y0-y）φ（A+my）

滑動(dòng)面以下深度y處樁截面的彎矩和剪力，取y處上部為分離體，由∑M=0及∑X=0 求得：

當(dāng)y＜y0時(shí)：

當(dāng)y≥y0時(shí)：

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4和圖8、圖9、圖10：

表4 樁身內(nèi)力及側(cè)向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

側(cè)應(yīng)力為0的一點(diǎn)即為剪力最大點(diǎn)，求得當(dāng)埋深：y=4.94192671179771m時(shí)，σy＝0，所以：Qmax=-1501.45762723925 kN

剪力為0的一點(diǎn)即為彎矩最大點(diǎn)，求得當(dāng)埋深：y=1.58716570734978m時(shí)Qy＝0所以：Mmax=6293.71960548243 kN

8.1.2 抗滑樁樁側(cè)地基應(yīng)力驗(yàn)算

地基y 點(diǎn)得橫向容許承載力應(yīng)滿足：

圖8 樁側(cè)向應(yīng)力圖

圖9 剪力圖（單位：KN）

圖10 彎矩圖（單位：kN·m）

式中：σ—錨固段樁的最大橫向壓應(yīng)力，kPa；γ1、γ2—滑動(dòng)面上下土體的容中，kN/m；φ—滑動(dòng)面一下土的內(nèi)摩擦角（°）；c—滑動(dòng)面一下土的粘聚力，kPa；H1—設(shè)樁處滑體地面至滑動(dòng)面的距離，m；y—滑動(dòng)面至計(jì)算點(diǎn)的深度，m。

依次計(jì)算出樁側(cè)各點(diǎn)的容許應(yīng)力值（表5）。

8.1.3 抗滑樁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1）縱向鋼筋設(shè)計(jì)

樁截面受壓區(qū)高度：

表5 樁側(cè)各點(diǎn)的容許應(yīng)力值

式中：fcm—混凝土彎曲抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度；h0—有效高度，h0=2-0.08=1.92m；K—安全系數(shù)，取1。

代入解得：x1=3.56290896455241 m（舍去），x2=.277091035447588 m

式中：fy—鋼筋抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度，選用Ⅲ級(jí)鋼，fy＝340 MPa。得：As=9945mm2。

2）箍筋設(shè)計(jì)

KQmax=1501.45762723925mm2；0.07fcbh0=2399.04mm2

所以，僅需按構(gòu)造要求配箍筋。

8.2 手動(dòng)計(jì)算和理正結(jié)果對(duì)比

從表7可以看出，相比手動(dòng)計(jì)算，采用理正軟件計(jì)算的結(jié)果值相對(duì)較大，但是其最大剪力、彎矩的埋深缺相對(duì)淺，產(chǎn)生這種結(jié)果的原因主要是由于計(jì)算軟件在計(jì)算過(guò)程中能夠納入計(jì)算的因素更多，理正軟件計(jì)算增加了1.2的安全系數(shù)。計(jì)算結(jié)果看出，理正軟件抗滑樁設(shè)計(jì)的安全余度較高；但增加了治理費(fèi)用。

表7 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

9 結(jié)論

1）邊坡區(qū)均為粉質(zhì)粘土覆蓋，下部為基巖層。在場(chǎng)地整平后將形成長(zhǎng)161m，高5.7～10.5m的土巖混合挖方邊坡，邊坡距離擬建的18層高的建筑物僅8.3m，邊坡破壞后果嚴(yán)重。

2）針對(duì)場(chǎng)地平整邊坡采用“樁板式擋墻”的治理方案利用理正計(jì)算軟件對(duì)該工程邊坡支護(hù)方案設(shè)計(jì)。

3）通過(guò)手動(dòng)計(jì)算結(jié)果與力爭(zhēng)軟件的對(duì)比，理正軟件抗滑樁設(shè)計(jì)的安全余度較高；但增加了治理費(fèi)用。

4）經(jīng)過(guò)后期施工監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，邊坡周邊沒(méi)有出現(xiàn)明顯可見(jiàn)的裂縫等變形現(xiàn)象，證明該邊坡設(shè)計(jì)方案是可行的。

5）對(duì)類似地區(qū)及工程，使用理正軟件計(jì)算的同時(shí)，提供手算驗(yàn)證方法；對(duì)理正軟件計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，有一定的借鑒作用。