某高填方邊坡在勘察階段的穩(wěn)定性分析

劉忠鉛 劉 巖

(1.中航勘察設計研究院有限公司，北京 100098；2.中兵勘察設計研究院有限公司，北京 100053)

0 引言

隨著我國經濟建設的不斷發(fā)展，開挖山體產生的棄渣堆填而成的高大填方邊坡也隨之增多，在這種邊坡上新建建筑物時，不僅要考慮建筑物地基土的承載力和沉降，還要考慮填方邊坡的整體穩(wěn)定性。邊坡的穩(wěn)定是建筑物地基穩(wěn)定的前提條件，因此，在勘察階段，選取具有針對性的分析方法對邊坡進行穩(wěn)定性分析，并提出可行的邊坡防護方法以及地基基礎形式建議顯得更加重要。在填方邊坡穩(wěn)定性分析研究方面，何成兵[1]、江 平[2]、陳金明等[3]從填方邊坡的變形角度進行了穩(wěn)定性研究；王志強等[4]、趙建軍等[5]、鄧凱倫等[6]對降雨條件下邊坡的穩(wěn)定性進行了重點分析；薛 樺[7]、楊志民[8]對地震作用下的邊坡穩(wěn)定性進行了研究；黎佳初[9]、何 潘[10]、謝佳能[11]等則分別從設計和施工角度對邊坡的穩(wěn)定性進行了研究。前人均從自己的研究角度，分別采用極限平衡法或者有限元法建立不同的數值分析模型，對不同作用機制下的邊坡穩(wěn)定性影響進行了評價。

本文將在勘察階段對所研究的高填方邊坡模型分別選取不同的潛在滑動面進行分析，以極限平衡法為基礎，重點針對建筑物地基土受力狀態(tài)進行分析，從而根據分析結果與現(xiàn)場實際環(huán)境條件提出合理的邊坡防護以及地基基礎建議。

1 工程概況

1.1 場地現(xiàn)狀

擬建場地位于河北省與北京市西北交界的山區(qū)，現(xiàn)場地貌屬中低山區(qū)的山麓斜坡地帶，原為山區(qū)林地、斜坡、溝谷，現(xiàn)為人工堆積形成的平地、斜坡。受隧道開挖棄渣的影響，場地現(xiàn)狀為堆渣場地(頂部已整平)，在渣堆邊緣形成高約20 m、坡度35°的人工邊坡；邊坡頂部為隧道施工平臺，搭建有臨時辦公區(qū)、加工棚等，另有各種施工機械、設備零散堆放，邊坡下部為施工便道。擬在邊坡頂部平臺上新建一處隧道附屬建筑，基礎長約32 m，寬約16 m，其基礎外邊線距離邊坡上口約14 m，地基承載力要求180 kPa。本次所研究邊坡的具體情況見圖1。

圖1 邊坡現(xiàn)狀

1.2 工程地質條件

擬建場地表層以塊石素填土為主，其主要構成物為隧道開挖產生的洞渣，下部為坡洪積碎石土、粉質黏土等，底部為燕山期花崗巖。擬建場地內地層分布情況以及建筑物位置見圖2。

根據勘察資料，各土層物理力學計算參數見表1。

表1 各土層物理力學計算參數表

擬建場地場地類別為II類，抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度值為0.20g，設計地震分組為第二組。

根據勘察資料，擬建場地地下水水位季節(jié)性變化較大，非降雨條件下塊石素填土層內基本不含水，根據勘察期間揭露的各地層含水情況，填土①層及碎石土②層(含粉質黏土②2層)含水量較小，碎石土③層底部含水量較大，可見本場地內地下水穩(wěn)定水位埋藏較深，因此，邊坡穩(wěn)定性分析時不考慮地下水的影響。

2 穩(wěn)定性分析方法

由于填土層回填時間較短，且回填方式為拋填，具有結構松散、均勻性差、欠固結等特征，自身發(fā)生滑動的可能性較大，另外填土層與原狀碎石土之間接觸面為一未經人工處理的接觸面，存在坡體沿接觸面發(fā)生整體滑移的可能，因此，該邊坡存在兩種可能的滑動方式：一是沿填土層底面發(fā)生滑動，其潛在滑動面可視為折線形滑動面；二是填土體自身發(fā)生滑動，其潛在滑動面可按圓弧形滑動面考慮。

目前《建筑邊坡工程技術規(guī)范》(GB 50330-2013)(以下簡稱“邊坡規(guī)范”)涉及到的邊坡穩(wěn)定性計算方法主要以極限平衡法為主。對于圓弧形滑動面，簡化畢肖普法準確性較高，已得到了國內外的公認。對于折線形滑面，摩根斯坦-普萊斯法是一種嚴格的條分法，計算精度很高，是國際上通常采用的一種計算方法。

在邊坡穩(wěn)定性分析中，本文選用簡化畢肖普法對塊石素填土內部的圓弧形潛在滑動面進行穩(wěn)定性計算，選用摩根斯坦-普萊斯法對填土層底面的折線形滑動面進行穩(wěn)定性計算。

3 穩(wěn)定性分析

由于建筑物設計要求地基承載力不小于180 kPa，因此，在邊坡穩(wěn)定性分析時將其折算為豎直方向的均布荷載。根據現(xiàn)場地層以及荷載分布情況建立分析模型(見圖3)。

圖3 邊坡穩(wěn)定性分析模型圖

3.1 填土層底面滑動

如圖3所示，假設邊坡體沿填土層底面發(fā)生滑動，以該底面作為折線形潛在滑動面建立計算模型，采用摩根斯坦-普萊斯法進行穩(wěn)定性計算。

本文針對該計算模型在一般工況、地震工況和暴雨工況條件下分別進行了計算，并得到了各工況條件下的最不穩(wěn)定潛在滑動面和所對應的安全系數，其中一般工況計算簡圖見圖4，地震工況計算簡圖見圖5，暴雨工況計算簡圖見圖6。

圖4 折線形潛在滑動面一般工況計算簡圖

圖5 折線形潛在滑動面地震工況計算簡圖

圖6 折線形潛在滑動面暴雨工況計算簡圖

從圖4中可以看出，在一般工況下邊坡潛在滑動面上口位于建筑物與山體中間，沿填土及粉質黏土底面至邊坡坡腳，其安全系數2.031，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；從圖5中可以看出，在地震工況下邊坡潛在滑動面上口位于建筑物與山體中間，沿填土底面以粉質黏土內部至邊坡坡腳，其安全系數為1.396，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；從圖6中可以看出，在暴雨工況下邊坡潛在滑動面上口位于建筑物與山體中間，沿填土及粉質黏土底面至邊坡坡腳，其安全系數為1.527，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2 填土層內部滑動

假設邊坡土體沿圓弧形滑動面發(fā)生滑動，采用簡化畢肖普法進行穩(wěn)定性分析。為了分析建筑物地基土發(fā)生滑動的規(guī)律，本次采用指定潛在滑動面上口的方式，從邊坡上口線起沿山體方向每2 m搜索并計算一次最危險潛在滑動面，在一般工況、地震工況和暴雨工況下分別計算各潛在滑動面的安全系數以及受力情況，各潛在滑動面在不同工況下安全系數計算結果見圖7。

圖7 不同工況下安全系數計算結果

如圖7所示，在各種工況下，潛在滑動面上口距離邊坡上口越遠，安全系數越大。根據邊坡規(guī)范中對于永久性一級邊坡穩(wěn)定安全系數Fst的規(guī)定，一般工況下Fst取值1.35，地震工況和暴雨工況下Fst取值1.15。一般工況下，邊坡處于基本穩(wěn)定—穩(wěn)定的狀態(tài)，建筑物基礎范圍內土體處于穩(wěn)定狀態(tài)；地震工況下，邊坡處于欠穩(wěn)定—穩(wěn)定的狀態(tài)，建筑物基礎范圍內土體處于基本穩(wěn)定—穩(wěn)定狀態(tài)；暴雨工況下，邊坡處于不穩(wěn)定—穩(wěn)定的狀態(tài)，建筑物基礎范圍內靠近邊坡一側土體處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

4 計算結果分析

根據兩種假設條件下不同工況的計算結果，邊坡土體在各種工況下都基本不會沿填土層底面發(fā)生折線形滑動；在邊坡土體沿圓弧形滑動面發(fā)生滑動的假設條件下，一般工況和地震工況下邊坡發(fā)生滑動的可能性較小，但在暴雨工況下，邊坡土體發(fā)生滑動的可能性較大，并且建筑物基礎下部土體也處于不穩(wěn)定狀態(tài)，因此，本文僅對邊坡土體發(fā)生圓弧形滑動假設條件下暴雨工況的計算結果進行分析。

以填土層內部潛在圓弧形滑動面為假設滑動面，在暴雨工況下安全系數為0.845～1.540；當其上口線位于建筑物基礎以外靠近邊坡一側時，安全系數為0.845～0.984，邊坡土體易發(fā)生滑動；當其上口線位于建筑物基礎范圍內時，安全系數為0.995～1.252，其低值發(fā)生在建筑物基礎靠近邊坡一側，該部分土體易發(fā)生滑動；當其上口線位于建筑物基礎以外靠近山體一側時，安全系數大于1.210，邊坡土體不易發(fā)生滑動。由此可見，在暴雨工況下，建筑物基礎下部土體易發(fā)生失穩(wěn)，從而直接造成建筑物被破壞。

因此，在邊坡上部修建建筑物，要保證建筑物地基土的穩(wěn)定性，首先需要保證邊坡體的穩(wěn)定，邊坡防護結構需提供足夠的抵抗力抵消邊坡體滑動時產生的剩余下滑力。暴雨工況下，根據計算結果確定距離邊坡上口24 m范圍為易滑段，則邊坡易滑段各潛在滑動面受力狀態(tài)見圖8，剩余下滑力計算結果見圖9。

圖8 邊坡易滑段受力狀態(tài)

圖9 邊坡易滑段剩余下滑力

從圖8和圖9中可以看出，各潛在滑動面上口線距離邊坡上口越遠，下滑力和抗滑力同步增大，剩余下滑力在距邊坡上口4 m處(建筑物基礎以外)達到最大值，為209.205 kN，所對應的下滑力為2294.739 kN，抗滑力為2085.534 kN，因此，邊坡支護結構要使邊坡在暴雨工況下達到穩(wěn)定狀態(tài)，需提供至少2294.739×1.15-2085.534=553.416(kN)的抵抗力，同時由于邊坡高度較大，需采用分段組合防護的方式。根據周邊地形地貌條件以及現(xiàn)場實際地質情況，建議采用下部扶壁式擋墻+上部鋼筋混凝土格構干砌石護坡，或下部懸臂式擋墻、注漿回填后上部采用漿砌石護坡等護坡方式。

在保證邊坡穩(wěn)定的前提下，由于建筑物地基土為未完成固結的人工填土，后期發(fā)生變形的可能性很大，因此需要采用大直徑嵌巖樁，將建筑物荷載通過基礎樁直接傳遞到穩(wěn)定基巖，抵消地基沉降帶來的不利影響，同時大直徑樁也可以抵消一部分水平應力，以抵抗人工填土固結過程中產生的各向蠕變應力。

由于大直徑嵌巖樁的作用，抵消了建筑物荷載對邊坡的影響，在不考慮荷載的條件下，計算暴雨工況下邊坡各潛在滑動面上口線所對應的安全系數計算結果見圖10，剩余下滑力結算結果見圖11。

圖11 暴雨工況下不考慮荷載條件剩余下滑力

從圖10和圖11可以看出，在不考慮荷載的條件下，建筑物基礎范圍內不存在不穩(wěn)定滑動面，其剩余下滑力最大值仍然出現(xiàn)在距邊坡上口4 m處且數值不變，即基礎以外靠近邊坡一側受力狀態(tài)不受建筑物荷載影響。

5 結論

在山區(qū)填方體上修建建筑物是一個綜合性問題，尤其是在填土未完成自重固結的情況下，要以邊坡的整體穩(wěn)定為前提條件，結合適當的地基基礎方案，以此來保證建筑物使用期間的安全穩(wěn)定。

針對本文中的建筑物，從勘察的角度建議采用下部扶壁式擋墻+上部鋼筋混凝土格構干砌石護坡，或下部懸臂式擋墻、注漿回填后上部采用漿砌石護坡等方式對邊坡進行防護，建筑物基礎采用大直徑嵌巖樁樁基礎。