復雜回填曲面高陡邊坡的設計與穩(wěn)定性分析

王 健， 丁 鵬， 寇衛(wèi)鋒， 張 濤， 毛 暉， 曹 寧

(1.鄭州地鐵集團， 鄭州 450004； 2.清華大學 水利水電工程系， 北京 100084；3.北京城建設計發(fā)展集團股份有限公司，北京 100037； 4.鄭州路橋建設投資集團有限公司， 鄭州 450052；5. 中國建筑第七工程局有限公司， 鄭州 450004)

0 引 言

隨著我國城市化進程的深入推進，大力發(fā)展城市軌道交通已經成為大中城市破解交通擁擠問題的重要手段之一。然而，隨著城市的快速擴張，以地鐵為代表的城市軌道交通建設也不斷面臨新的難題，如：地鐵線路穿越城市密集區(qū)、各類復雜地質條件、與城市其他基礎建設存在施工沖突等，無不對軌道交通的設計與施工帶來新的考驗與挑戰(zhàn)。在有限可利用的資源情況下，采用復雜回填放坡方式則是一種經濟可行的設計方法，而對復雜回填邊坡的科學設計與穩(wěn)定性分析則是回填邊坡設計成敗的關鍵環(huán)節(jié)。

邊坡穩(wěn)定性分析源于巖土力學中側向土壓力和地基承載力分析，即最初的極限平衡法；其后不斷發(fā)展有瑞典法、Bishop法、簡化Janbu法、Spencer法、Morgenstern-Price法和Sarma法等[1-7]。隨后Drucker等將土體塑性力學理論建立的極限分析法引入到邊坡穩(wěn)定性研究中，采用簡單的直線平動機制和圓弧轉動機制進行分析，建立了極限分析法。到20世紀70年代，Iefebvre等最早采用三維有限元法模擬河谷地形下壩體的應力應變狀態(tài)，開展邊坡穩(wěn)定性分析。隨著計算機技術和有限元理論的快速發(fā)展，2000年后各種數值分析方法被提出并引入到邊坡穩(wěn)定性分析，使邊坡穩(wěn)定性的研究也更加科學準確[1,8-9]。在工程應用方面：陳思陽等[10]采用強度折減法基于FLAC3D有限差分軟件，研究了短臺階、CD、CRD三種施工方法對邊坡穩(wěn)定性的影響，模擬結果與實際情況符合度較高。郭昊天等[11]采用數值模擬和現場監(jiān)測相結合的方法，對天然、開挖未支護及支護加固3種工況對高邊坡穩(wěn)定性的影響開展了研究，結果表明，預應力錨桿支護優(yōu)于錨桿+框格梁的支護方案。邵珠山等[12]基于有限元分析平臺ABAQUS以貴州劍榕高速南稍Ⅳ號隧道為研究對象，開展了不同坡角、降雨入滲以及隧道開挖對邊坡穩(wěn)定性影響分析，探討了不同支護措施的加固效果。趙曉黎等[13]對天然土質邊坡回填壓坡方案進行了模擬分析，研究認為，回填可顯著提高邊坡穩(wěn)定系數，同時將使坡頂位置產生向坡體內的變形趨勢，回填土自身穩(wěn)定性會影響到坡體潛在滑裂面位置的變化。陳國慶等[14]提出基于動態(tài)和整體強度折減法的邊坡動態(tài)穩(wěn)定性評價方法，相比于極限平衡法更適合于非均質邊坡的穩(wěn)定性評價，能搜索出正確的潛在滑動面。白廣斌等[15]采用非線性動力分析方法研究了某核電取水隧洞工程隧洞洞口及邊坡結構的動力響應特性，研究表明，隧洞拱肩及邊墻位置是隧洞洞口抗震的薄弱部位。

綜上可見，一些學者在不同工程建設中針對邊坡穩(wěn)定性分析開展了較深入的研究并取得了較理想的工程應用，但針對軌道交通行業(yè)復雜回填曲面高陡邊坡的工程設計與穩(wěn)定性分析研究相對較少，對其與土工格柵等加筋材料的組合使用研究相對薄弱。復雜回填邊坡在城市軌道交通設計中具有一定的代表性，對其開展深入研究具有較高的工程應用指導價值。

筆者以鄭州市軌道交通某區(qū)間復雜回填高陡邊坡設計與穩(wěn)定性分析為研究對象，提出等效參數邊坡分析方法，采用FLAC與GEO-SLOPE聯合計算方法開展復雜回填高陡邊坡的穩(wěn)定性分析，以期為工程設計與施工提供科學指導。

1 工程概況

河南省鄭州市軌道交通某區(qū)間位于城市西南區(qū)域，區(qū)間的走向：出1號車站后線路下穿500 kV高壓線，上跨既有公路與湖泊后轉向東北穿越規(guī)劃中的某道路，后向東下穿在建的住宅地塊至2號車站。區(qū)間由高架段、明挖暗埋段、暗挖段、明挖段組成，1號車站為高架站，2號車站為地下站。其中，在高架段接明挖暗埋段位置處，規(guī)劃道路位于明挖暗埋段結構正上方，待明挖暗埋結構建成并完成覆土后施做；因此，需要在有限的空間內回填施做一個復雜曲面型高陡邊坡，邊坡的安全和穩(wěn)定性是該線路設計工作的重難點之一。該區(qū)間線路規(guī)劃見圖1。

圖1 地鐵區(qū)間線路規(guī)劃Fig. 1 Subway section line planning

根據巖土的時代成因、地層巖性及工程特性，本場地勘探揭露70 m深度范圍內的地層主要為人工填土、第四系上更新沖積層、第四系中更新沖積層、第三系泥巖、二疊系上統(tǒng)泥巖、砂巖等地層。根據地勘資料顯示穩(wěn)定水位標高約153.13 m，年變幅約1～2 m，3～5 a變幅約3～5 m，歷史最高水位標高約165.0 m?？辈炱陂g穩(wěn)定水位在基坑開挖深度以下，施工時可不考慮地下水影響?；靥钸吰聟^(qū)域地質剖面見圖2，原狀土巖土物理力學性質統(tǒng)計見表1。其中，γ為容重，fak為承載力，c為黏聚力，φ為內摩擦角，K0為靜止側壓力系數，K為地基基底系數。

圖2 回填邊坡區(qū)域工程地質剖面 Fig. 2 Engineering geological profile of backfill slope area

表1 原狀土巖土物理力學性質統(tǒng)計

由于本場地基巖面起伏較大，泥巖、砂巖局部裂隙發(fā)育程度高，線路跨越河岸及邊坡邊緣，綜合考慮本場地屬建筑抗震不利地段。依據該場地地質勘查資料顯示，本工程抗震設防類別為重點設防類，該場地抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.10g，設計地震分組為第2組。建筑的場地類別為II類，設計特征周期0.40 s。本場地地層除表層填土外，均為第四系上更新地層、第四系中更新統(tǒng)、第三系及二疊系地層。綜合判定本場地地基土不液化，可不考慮液化影響。

2 邊坡設計

基于現有場地條件和相關規(guī)范要求，為滿足地鐵區(qū)間的建設，需對此處高邊坡進行優(yōu)化處理。需要處理的邊坡在規(guī)劃某道路里程大約K0+60 m～K0+160 m的范圍內，長度約為100 m，處理后新邊坡面積大約為4 123 m2。具體措施如下：在清理原邊坡坡面雜草、挖除部分雜填土的基礎上，根據設計文件要求，進行土方回填，新邊坡采用4級放坡形式，坡度從高到底依次為1∶1.25、1∶1.25、1∶1.50、1∶1.50，坡面采用C30混凝土拱形骨架防護，坡底設片石混凝土擋墻，墻高3 m，埋入深度1 m，并設防滑凸榫，擋墻基礎采用級配碎石換填式基礎。

2.1 設計計算原則與技術標準

2.1.1 設計計算原則

(1)邊坡支擋結構安全等級為一級，重要性系數為1.1。

(2)支擋結構設計應滿足各種設計荷載組合下的穩(wěn)定、堅固和耐久性要求。

(3)邊坡整體穩(wěn)定性宜采用簡化畢肖普法進行分析計算。

(4)邊坡支護結構設計時應進行下列計算和驗算：支護結構及其基礎的抗壓、抗彎、抗剪、局部抗壓承載力的計算；支護結構基礎的地基承載力計算；支護結構穩(wěn)定性驗算。

(5)支擋結構的抗滑動和抗傾覆穩(wěn)定安全系數分別不宜小于1.3和1.5。

(6)支擋結構的設計使用年限為100 a。

2.1.2 技術標準

支擋結構上的作用項目參照《城市道路路基設計規(guī)范》(CJJ194—2013)相關規(guī)定，文中回填邊坡設計3類作用組合見表2。

表2 支擋結構作用組合

2.2 放坡形式與工程材料

2.2.1 放坡形式

根據《建筑邊坡工程技術規(guī)范》(GB50330—2013)和《城市道路路基設計規(guī)范》(CJJ 194—2013)要求，該區(qū)間的高邊坡設計為4級放坡，邊坡高22 m，內含1∶1.25、1∶1.25、1∶1.50與1∶1.50坡率的邊坡，最高邊坡為8.36 m，均滿足坡率法要求。區(qū)間明挖暗埋段與高架接口處邊坡處理施工步序見圖3。

圖3 區(qū)間明挖暗埋段與高架接口處邊坡處理施工步序Fig. 3 Construction sequence of slope treatment at interface between open cut and buried section and viaduct

第1步：清除邊坡坡面及坡底的雜草、腐殖質土，按設計坡度對坡面進行刷坡處理，并在坡面挖設臺階。坡底擋土墻下方雜填土采用級配碎石換填，經檢測地基達到設計要求后，施做擋土墻。第2步：待擋土墻混凝土強度達到設計強度的85%以上后，分層填筑擋墻后回填土、鋪設土工格柵，并分層壓實，至高架橋樁樁頂設計標高。第3步：依次完成高架橋鉆孔樁、承臺、橋臺、支座及箱梁架設。第4步：繼續(xù)分層填土、分層碾壓至明挖暗埋底板底設計標高。第5步：施做明挖暗埋區(qū)間底板處鉆孔樁。第6步：施做明挖暗埋區(qū)間底板側墻頂板及其上小擋墻、洞門結構。邊坡處理效果圖見圖4。

圖4 邊坡處理效果Fig. 4 Effect drawing of slope treatment

2.2.2 工程材料

擋土墻采用片石混凝土，混凝土強度不低于C30，片石強度不低于MU40，宜選用堅硬、無風化、無裂紋、無水銹的片石，最小厚度不小于15 cm，一條邊長不小于30 cm，配制片石混凝土，片石用量不大于混凝土結構體積的20%。

擋土墻后填料及邊坡回填土宜選用級配較好的礫類土、砂類土等粗粒土作為填料，填料最大粒徑應小于150 mm。如果采用黏性土回填，必須做好排水措施，保證回填土內水分能及時排出。墻后填料必須分層壓實，要求擋土墻的強度達到設計強度的70%以上才能進行碾壓。墻后1.5 m范圍內采用小型機具壓實。施工過程中，回填土每300 mm作為一層進行壓實并進行土力學試驗檢測，壓實度不小于0.95，同時黏聚力不應小于27.0 kPa，內摩擦角不小于14.0°。

泄水孔采用φ80 mmPVC管。土工格柵采用聚丙烯拉伸型格柵，要求色澤均勻，外觀無損傷、無破裂，炭黑含量不小于2.0%，縱/橫向拉伸強度不小于50 kN/m，縱/橫向2%伸長率時的拉伸強度不小于17.5 kN/m，縱/橫向5%伸長率時的拉伸強度不小于35 kN/m，縱/橫標稱伸長率分別不大于15.0%和13.0%。

3 邊坡穩(wěn)定性分析

在邊坡的穩(wěn)定性分析方法中，極限平衡法已發(fā)展成為一個具有完整理論體系且成熟的分析方法，包括：Fellenius法、Bishop法、Janbu法、Morgenstern Price法等。隨著計算機性能的提升和有限元分析方法的發(fā)展，有限元法被廣泛應用于邊坡的穩(wěn)定性問題分析中。本節(jié)主要采用FLAC有限差分軟件開展邊坡靜力穩(wěn)定性分析，并獲取土工格柵土體等效計算參數，采用理正巖土軟件開展擋土墻及邊坡整體計算、回填土與原狀土分界面處滑動穩(wěn)定性分析，采用FLAC與GEO-SLOPE軟件聯合計算方法開展邊坡抗震穩(wěn)定性分析。

3.1 邊坡靜力穩(wěn)定性分析

基于曲面邊坡特性，選擇自上而下1—1和2—2兩個典型斷面開展穩(wěn)定性分析，見圖4。根據設計要求按照一級邊坡處理，要求邊坡靜力安全系數大于1.35，地震工況大于1.15。采用FLAC軟件對邊坡進行二維靜力分析，邊坡高22 m，從上往下進行4級放坡， 包括1∶1.25、1∶1.25、1∶1.50和1∶1.50四層邊坡，洞口處包含洞口樁用來連接高架區(qū)間，地面以上為回填土，包括砂性土、粉質黏土和黏質粉土，以下為雜填土，材料參數見表3，其中，土工格柵的切向剛度為10.0 KN/m3,計算模型見圖5。

表3 計算模型材料參數

圖5 計算模型Fig. 5 Calculation models

(1)無加固措施

圖6給出了靜力工況下回填邊坡的穩(wěn)定安全系數，由圖6可知，回填邊坡兩個典型剖面1—1和2—2的靜力安全系數分別為0.56與0.71，小于規(guī)范限值1.35，無法滿足穩(wěn)定性要求，應對邊坡進行加固。

圖6 回填邊坡無加固措施穩(wěn)定安全系數Fig. 6 Stability safety factor of backfill slope without reinforcement measures

(2)邊坡加固措施

考慮到現有邊坡設計無法滿足靜力安全系數要求，提出在土層內添加土工格柵的加固措施。添加土工格柵以后，進行靜力安全系數的計算，見圖7。由靜力邊坡分析可知，邊坡靜力安全系數分別為1.69與1.78，大于1.35，均滿足穩(wěn)定性要求。

圖7 回填邊坡有加固措施穩(wěn)定安全系數 Fig. 7 Stability safety factor of backfill slope with reinforcement measures

3.2 等效參數分析法

現有條件下，由于一些分析軟件在特定工況下無法直接計算，如：理正巖土軟件無法開展邊坡穩(wěn)定性分析、FLAC軟件無法對含土工格柵的邊坡開展地震作用下穩(wěn)定性分析等。本節(jié)提出對含有土工格柵的土體采用等效參數邊坡分析方法。首先采用FLAC軟件開展含土工格柵材料的邊坡穩(wěn)定性分析，取得邊坡安全系數為參照值；然后移除土工格柵，通過增加土層黏聚力和內摩擦角值，使土層安全系數近似接近參照值，由此得到與含土工格柵地層等效的黏聚力和內摩擦角值，即為等效計算值。

以回填土采用粉質黏土為例分別計算剖面1—1和2—2的含土工格柵地層等效計算參數，計算模型與材料參數同3.1節(jié)。依據文獻[16-18]的研究，加筋黏土在加筋效果上主要體現在內摩擦角上，在黏聚力上亦有一定增強。因此對黏土在進行參數等效時，應以提高內摩擦角為主，以提高黏聚力為輔。

(1)剖面1—1

步驟1首先添加土工格柵，計算邊坡靜力安全系數為1.69，見圖7a。

步驟2無土工格柵，土層黏聚力由27.0 kPa提高至30.0 kPa，增加了11.1%，土層內摩擦角由14.0°提高至24.0°，增加了71.4%，計算得到的安全系數1.81，見圖8a。

(2)剖面2—2

步驟1首先添加土工格柵，計算邊坡靜力安全系數為1.78，見圖7b。

步驟2無土工格柵，土層黏聚力由27.0 kPa提高至30 kPa，增加11.1%，土層內摩擦角由14.0°提高至24.0°，增加71.4%，計算得到的安全系數1.90見圖8b。

圖8 等效土層參數安全系數Fig. 8 Safety factor of equivalent soil parameters

綜上可得，采用粉質黏土作為回填土材料，剖面1-1和2-2地層參數通過增加內摩擦角和黏聚力可以達到含土工格柵地層的穩(wěn)定性效果，無土工格柵地層等效參數：黏聚力取30 kPa，內摩擦角取24°，見表4。

表4 采用土工格柵的粉質黏土等效計算參數

3.3 擋土墻及邊坡整體計算

根據地質勘查資料，該區(qū)間回填土在滿足壓實系數λc>0.95情況下物理力學性質指標取值見表5。

表5 回填土物理力學性質指標

擋土墻后及邊坡回填材料采用粉質黏土，黏聚力和內摩擦角分別按27.0 kPa和14.0°考慮。根據3.2節(jié)結論，當回填土中加入土工格柵時，回填土物理力學性質指標有所提高，黏聚力取30.0 kPa，內摩擦角取24.0°。穩(wěn)定性驗算采用北京理正軟件設計研究院開發(fā)的理正巖土計算6.5PB2版計算，計算結果見表6。

表6 擋土墻及邊坡整體計算結果

由表6可見，當土層中不設置土工格柵時，邊坡整體穩(wěn)定性不滿足規(guī)范要求；在土層中鋪設土工格柵后，回填土的各項性質指標均得到有效提升，擋土墻及邊坡整體穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

3.4 回填土與原狀土分界面處滑動穩(wěn)定性分析

本工程采用回填土方式進行邊坡處理，回填土與原狀土在土體特性等方面均存在差異；因此，回填土與原狀土分界面存在相對滑動、變形不一致等問題，需進行穩(wěn)定性分析。土體參數和計算方法同3.3節(jié)，采用簡化Janbu分析方法，計算結果見表7。

表7 分界面處滑動穩(wěn)定性分析計算結果

3.5 邊坡抗震穩(wěn)定性分析

由于采用土工格柵結構，單一分析軟件不能直接開展邊坡抗震穩(wěn)定性分析，本節(jié)采用FLAC與GEO-SLOPE軟件聯合計算方法，開展回填邊坡抗震穩(wěn)定性分析，其分析邏輯思路如下：

(1)采用FLAC軟件進行邊坡(含土工格柵)靜力穩(wěn)定性驗算，計算得到安全系數。

(2)不添加土工格柵。在FLAC軟件中保持其他參數不變，提高土層黏聚力，當安全系數與(1)中相等時，記錄此時的黏聚力，在后續(xù)分析中進行抗震等效。

(3)采用(2)中的參數，使用GEO-SLOPE軟件進行抗震驗算，以安全系數大于1.15為審核標準。

按照如上步驟，回填土分別采用砂性土、粉質黏土和黏質粉土3種材料開展計算，模型見圖9，結果見表8。

圖9 Geo-slope軟件分析模型Fig. 9 Geo-slope software analysis models

由表8可見，當邊坡未添加土工格柵時，邊坡穩(wěn)定性安全系數無法滿足要求，添加土工格柵后，邊坡靜力安全系數均大于1.35，地震工況下安全系數均大于1.15，滿足規(guī)范要求，由此說明，添加土工格柵是一種行之有效的提升邊坡穩(wěn)定性的方法。

表8 不同回填材料邊坡穩(wěn)定性系數統(tǒng)計

此外，考慮到邊坡破壞后果的嚴重性，施工時應對土工格柵的施工步序和邊坡的排水嚴格控制，包括：

(1)邊坡回填時，應依據相關規(guī)范滿足或提高壓實要求，保障土層密實度。

(2)當回填土為砂性土時，邊坡采用土工格柵時，應進行包邊設計。

(3)邊坡應當設置護腳墻，防止坡腳沖刷，做好排水措施。

(4)在地鐵隧道運營過程中，應對邊坡和結構進行實時動態(tài)監(jiān)測。

4 結 論

(1)在有限空間內，提出回填邊坡采用4級放坡處理方案，坡度從高到底依次為1∶1.25、1∶1.25、1∶1.50和1∶1.50，坡面采用C30混凝土拱形骨架防護，坡底設片石混凝土擋墻并設防滑凸榫，采用級配碎石換填式基礎，回填層內鋪設土工格柵等加固措施。

(2)提出采用等效計算參數方法開展邊坡穩(wěn)定性分析，基于含土工格柵土體等效參數開展了擋土墻及邊坡整體穩(wěn)定性分析、回填土與原狀土分界面處滑動穩(wěn)定性分析，驗證了邊坡靜力工況穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。

(3)采用FLAC與GEO-SLOPE軟件聯合計算方法對邊坡抗震穩(wěn)定性開展分析，對不同回填材料邊坡靜力與設防地震穩(wěn)定性分析表明，回填土層內采用土工格柵加固措施后，邊坡在0.10g設防地震作用下的穩(wěn)定性系數均有明顯的增大且滿足規(guī)范要求。