某山區(qū)公路棄渣場(chǎng)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及鄰近工程影響

陳爭(zhēng)玉，肖 羚，蔣文鵬，尹小濤

(1.云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司， 云南 昆明 650041；2.大理大漾洱云高速公路有限公司， 云南 大理 671000；3.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室， 湖北 武漢 430071)

不同類(lèi)型工程建設(shè)過(guò)程中均不可避免的改變?cè)凶匀坏匦渭皥?chǎng)地的初始穩(wěn)定狀態(tài)，棄渣是在自然地基上堆積形成的人工地形，規(guī)模越大、高度越大對(duì)于自然地形穩(wěn)定性影響越大。棄渣的固廢特點(diǎn)，經(jīng)常造成該類(lèi)工程得不到應(yīng)有重視，一旦發(fā)生災(zāi)變，會(huì)嚴(yán)重威脅周邊既有建構(gòu)筑物的安全。因此，急需開(kāi)展公路棄渣及其對(duì)鄰近工程安全影響研究。

當(dāng)前山區(qū)公路棄渣邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)研究主要集中在以下方面：(1) 棄渣邊坡穩(wěn)定性，計(jì)算邊坡沿棄渣內(nèi)部潛在滑動(dòng)面、渣體與自然坡接觸面、自然坡體內(nèi)潛在滑動(dòng)面在正常運(yùn)行工況、非正常I工況(降雨)、非正常II工況(地震)下的穩(wěn)定性系數(shù)，判斷其是否滿(mǎn)足不同等級(jí)棄渣工程的安全標(biāo)準(zhǔn)[1-6]；(2) 棄渣邊坡和鄰近工程的相互影響機(jī)制，評(píng)估棄渣堆填過(guò)程帶來(lái)的工程安全影響，依據(jù)不同既有建構(gòu)筑物安全控制標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)判由此帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)[7-10]；(3) 棄渣邊坡穩(wěn)定性演化機(jī)制和安全控制技術(shù)，棄渣過(guò)程動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性下階段安全控制目標(biāo)和最終安全控制目標(biāo)的融合統(tǒng)一、臨時(shí)和永久安全控制技術(shù)的統(tǒng)一、最優(yōu)化和效果檢驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)局部與整體的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。當(dāng)前研究尚做不到靜態(tài)到動(dòng)態(tài)及考慮過(guò)程要素的全面系統(tǒng)評(píng)估，安全管控作用和效果相對(duì)較低[11-15]。

以某山區(qū)公路失穩(wěn)棄渣工程為研究對(duì)象，對(duì)失穩(wěn)、臨時(shí)搶險(xiǎn)加固、永久加固下棄渣邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，探討邊坡的失穩(wěn)機(jī)制、設(shè)計(jì)優(yōu)化和加固效果，為穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和棄渣對(duì)鄰近工程安全影響評(píng)估提供支撐，為類(lèi)似工程提供借鑒。

1 工程概況

某山區(qū)公路K59+320棄渣場(chǎng)，征地面積5.33hm2，設(shè)計(jì)容量54.27×104m3，規(guī)劃堆高28 m。該棄渣場(chǎng)為典型溝谷型棄渣場(chǎng)地，背靠挖方路基，下臨養(yǎng)殖場(chǎng)，再往下為大臨鐵路橋墩，左側(cè)道路旁有幾戶(hù)民居，周邊環(huán)境詳見(jiàn)圖1。

圖1 K59+320棄渣場(chǎng)周邊環(huán)境概況

該區(qū)地層自上而下依次為：棄渣、褐黃色殘坡積土、灰褐色淤泥質(zhì)土、全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，詳見(jiàn)工程地質(zhì)剖面圖圖2。

圖2 K59+320棄渣場(chǎng)工程地質(zhì)剖面

棄渣場(chǎng)各地層巖土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)建議值統(tǒng)計(jì)列于表1。

表1 K59+320棄渣場(chǎng)各地層計(jì)算參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》[16](GB 18306—2019)，場(chǎng)區(qū)地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45 s，地震動(dòng)峰值加速度0.20g，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，場(chǎng)區(qū)地震基本烈度為Ⅷ度，棄渣場(chǎng)區(qū)內(nèi)各建(構(gòu))筑物應(yīng)按相關(guān)地震動(dòng)參數(shù)抗震設(shè)防。

2 棄渣場(chǎng)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和工程處治

2.1 K59+320棄渣場(chǎng)失穩(wěn)過(guò)程

根據(jù)搜集的K59+320棄渣場(chǎng)歷史資料，該棄渣場(chǎng)大致包括選址、棄渣、失穩(wěn)、應(yīng)急搶險(xiǎn)、加固處置和工后等幾個(gè)階段，具體見(jiàn)圖3。

圖3 K59+320棄渣場(chǎng)的地形演化過(guò)程

2017年完成K59+320棄渣場(chǎng)選址，同年開(kāi)始工程建設(shè)；2020年6月，棄渣15×104m3，堆填至3到4級(jí)坡，高度約25 m；2020年7月1日凌晨3時(shí)，整體失穩(wěn)，中部已施作攔渣墻被推移折斷，下移運(yùn)動(dòng)約70 m；2020年7月事件發(fā)生后，24 h內(nèi)完成約4×104m3棄渣緊急轉(zhuǎn)運(yùn)，坡面鋪塑，下部前緣距離養(yǎng)殖場(chǎng)約30 m位置設(shè)置木樁和編織袋反壓，坡面位移不間斷監(jiān)測(cè)；2020年8月，完成優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定水泥土攪拌樁加固方案；2020年11月—2021年1月完成加固施工；2021年2月—迄今，工后安全監(jiān)測(cè)。

2.2 考慮堆載過(guò)程的棄渣邊坡失穩(wěn)機(jī)制

為揭示棄渣過(guò)程造成的邊坡穩(wěn)定狀態(tài)演化機(jī)制，利用PHASE2D有限元軟件，建立考慮棄渣分級(jí)填筑的有限元數(shù)值仿真模型，材料參數(shù)見(jiàn)表1，采用彈塑性本構(gòu)，表面自由，兩側(cè)法向約束，底部全約束，數(shù)值模型和各階段塑性區(qū)見(jiàn)圖4。

由圖4可知，初始地形邊坡處于自然平衡狀態(tài)，未出現(xiàn)塑性區(qū)，邊坡?tīng)顟B(tài)穩(wěn)定；隨著一級(jí)坡棄渣堆填，塑性區(qū)基本沒(méi)有變化，邊坡整體穩(wěn)定；二級(jí)坡棄渣堆填后，沿著淤泥質(zhì)土層局部出現(xiàn)塑性，邊坡整體處于基本穩(wěn)定-欠穩(wěn)定狀態(tài)；三級(jí)坡棄渣堆填后，塑性區(qū)進(jìn)一步沿淤泥質(zhì)土層發(fā)展，有貫通趨勢(shì)，邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，尚未整體失穩(wěn)；四級(jí)坡堆載后，塑性沿淤泥質(zhì)土層和棄渣邊坡分別貫通，邊坡整體失穩(wěn)。上述塑性區(qū)擴(kuò)展揭示的坡體穩(wěn)定狀態(tài)演化與施工單位記錄的堆積到25 m高度后棄渣邊坡整體失穩(wěn)基本吻合，證明下臥淤泥質(zhì)土層的超臨界承載是失穩(wěn)的主要原因。

2.3 失穩(wěn)后棄渣邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和優(yōu)化設(shè)計(jì)

采取緊急搶險(xiǎn)措施后棄渣場(chǎng)基本處于局部失穩(wěn)和整體欠穩(wěn)定狀態(tài)，為安全經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行加固設(shè)計(jì)，將不同工況穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)列于表2，不同工況穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果圖見(jiàn)圖5。

表2 緊急處置后K59+320棄渣場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

由表2和圖5可知，正常工況邊坡穩(wěn)定性系數(shù)1.025，小于1.300，不滿(mǎn)足工程穩(wěn)定性要求，緊急處置后棄渣邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)；非正常工況I邊坡穩(wěn)定性系數(shù)0.879，小于1.150，不滿(mǎn)足工程穩(wěn)定性要求，說(shuō)明降雨飽水條件下棄渣邊坡存在沿淤泥質(zhì)土層側(cè)向擠出滑移風(fēng)險(xiǎn)；非正常工況II邊坡穩(wěn)定性系數(shù)0.522，小于1.150，不滿(mǎn)足工程穩(wěn)定性要求，地震條件下棄渣邊坡存在沿軟塑淤泥質(zhì)下臥層整體滑移風(fēng)險(xiǎn)。緊急處置后棄渣邊坡仍存在整體破壞風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重危及臨近建構(gòu)筑物安全，最大水平加固力596 kN/m。

圖4 棄渣過(guò)程造成的K59+320棄渣場(chǎng)塑性區(qū)變化

由于淤泥質(zhì)土層和全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖棄渣均為易擾動(dòng)土體，不建議大規(guī)模重整和采取擾動(dòng)較大的工程處置措施；建議對(duì)既有坡面進(jìn)行簡(jiǎn)單整形后，在原有攔沙壩位置可采用微型樁、水泥土攪拌樁、抗滑樁、攔渣墻等處治方案，利用天漢軟件計(jì)算的滿(mǎn)足正常運(yùn)行工況1.30安全標(biāo)準(zhǔn)的各加固方案見(jiàn)圖6。

圖5 緊急處置后K59+320棄渣場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果圖

橫向加固范圍按150 m考慮，縱向加固寬度根據(jù)圖6計(jì)算結(jié)果確定，不同方案的綜合單價(jià)以地區(qū)市場(chǎng)價(jià)為參考，則不同方案加固工程量和造價(jià)統(tǒng)計(jì)列于表3。

表3 K59+320棄渣場(chǎng)邊坡加固工程量和造價(jià)估算表

由表3可知，水泥土攪拌樁擋土結(jié)構(gòu)的加固效果好且造價(jià)相對(duì)較低；抗滑樁措施下樁間土存在流塑擠出的可能，加固效果較差。因此，基于安全、經(jīng)濟(jì)、可行原則的加固方案排序?yàn)樗嗤翑嚢铇?抗滑樁>攔渣墻+地基處理>微型樁。

最終加固方案為：水泥土攪拌樁直徑500 mm，橫向搭接不少于100 mm，縱向搭接不少于150 mm，共需要4排，墻體厚度不小于1 900 mm，樁長(zhǎng)進(jìn)入淤泥質(zhì)土層以下不少于2.0 m，驗(yàn)算樁長(zhǎng)10.0 m(淤泥質(zhì)土層埋深8.2 m)，施工平面和剖面圖見(jiàn)圖7。

圖7 K59+320棄渣場(chǎng)水泥土攪拌樁施工方案

3 棄渣場(chǎng)對(duì)鄰近工程安全影響評(píng)價(jià)

3.1 基于多期次地面調(diào)查的安全影響評(píng)價(jià)

在災(zāi)害發(fā)生后，開(kāi)始對(duì)臨近民居、養(yǎng)殖場(chǎng)、大臨鐵路橋墩等進(jìn)行多期次地面調(diào)查，調(diào)查階段主要包括：應(yīng)急措施處置后、水泥土攪拌樁施工期、加固后，主要采取結(jié)構(gòu)外觀調(diào)查方式，詳見(jiàn)圖8。

圖8 K59+320棄渣場(chǎng)對(duì)鄰近工程安全影響調(diào)查評(píng)估

由圖8可知，經(jīng)過(guò)多期次地面調(diào)查，養(yǎng)殖場(chǎng)、民居、大臨鐵路橋墩的外觀均沒(méi)有產(chǎn)生裂縫，調(diào)查揭示該棄渣場(chǎng)對(duì)鄰近工程沒(méi)有明顯安全威脅。

3.2 基于位移監(jiān)測(cè)的安全影響評(píng)價(jià)

在水泥土攪拌樁頂部和附近地面布設(shè)了表觀位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在加固措施前后布置了兩個(gè)深部位移監(jiān)測(cè)孔，用于檢驗(yàn)加固效果和量化評(píng)價(jià)鄰近工程的安全影響，施工前后位移監(jiān)測(cè)曲線見(jiàn)圖9。

由圖9可知，在2020年11月—2021年1月水泥土攪拌樁施工完成后很快表觀位移很快趨于穩(wěn)定；2021年3月的測(cè)斜曲線位于包絡(luò)線外側(cè)，隨后4月回落，5月趨于穩(wěn)定，工后變形在1 mm以?xún)?nèi)，證明加固措施有效，深部影響趨于穩(wěn)定。監(jiān)測(cè)曲線數(shù)據(jù)證明加固后棄渣場(chǎng)對(duì)下部建構(gòu)筑物不會(huì)產(chǎn)生安全影響。

圖9 K59+320棄渣場(chǎng)位移監(jiān)測(cè)曲線

4 結(jié)論與建議

通過(guò)災(zāi)變棄渣場(chǎng)的多階段多環(huán)節(jié)調(diào)查和計(jì)算分析，系統(tǒng)評(píng)價(jià)了棄渣邊坡穩(wěn)定性及其對(duì)周邊鄰近工程的安全影響，所得主要結(jié)論如下：

(1) K59+320棄渣場(chǎng)的失穩(wěn)主要是由于初期沒(méi)有發(fā)現(xiàn)表層殘積土層下存在8 m～10 m厚度的淤泥質(zhì)土層，軟弱下臥層是災(zāi)變主要原因；規(guī)劃棄渣高度28 m大于下臥層極限承載高度25 m，地基承載失穩(wěn)是災(zāi)變的力學(xué)機(jī)制；現(xiàn)行山區(qū)公路棄渣場(chǎng)勘察設(shè)計(jì)方法和整形后穩(wěn)定性專(zhuān)題評(píng)估沒(méi)有辦法解決類(lèi)似問(wèn)題；該類(lèi)問(wèn)題的解決在于需要對(duì)棄渣場(chǎng)進(jìn)行專(zhuān)題勘察、設(shè)計(jì)和施工組織。

(2) 對(duì)于發(fā)現(xiàn)的不良地層，淺部的做清除或者換填處理，一般至少需要對(duì)坡腳20 m～30 m范圍嚴(yán)格清表；對(duì)于深部的軟弱地層，可采取控制堆高和地基處理相結(jié)合的方式處治。K59+320棄渣場(chǎng)加固方案優(yōu)選次序?yàn)椋核嗤翑嚢铇?抗滑樁>攔渣墻+地基處理>微型樁，最終采取水泥土攪拌樁加固方案，樁徑500 mm，橫向搭接不小于100 mm，縱向搭接不少于150 mm，4排12 m深。

(3) 根據(jù)K59+320棄渣場(chǎng)的多期次地面調(diào)查和位移監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)水泥土攪拌樁加固后該棄渣場(chǎng)當(dāng)前變形均在mm級(jí)，下游30 m的養(yǎng)殖場(chǎng)、道路左側(cè)民居、下游近百米外的大臨鐵路橋墩外觀完好，可以認(rèn)為該棄渣場(chǎng)對(duì)周邊鄰近工程沒(méi)有安全威脅。