上海深坑酒店基于變形控制的高陡邊坡加固設(shè)計(jì)研究*

梁志榮，劉靜德，李 偉，魏 祥，陳新喜，李 赟，余少樂

(1 上海申元巖土工程有限公司， 上海 200011； 2 中國建筑第八工程局有限公司， 上海 200135)

0 概述

高陡邊坡的加固治理在山地建筑、公路、鐵路及水利工程較為常見，其對于工程建設(shè)的安全十分重要。針對高陡邊坡加固治理所遇到的難題，巖土工作者開展了大量研究[1-6]。由于邊坡工程通常僅需考慮邊坡安全問題，所以多數(shù)研究主要著眼于邊坡穩(wěn)定性分析及穩(wěn)定性控制方面。

目前，僅部分學(xué)者針對邊坡開挖誘發(fā)的卸荷松弛變形控制做過研究。羅杰等[7]采用地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)和數(shù)值分析，研究了預(yù)加固技術(shù)在邊坡開挖變形控制中的應(yīng)用。周華等[8]針對烏東德水電站泄洪洞出口左側(cè)邊坡坡面發(fā)生較大變形的問題，采用三維數(shù)值模擬研究邊坡變形機(jī)理，并據(jù)此提出邊坡加固治理方案。

然而，部分建筑工程會與高陡邊坡之間存在共同作用，邊坡的變形會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的次生應(yīng)力，若不加以控制，將會嚴(yán)重影響主體結(jié)構(gòu)的工程造價，甚至威脅主體建筑的安全[9]。變形控制是這類高陡邊坡加固設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，需要進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)與計(jì)算分析。

本文結(jié)合上海深坑酒店(簡稱深坑酒店)項(xiàng)目邊坡加固工程，采用三維動力有限單元法，分析預(yù)應(yīng)力錨索+錨桿加固邊坡的變形特性，探討基于變形控制的高陡邊坡加固設(shè)計(jì)方法，可為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

深坑酒店地上2層、地下16層，其中主體建筑依深坑邊坡而建，主體建筑基礎(chǔ)落于坑底，頂部搭建于坑頂基礎(chǔ)上，坑頂有裙房，建筑整體呈倒“L”形搭建于上海市西郊古城松江的天馬山廢棄礦坑邊坡上。天馬山廢棄礦坑占地面積約為36 800m2，長約280m，寬約220m，坑深最大處約80m，上寬下窄，坡度陡峭，坡角約為80°。圖1為天馬山廢棄礦坑原狀。

圖1 天馬山廢棄礦坑原狀

深坑酒店是世界上首個建于廢棄礦坑內(nèi)的五星級酒店，繼中國國家體育館“鳥巢”、國家游泳中心“水立方”之后入選美國國家地理頻道《偉大工程巡禮》。本項(xiàng)目邊坡支護(hù)要求高、工程地質(zhì)條件復(fù)雜，國內(nèi)外均缺少相關(guān)工程實(shí)踐可供參考。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地層分布

深坑酒店位于長江三角洲入?？跂|南前緣，地貌屬于上海地區(qū)四大地貌單元中的湖沼平原與天馬山剝蝕殘丘邊緣兩種類型。項(xiàng)目場地地層主要分為坑頂覆蓋層與基巖層。基巖由侏羅系上侏羅統(tǒng)黃尖組天馬山地區(qū)中偏酸性火成巖組成，巖性較為單一，自上而下可分為全風(fēng)化安山巖、強(qiáng)風(fēng)化安山巖、中風(fēng)化安山巖、微風(fēng)化安山巖。高邊坡巖體以安山巖為主，較硬巖居多，邊坡巖體裂隙較發(fā)育，風(fēng)化不太強(qiáng)烈。

圖2為場地內(nèi)典型地質(zhì)剖面。需要說明的是，根據(jù)裙房勘察剖面及現(xiàn)場踏勘，天馬深坑坑邊土層厚度最薄，自坑邊向外，土層厚度逐漸增大。深坑酒店坑頂裙房基礎(chǔ)底絕對標(biāo)高約-3.000m，坑上口土層已挖除，坡面均為巖體。

圖2 典型地質(zhì)剖面圖

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造調(diào)查，深坑酒店邊坡巖體普遍發(fā)育三組原生節(jié)理裂隙。第一組傾向72°～116°裂隙組，大體走向北北西或北北東，傾角61°～81°，裂面較平直，寬2～30mm，裂隙一般無充填，一般長2.0～4.0m，少數(shù)長5.0～7.0m，節(jié)理間距為30cm左右。第二組傾向175°～192°裂隙組，北東東或北西西走向，傾角70°～86°，裂面平直，寬5～50mm，裂隙一般無充填，一般長1.0～3.0m，少數(shù)長10.0m，節(jié)理間距為lm左右。第三組傾向9°～18°裂隙組，北西西走向，傾角10°～21°，裂面平直，寬2～20mm，裂隙一般無充填，一般長1.5～3.0m，少數(shù)長8.0m，節(jié)理間距為30cm左右。圖3是深坑酒店巖質(zhì)邊坡典型節(jié)理裂隙發(fā)育情況。

圖3 邊坡巖體節(jié)理裂隙

2.3 場地地震條件

深坑酒店項(xiàng)目抗震設(shè)防烈度為7度，地震分組為第一組，基本地震加速度值0.10g，特征周期0.35s。

3 邊坡加固設(shè)計(jì)

3.1 邊坡加固設(shè)計(jì)原則

深坑酒店邊坡工程安全等級為一級，邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年。

由于深坑酒店的主體結(jié)構(gòu)建于深坑內(nèi)，深坑邊坡長期穩(wěn)定性和抗震穩(wěn)定性對酒店的安全特別重要。同時深坑酒店主體建筑依深坑邊坡而建，主體建筑基礎(chǔ)落于坑底，頂部搭建于坑頂基礎(chǔ)上，坑頂有裙房，主體建筑結(jié)構(gòu)對邊坡變形特別敏感?？紤]結(jié)構(gòu)的抗震安全，深坑酒店主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)單位明確要求小震作用下坑底與坑頂相對位移的最大值不超過18mm、大震作用下不超過120mm。

因此，深坑酒店邊坡工程不僅對邊坡穩(wěn)定性控制要求高，而且對邊坡變形，特別是坑底與坑頂相對位移控制要求極為嚴(yán)格。邊坡抗震設(shè)計(jì)應(yīng)驗(yàn)算大、小震工況下邊坡穩(wěn)定性及變形控制。

3.2 邊坡加固設(shè)計(jì)方案

圖4 邊坡加固典型剖面

4 邊坡三維動力有限元分析

深坑酒店呈倒“L”形建于采石坑內(nèi)，其特殊的結(jié)構(gòu)形式導(dǎo)致主體建筑對于邊坡變形特別敏感。因此，變形控制，特別是地震工況下坑底與坑頂相對位移控制，是深坑酒店項(xiàng)目邊坡加固的重點(diǎn)與難點(diǎn)。通常的邊坡加固主要采用極限平衡法進(jìn)行設(shè)計(jì)，重點(diǎn)關(guān)注邊坡穩(wěn)定性，難以滿足深坑酒店邊坡加固變形控制的要求。為此，邊坡加固設(shè)計(jì)中對小震及大震作用下邊坡的變形特性進(jìn)行二維及三維動力有限元數(shù)值模擬分析。限于篇幅，本文以大震工況的三維動力有限元數(shù)值模擬分析為例進(jìn)行介紹。

4.1 邊坡動力有限元分析模型

三維動力有限元分析模型包括深坑及其周邊巖土體。網(wǎng)格劃分中，巖土體及結(jié)構(gòu)面弱化層采用六面體等參有限單元模擬，坑周單元分布密集，密集范圍內(nèi)的單元最大尺寸不超過2m×2m×2m，密集范圍內(nèi)單元總數(shù)為178 660。模型邊界條件采用CIN3D8無限單元模擬。整體模型巖土體共采用240 793個單元模擬，246 566個節(jié)點(diǎn)，見圖5。

圖5 三維有限元模型網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分中，錨桿、預(yù)應(yīng)力錨索均采用桿單元模擬。需要說明的是，掛網(wǎng)噴射混凝土用于坡面防護(hù)，不影響邊坡受力變形特性，邊坡有限元分析中未對噴射混凝土進(jìn)行建模。

4.2 邊坡動力有限分析輸入荷載

有限元分析輸入荷載包括靜力荷載與地震荷載。靜力荷載包括：1)坑頂裙房基底荷載為130kPa，作用于基底標(biāo)高-3.000m；2)地面超載30kPa；3)坑口及坑底結(jié)構(gòu)荷載，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果確定。

地震發(fā)生時，通常以縱波和橫波的方式在地球內(nèi)部傳播，進(jìn)而作用于上部的建筑物，其中橫波是造成破壞的主要原因。因此，動力有限元分析中采用模型底部輸入震動加速度的形式模擬地震荷載。圖6為大震作用下基巖加速度時程曲線。

圖6 大震作用下基巖加速度時程曲線

4.3 邊坡動力有限元分析力學(xué)參數(shù)

考慮到邊坡巖體節(jié)理裂縫相當(dāng)發(fā)育，巖塊室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果與巖體參數(shù)差值較大，結(jié)合工程及研究經(jīng)驗(yàn)，對室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行折減得到有限元分析所采用的巖土體力學(xué)參數(shù)[10]，其中靜彈性模量折減80%，巖塊強(qiáng)度參數(shù)黏聚力c折減90%，內(nèi)摩擦角φ折減30%～40%。邊坡有限元分析中巖土體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示，括號內(nèi)數(shù)據(jù)為室內(nèi)試驗(yàn)巖塊的力學(xué)參數(shù)。

有限元分析中，預(yù)應(yīng)力錨索、錨桿彈性模量取為220GPa，密度取為7 800kg/m3，預(yù)應(yīng)力錨索施加2 000kN的預(yù)應(yīng)力。

邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù) 表1

4.4 大震作用下邊坡加速度響應(yīng)分析

圖7為大震作用下原狀邊坡加速度時程曲線。由圖7可知，大震作用下，邊坡巖土體加速度響應(yīng)沿高度方向呈放大趨勢，在巖層頂面處放大約2倍，在土層頂面處放大約4倍；巖層軟弱結(jié)構(gòu)面處邊坡加速度響應(yīng)放大較為明顯；土體的加速度放大效應(yīng)較巖體更為顯著。加固后邊坡的加速度變化規(guī)律與加固前基本一致，不再贅述。

圖7 大震作用下原狀邊坡加速度時程曲線

4.5 大震作用下邊坡動位移響應(yīng)分析

圖8為大震作用下原狀邊坡水平位移時程曲線。由圖8可知，大震作用下，未加固邊坡巖層頂?shù)淖畲笏轿灰萍s30mm，土層頂?shù)淖畲笏轿灰萍s130mm；考慮水平位移相位差，坑底與坑頂(巖體)相對水平位移約40mm，坑底與坑頂(土體)相對水平位移約140mm，超過主體建筑變形控制要求，需要采取可靠的邊坡加固措施，以保證結(jié)構(gòu)安全。

圖9為大震作用下加固邊坡水平位移時程曲線。由圖9可知，大震作用下，未加固邊坡巖層頂?shù)淖畲笏轿灰萍s15mm，土層頂?shù)淖畲笏轿灰萍s70mm；考慮水平位移相位差，坑底-坑頂(巖體)相對水平位移約20mm，坑底-坑頂(土體)相對水平位移約80mm，滿足主體建筑變形控制要求。

對比圖8與圖9中加固前后邊坡動位移、坑底與坑頂相對位移動力有限元計(jì)算結(jié)果，采用預(yù)應(yīng)力錨索+錨桿加固后，邊坡動位移及坑底與坑頂相對位移均大幅降低，這說明預(yù)應(yīng)力錨索+錨桿加固對改善邊坡動位移響應(yīng)效果顯著，實(shí)現(xiàn)了邊坡變形控制的加固目的。

圖8 大震作用下原狀邊坡水平位移時程曲線

圖9 大震作用下加固邊坡水平位移時程曲線

圖10為加固前后大震作用下邊坡水平位移云圖。由圖可知，加固前后坡體的水平位移分布規(guī)律總體一致：坑頂水平位移較坑底水平位移大；坑頂水平位移與坑底水平位移之間存在相位差，這導(dǎo)致坑底與坑頂相對水平位移較大；相較于加固前，加固后邊坡水平位移明顯減小，這說明預(yù)應(yīng)力錨索+錨桿等支護(hù)結(jié)構(gòu)很好地約束了坡體位移變形，加固作用良好。

圖10 加固前后大震作用下邊坡水平位移云圖/m

4.6 大震作用下邊坡穩(wěn)定性分析

大震作用下邊坡穩(wěn)定性采用動力有限元強(qiáng)度折減法分析得到。數(shù)值模擬中對邊坡巖土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)(黏聚力c及內(nèi)摩擦角φ)按折減系數(shù)R進(jìn)行折減，按下式計(jì)算得到新的抗剪強(qiáng)度參數(shù)c′與φ′[11]：

(1)

將c′與φ′重新輸入模型中進(jìn)行動力有限元分析，直至邊坡達(dá)到失穩(wěn)狀態(tài)，將此時的折減系數(shù)R作為邊坡動力穩(wěn)定性安全系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，大震作用下，加固前邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.0，加固后邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.4。計(jì)算結(jié)果表明，采用預(yù)應(yīng)力錨索+錨桿加固后，邊坡動力穩(wěn)定性安全系數(shù)顯著提高，滿足邊坡抗震穩(wěn)定性控制要求。

4.7 加固前后邊坡穩(wěn)定性及變形分析

表2匯總了加固前后靜、動力工況下邊坡的穩(wěn)定性及變形三維有限元分析結(jié)果。計(jì)算結(jié)果表明：支護(hù)后邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)提高，坑頂與坑底相對位移顯著降低，滿足穩(wěn)定性及邊坡變形控制要求，加固效果良好。

邊坡穩(wěn)定性及變形三維有限分析結(jié)果匯總 表2

5 結(jié)論

結(jié)合上海深坑酒店建設(shè)項(xiàng)目邊坡加固工程，探討基于變形控制的邊坡加固設(shè)計(jì)方法，通過引入三維動力有限單元法對邊坡加固前后的動力響應(yīng)進(jìn)行模擬分析，研究加固前后邊坡變形特性及穩(wěn)定性，驗(yàn)證邊坡加固方案的可行性，主要結(jié)論如下：

(1)動力有限元數(shù)值模擬表明，采用預(yù)應(yīng)力錨索+錨桿加固后，邊坡的動位移、坑底與坑頂相對水平位移較加固前明顯降低，滿足變形控制要求。加固后邊坡的動力穩(wěn)定性安全系數(shù)明顯提高，滿足抗震穩(wěn)定性要求。

(2)邊坡加速度響應(yīng)隨邊坡高度逐漸放大，土層的放大效應(yīng)較巖層更為明顯；巖層軟弱結(jié)構(gòu)面處邊坡加速度響應(yīng)放大較為明顯。

(3)采取預(yù)應(yīng)力錨索+錨桿的加固方案能很好地實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性控制及變形控制的加固目的，可為類似工程邊坡加固治理提供借鑒。