復(fù)雜山地建筑邊坡抗滑樁加固技術(shù)應(yīng)用研究*

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

山地建筑是結(jié)合山地地貌特征，依照坡度差異進(jìn)行建筑布局，取得錯落有致的效果，使建筑與山地自然景觀相協(xié)調(diào)的建筑形態(tài)。近年來，山地建筑在國內(nèi)發(fā)展日益繁榮。然而，為滿足建筑和景觀設(shè)計需求，山地建筑建設(shè)期間往往會對邊坡原始形態(tài)造成破壞，影響邊坡穩(wěn)定性。

山地建筑對邊坡穩(wěn)定性影響主要體現(xiàn)在以下幾個方面：1)山地建筑施工期間存在大體量的削坡挖方，產(chǎn)生高陡邊坡問題；2)由于建筑豎向設(shè)計坡頂填方或新增淺基礎(chǔ)建筑物，坡頂加載導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)；3)建筑施工影響原坡體地下水排泄路徑，地下水位升高，邊坡穩(wěn)定性降低。

目前，山地建筑設(shè)計中常常存在對邊坡加固治理及邊坡失穩(wěn)預(yù)防措施不足的問題，以致山地建筑建設(shè)誘發(fā)滑坡災(zāi)害的工程事故時有發(fā)生。實際上，山地建筑所在邊坡，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件及水文條件，綜合評估原邊坡及施工階段與竣工后階段等不同工況下的邊坡穩(wěn)定性，對邊坡進(jìn)行加固設(shè)計，并通過信息化施工進(jìn)行復(fù)核和調(diào)整。

抗滑樁可將樁身上部承受的滑坡推力傳遞到嵌固段的巖土體上，從而改善邊坡受力條件，實現(xiàn)邊坡加固的目的[1]?？够瑯毒哂惺┕け憬?、施工速度快、加固效果顯著等特點，在邊坡加固工程中得到廣泛應(yīng)用。目前，單排抗滑樁邊坡加固設(shè)計方法較為成熟[2-4]，工程應(yīng)用較多[5-6]，但關(guān)于多排抗滑樁邊坡加固設(shè)計的研究相對較少。

本文結(jié)合南京某山地建筑項目邊坡加固治理工程，詳細(xì)闡述山地建筑邊坡多排抗滑樁加固治理設(shè)計方法。

1 工程概況

1.1 邊坡概況

該山地建筑位于南京某山坡下部，場地北側(cè)標(biāo)高約+114.0m，南側(cè)標(biāo)高約+68.0m，南北高差約46m，場地南側(cè)與主峰高差達(dá)169.5m。場地南側(cè)設(shè)2層地下室，地下室基底標(biāo)高+64.0m，基坑北側(cè)挖深達(dá)22m，基坑南側(cè)挖深約4m。

圖1、圖2分別為原基坑支護(hù)設(shè)計平面圖及北側(cè)支護(hù)剖面圖。因基坑開挖深度變化較大，原基坑支護(hù)設(shè)計采用2種圍護(hù)形式：1)北側(cè)地勢較高，挖深較深，采用坑頂放坡+灌注樁+3道鋼筋混凝土角撐的圍護(hù)形式，灌注樁采用φ1 000@1 800/2 000，樁長20.6m；2)南側(cè)地勢較低，開挖較淺，采用放坡+土釘加固的圍護(hù)形式。

圖1 原基坑支護(hù)設(shè)計平面圖

圖2 原基坑北側(cè)支護(hù)剖面圖

基坑開挖到底時，連續(xù)出現(xiàn)長時強降雨，基坑及上部邊坡出現(xiàn)失穩(wěn)破壞跡象，見圖3。邊坡失穩(wěn)跡象包括：基坑北側(cè)圍護(hù)樁變形顯著增大、樁間掛網(wǎng)噴漿面層部分開裂脫落，第一、第二道鋼筋混凝土角撐局部斷裂；場地114平臺以上坡面出現(xiàn)圈椅狀貫通拉裂縫，垂直落距達(dá)30～200cm，邊坡地表水平變形速率達(dá)40～60mm/d；場地114平臺東、西側(cè)擋土墻明顯開裂剪斷；場地內(nèi)21，23，24，26，27號樓發(fā)生明顯均勻沉降，13，15，19號樓發(fā)生明顯不均勻沉降和傾斜，沉降速率約10～40mm/d，最大可達(dá)68mm/d；13及15號樓墻體及梁柱節(jié)點開裂，其南側(cè)建筑擋墻明顯向南傾斜，局部開裂。上述跡象顯示項目場地邊坡滑坡前兆極為顯著，邊坡上緣已形成滑面，見圖4。

圖4 欠穩(wěn)定邊坡平面示意圖

為避免滑面貫通形成滑坡，臨時采取基坑回填、設(shè)置截/排水溝、張拉裂縫灌漿、分級設(shè)置降水井等應(yīng)急搶險措施。采取搶險措施后，邊坡及建筑變形速率都有明顯降低，搶險效果顯著。但一旦遭遇長時強降雨，邊坡變形速率均顯著增加，說明邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，地下水對邊坡穩(wěn)定性影響顯著。為保證項目復(fù)工和建成后的安全性，必須對邊坡進(jìn)行永久性加固治理。

1.2 工程地質(zhì)概況

圖5為該山地建筑場地地層分布，自上而下依次為：①層雜填土、②層碎石土、③1層強風(fēng)化蝕變安山質(zhì)凝灰?guī)r、③2a層破碎中風(fēng)化蝕變安山質(zhì)凝灰?guī)r及③2層中風(fēng)化蝕變安山質(zhì)凝灰?guī)r。需要說明的是，由于巖土勘察單位不同，圖5與圖2中土層定名有所差異。各土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖5 典型地質(zhì)剖面圖

根據(jù)應(yīng)急勘察報告，邊坡潛在滑面揭露深度2.5～23.7m，潛在滑帶厚度約0.3～0.4m，滑帶土主要由填土、碎石土組成。

邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù) 表1

為開展邊坡加固治理，首先通過參數(shù)反分析確定滑帶土體的力學(xué)參數(shù)，具體步驟如下：1)模擬分析確定潛在最不利滑帶位置；2)通過極限平衡法分析滑帶土抗剪強度指標(biāo)(c，φ)取不同值時的邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)Fs；3)因邊坡已呈現(xiàn)滑坡跡象，故選取天然工況Fs=1.05、飽和工況Fs=0.95時的(c，φ)指標(biāo)作為滑帶土的力學(xué)參數(shù)，即：天然工況下c1=6kPa，φ1=13°；飽和工況及地震工況下c2=6kPa，φ2=12°。

1.3 水文地質(zhì)條件

項目場地內(nèi)地下水主要為潛水和基巖裂隙水，其中潛水主要賦存于雜填土層及碎石土層中，主要受大氣降水及地表水影響，連續(xù)的強降雨后現(xiàn)場實測地下水位約1.00～4.90m。

1.4 氣象水文條件

滑坡區(qū)屬長江水系，場區(qū)內(nèi)未見常年溪流。區(qū)內(nèi)雨量充沛，年降水量1 200mm，年平均降水量1 106mm，降水最多季節(jié)為7月份，降水量達(dá)494.5mm。

2 邊坡失穩(wěn)機制及潛在滑面分析

2.1 邊坡失穩(wěn)機制

(1)邊坡淺部地層以雜填土及碎石土為主，地表水極易下滲，而場地內(nèi)逐級施工擋土墻，阻斷地下水排泄路徑，排水不暢，導(dǎo)致地下水位升高。

(2)場地南側(cè)地下室基坑開挖到底后遭遇強降雨，坑外地下水位急劇上升，坑外水壓力顯著增大；坑內(nèi)外土體浸水軟化，坑外主動土壓力增大，坑內(nèi)被動土壓力降低。同時，基坑采用灌注樁+3道開口式鋼筋混凝土角撐，支撐體系受力不平衡?；又ёo(hù)結(jié)構(gòu)抵抗力不足，鋼筋混凝土局部剪斷，圍護(hù)樁及坑外土體位移顯著。

(3)邊坡淺部土體為①層雜填土和②層碎石土，滲透性較好，而③1層強風(fēng)化蝕變安山質(zhì)凝灰?guī)r為弱透水性，近似為不透水層。邊坡淺部土層的潛水下滲滯留于碎石土與強風(fēng)化蝕變安山質(zhì)凝灰?guī)r交界面，導(dǎo)致二者交界面的巖土體軟化，形成潛在軟弱面。

2.2 潛在滑面分析

盡管邊坡上部已出現(xiàn)滑坡前兆且滑坡后緣極為顯著，但邊坡中下部地表特征不明確，應(yīng)急巖土工程勘察也未能揭示中下部潛在滑面分布。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測所反映的邊坡變形特征，推測邊坡可能形成整體圓弧滑動、整體/局部順層滑動、局部圓弧滑動等破壞模式，如圖6所示。

圖6 潛在滑動面分布模式

(1)整體圓弧滑動：潛在滑面沿碎石土與強風(fēng)化巖交界面呈圓弧狀南北貫通，自南側(cè)基坑底剪出，形成整體圓弧滑動。

(2)整體和局部順層滑動：邊坡上部欠穩(wěn)定坡體向下發(fā)展，自邊坡中部剪出，形成局部順層滑動。若坡底基坑欠穩(wěn)定土體向上擴展，與上部貫通，將形成整體順層滑動。

(3)局部圓弧滑動：邊坡上部潛在滑面呈圓弧狀向下發(fā)展，自邊坡中部剪出；坡底基坑開挖形成下部圓弧滑面，自基坑底剪出。

3 山地建筑邊坡加固治理設(shè)計

3.1 邊坡工程設(shè)計工況及安全系數(shù)

本邊坡工程安全等級為Ⅰ級，設(shè)計考慮天然工況、飽和工況及地震工況，不同工況下邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)分別為：天然工況1.35，飽和工況1.20，地震工況1.15。經(jīng)驗算，邊坡加固控制工況為天然工況和飽和工況，本文僅詳細(xì)介紹這2種工況的設(shè)計。

3.2 樁前滑坡推力與樁后抗力計算

本山地建筑邊坡加固設(shè)計主要考慮采用預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁進(jìn)行支擋。但由于邊坡潛在滑動模式較為復(fù)雜，潛在滑面分布位置較多，滑面可能影響范圍較長且潛在滑面埋深較深。同時，坡底地下室復(fù)工需采取支護(hù)措施以保證基坑開挖安全。因此，僅采用單排抗滑樁難以保證不同潛在滑面的支護(hù)要求，設(shè)計考慮采用3排抗滑樁的邊坡加固形式，分別設(shè)在場地114平臺、邊坡中部第一、二排建筑物之間、坡底地下室基坑上部，其中第三排抗滑樁同時具有邊坡加固與基坑支護(hù)作用。

抗滑樁設(shè)計前對各排樁的樁前滑坡推力及樁后抗力進(jìn)行計算。樁前滑坡推力取樁前剩余下滑力和主動土壓力二者間的較大值。樁后抗力取計算阻滑力和被動土壓力二者間的較小值，若滑面已貫通，則不考慮樁后抗力。表2與表3分別是主滑面各排抗滑樁樁前滑坡推力及樁后抗力計算結(jié)果。由表2與表3計算結(jié)果可知，不同滑動模式下，各排樁樁前滑坡推力及樁后抗力差異顯著，邊坡加固設(shè)計時應(yīng)選取較不利工況進(jìn)行抗滑樁設(shè)計。

樁前滑坡推力計算結(jié)果/kN 表2

樁后抗力計算結(jié)果/kN 表3

3.3 抗滑樁設(shè)計計算

采用多排抗滑樁進(jìn)行邊坡加固時，每排樁承擔(dān)的滑坡推力及受力無法通過傳統(tǒng)方法計算[7-10]，本文采用有限元強度折減法進(jìn)行模擬分析。

有限元數(shù)值模擬計算模型水平方向為x向，豎向為y向，x向尺寸為2.5倍坡高，y向尺寸為2倍坡高。模型左右邊界施加x向位移約束，模型底部邊界設(shè)置x，y雙向位移約束。計算模型采用三角形網(wǎng)格單元模擬邊坡地層，采用梁單元模擬抗滑樁，采用桁架單元模擬預(yù)應(yīng)力錨索。計算考慮坡面荷載25kPa，山地建筑荷載考慮15kPa/層。

表4為不同失穩(wěn)模式下抗滑樁彎矩及剪力計算結(jié)果。由表4可知，2-B滑面對應(yīng)的各排抗滑樁彎矩總體上較大，這說明邊坡發(fā)生整體順層滑動的可能性最大。此外，表4中第一排抗滑樁彎矩最小，第三排抗滑樁彎矩最大。這是由于第三排抗滑樁兼做基坑開挖支護(hù)樁，基坑開挖深度達(dá)22m，坑底以上無抗力，而第一排樁位于滑坡中上部，該處下滑推力最小，且樁后有一定抗力。

不同失穩(wěn)模式下多排抗滑樁最大彎矩與剪力計算結(jié)果 表4

圖7為飽和工況下2-B滑面計算結(jié)果。由圖7可知，抗滑樁彎矩反彎點基本位于滑帶區(qū)，滑帶以上抗滑樁抵抗土體下滑，受正彎矩；滑帶以下為抗滑樁嵌固段，受負(fù)彎矩。

圖7 飽和工況下2-B滑面計算結(jié)果

3.4 山地建筑邊坡加固治理方案

根據(jù)以上計算，最終確定的山地建筑邊坡加固治理方案如下：1)第一排抗滑樁樁徑2m，樁間距4m，樁長47～49.5m，樁頂設(shè)2道預(yù)應(yīng)力錨索，分別下傾25°與35°，錨索長度45m，錨固長度20m，預(yù)應(yīng)力鎖定值650kN；2)第二排抗滑樁樁徑2m，樁間距5m，樁長41～43m，樁頂設(shè)1道預(yù)應(yīng)力錨索，下傾35°，錨索長度40m，錨固長度16m，預(yù)應(yīng)力鎖定值500kN；3)第三排抗滑樁兼做基坑支護(hù)樁，樁徑1.8m，樁間距2.5m，樁長35m，設(shè)6道預(yù)應(yīng)力錨索，水平和豎向間距均為2.5m，下傾35°，錨索長度37～45m，錨固長度16m，預(yù)應(yīng)力鎖定值500kN。圖8為邊坡加固治理設(shè)計典型剖面。

圖8 邊坡加固治理設(shè)計典型剖面

3.5 山地建筑邊坡穩(wěn)定性復(fù)核驗算

為保證加固后山地建筑邊坡的穩(wěn)定性，除采用有限元強度折減法進(jìn)行模擬分析外，同時采用極限平衡法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性復(fù)核驗算，結(jié)果見圖9。

圖9 加固后2-B滑面穩(wěn)定性驗算結(jié)果

表5為加固后邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)復(fù)核驗算結(jié)果。由表5可知，加固治理后，該山地建筑邊坡不同工況下的穩(wěn)定性安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，即：天然工況Fs≥1.35，飽和工況Fs≥1.20，地震工況Fs≥1.15。這說明當(dāng)邊坡潛在滑面分布復(fù)雜，滑面可能影響范圍較長且潛在滑面埋深較深時，采用多排抗滑樁能有效提高各種滑動模式下邊坡穩(wěn)定性，保證邊坡安全；2-B滑面在不同工況下的邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)均最小，說明邊坡發(fā)生整體順層滑動的可能性較大，這與抗滑樁的有限元計算結(jié)果一致。

邊坡加固治理后穩(wěn)定性安全系數(shù) 表5

3.6 邊坡監(jiān)測

圖10為抗滑樁施工完成后邊坡典型位置監(jiān)測點水平位移情況，各測點位置見圖4。由圖10可知，經(jīng)加固后邊坡水平位移逐漸趨于穩(wěn)定，總體水平位移最大約25mm，滿足設(shè)計要求，說明采用多排抗滑樁加固后能滿足邊坡穩(wěn)定性要求，加固效果良好。

圖10 典型測點水平位移變化曲線

4 結(jié)論

(1)對于影響范圍廣的山地建筑邊坡，可通過極限平衡法分析確定潛在滑動模式及潛在滑面分布形式，并通過反分析確定滑帶土力學(xué)參數(shù)，為山地建筑邊坡加固治理設(shè)計提供依據(jù)。

(2)當(dāng)山地建筑邊坡潛在滑動模式復(fù)雜，潛在滑面影響范圍廣且滑面埋深較深時，采用多排抗滑樁進(jìn)行邊坡加固治理對不同模式的潛在滑坡均有較好防治效果，能顯著改善邊坡穩(wěn)定性。

(3)采用有限元數(shù)值模擬，能反映土體-抗滑樁-預(yù)應(yīng)力錨索的協(xié)同作用，計算得到不同工況下抗滑樁和錨索的受力特性，為山地建筑邊坡加固治理提供依據(jù)，確保設(shè)計方案安全合理。