山區(qū)坡頂建筑荷載作用下順層粘土邊坡穩(wěn)定性分析

胡慶寶 陳穎輝 歐明喜 趙雨

(昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院 昆明 650500)

0 引言

鎮(zhèn)雄縣位于云南省東北部，山巒起伏、坡陡谷深，人口密集，隨處可見修建于邊坡上以毛石為基礎(chǔ)的民房。隨著人民生活水平提高，在坡頂修建房屋樓層越來越高，加劇了邊坡的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致坡頂民房的沉降開裂。因此，邊坡穩(wěn)定性關(guān)系到坡頂民房的正常使用與人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

目前已有眾多學(xué)者對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究，在MIDAS GTS NX中運(yùn)用強(qiáng)度折減法[1]很容易得出邊坡安全系數(shù)，為判斷邊坡穩(wěn)定性提供參考。孫偉[2]、MUKHLISIN M等[3]研究了強(qiáng)度折減法分析土坡穩(wěn)定問題的適用性。韋立德[4]、周波等[5]探討抗滑樁在邊坡加固中的作用，其中韋立德比較了增大抗滑樁密度與增大樁徑對(duì)邊坡穩(wěn)定性的效果。許明[6]、袁方[7]、呂慶等[8]對(duì)邊坡采用錨索框格梁的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，其中許明認(rèn)為邊坡采用錨索框格梁可以分擔(dān)所承受的荷載，改善邊坡穩(wěn)定性。張海娜等[9]發(fā)現(xiàn)坡頂荷載對(duì)邊坡巖層的破壞模式影響不大。王俊杰等[10]提出了下臥反傾巖層潛在整體破壞面的理論計(jì)算方法。

然而，對(duì)順層粘土邊坡在不斷建筑加載下穩(wěn)定性研究較少，為此本文以鎮(zhèn)雄縣某順層粘土邊坡支護(hù)加固為研究背景，采用SRM法建立三維有限元數(shù)值模型，對(duì)不同加固階段進(jìn)行模擬對(duì)比，研究邊坡與坡頂民房穩(wěn)定性，為今后鎮(zhèn)雄縣滑坡隱患區(qū)域應(yīng)急搶險(xiǎn)治理提供參考。

1 邊坡工程概況

1.1 場(chǎng)地條件

該項(xiàng)目區(qū)位于鎮(zhèn)雄縣某鄉(xiāng)集鎮(zhèn)西側(cè)，地處坡腳河流東岸谷坡，屬強(qiáng)侵蝕中山峽谷地貌區(qū)，總體下部陡峻，中、上部平緩，地形坡度25°～45°，坡向278°。下部以直線形坡為主，局部淺表坍滑、垮塌，地形低凹，坡度30°～45°，坡腳為047鄉(xiāng)道，地形平坦。中上部一帶斜坡原始地形坡度25°～30°，由于民房修建開挖、回填及相應(yīng)支擋工程的實(shí)施，坡面多呈臺(tái)坎狀，坎高4.0～8.0 m。項(xiàng)目區(qū)地形地貌情況如圖1。

圖1 項(xiàng)目區(qū)地形地貌示意

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)項(xiàng)目區(qū)勘察鉆孔報(bào)告，并結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)，選取各巖土層物理力學(xué)指標(biāo)如表1。

表1 土體力學(xué)參數(shù)

1.3 邊坡支護(hù)加固情況

2017年4月坡頂一層住房發(fā)生開裂現(xiàn)象，故于同年在坡腳修筑砌石擋土墻。由于人民生活水平大幅度提高，在原有一層住房基礎(chǔ)上修建為兩層房屋，導(dǎo)致坡腳擋土變形過大破壞，坡頂?shù)孛娉霈F(xiàn)裂縫。因此，于2018年12月將擋土墻拆除，并于次年4月在坡腳采用抗滑樁+擋土板進(jìn)行邊坡加固。2019年坡頂房屋擴(kuò)建，由于樓層加高至4層，致使坡頂住宅開裂，故于2020年在原有抗滑樁加固的基礎(chǔ)上，在坡面上中上部設(shè)橫向間距為4 m、縱向3排錨索框格梁，梁截面均為0.45 m×0.55 m，均采用C25砼，錨索采用3φS15.24鋼絞線，錨索長度21～28 m，錨固段長度6 m，傾角均為25°，造孔直徑均為150 mm，預(yù)應(yīng)力均為300 kN；下部設(shè)橫向間距3 m、縱向間距2.6 m錨桿框格梁，梁截面均為0.3 m×0.4 m，錨桿均采用一根HRB400D32鋼筋，傾角25°，全錨注漿。具體工況如表2。

表2 施工概況

2 邊坡模型參數(shù)的選取與構(gòu)建

以邊坡工程實(shí)際為基礎(chǔ)，并假設(shè)各土層厚度、性質(zhì)均勻，對(duì)邊坡巖土體與支護(hù)結(jié)構(gòu)分別采用摩爾庫倫本構(gòu)模型與彈性模型進(jìn)行模擬，并未考慮降雨、地下水等因素對(duì)土體與支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。選取坡頂房屋開裂最為嚴(yán)重的一段作為代表，建立模型進(jìn)行分析。其支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面如圖2。

圖2 支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖

根據(jù)《地震災(zāi)區(qū)建筑垃圾處理技術(shù)導(dǎo)則》選取該邊坡坡頂建筑荷載為10 kN/m2。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)際情況，將建筑采用均布荷載的方式進(jìn)行坡頂加載。各土層力學(xué)參數(shù)參照表1，抗滑樁與擋土板物理參數(shù)參照C30混凝土，框格梁物理參數(shù)參照C25混凝土。

模型尺寸參照工程實(shí)際進(jìn)行設(shè)置，其邊界尺寸為40 m×65 m，建立邊坡在上述4種不同工況狀態(tài)下的三維有限元模型。

3 不同階段數(shù)值模擬穩(wěn)定性分析

3.1 天然狀態(tài)下穩(wěn)定性分析

2015年7月當(dāng)?shù)鼐用駥?duì)邊坡坡腳進(jìn)行適當(dāng)削坡處理，坡頂為一層民房，于2016年10月坡腳土體發(fā)生部分滑移，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，建立模型進(jìn)行分析，其變形云圖如圖3。整體、水平向與豎向最大變形均發(fā)生在坡腳，其中整體變形為18.27 cm，水平向位移為17.93 cm，豎向位移為5.29 cm，安全系數(shù)為1.069。根據(jù)GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》[11]，該邊坡為三級(jí)邊坡，安全系數(shù)應(yīng)大于1.25，故該邊坡應(yīng)進(jìn)行一定加固處理方能保證其穩(wěn)定性需求。

圖3 天然削坡狀態(tài)坡頂1層建筑變形云圖

3.2 砌石擋土墻加固情況下穩(wěn)定性分析

2017年4月對(duì)坡腳修筑砌石擋土墻進(jìn)行加固，2018年坡頂居民修建房屋，同年10月修建至第2層時(shí)，坡腳擋土墻發(fā)生開裂最大變形為24.47 cm，且部分垮塌，坡頂民房有開裂現(xiàn)象，故停止房屋修建，并于12月將擋土墻拆除。對(duì)該情況進(jìn)行模擬，變形云圖如圖4，最大變形26.70 cm位于擋土墻處，為實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的1.09倍，其滑動(dòng)面與圖2中標(biāo)注的原工程治理滑動(dòng)面相近，模擬結(jié)果與實(shí)際情況基本相符，因此該模型具有一定的可靠性。將該模擬結(jié)果與同種情況下天然狀態(tài)模擬結(jié)果(圖5)進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明：在工況1與工況2中，坡頂建筑為兩層時(shí)，邊坡安全系數(shù)分別為1.051與1.057，邊坡變形、滑動(dòng)面位置與形狀幾乎相同。換言之，該邊坡進(jìn)行砌石擋土墻加固意義不大，其原因是：該擋土墻整體處于邊坡滑動(dòng)面內(nèi)，對(duì)邊坡加固并未起到預(yù)期作用。

圖4 砌石擋土墻加固坡頂2層建筑變形云圖

圖5 天然狀態(tài)下坡頂2層建筑變形云圖

3.3 抗滑樁+擋土板加固情況下穩(wěn)定性分析

2019年對(duì)該邊坡采用抗滑樁+擋土板進(jìn)行加固，在該種加固方式下，邊坡及坡頂民房并未產(chǎn)生明顯的持續(xù)變形與開裂現(xiàn)象，因此坡頂居民未聽取相關(guān)建議停止修建房屋，并在同年年底將房屋修建至4層。2020年2月圖2中L1處地面出現(xiàn)4～6 cm不均勻裂痕，民房內(nèi)局部出現(xiàn)5～7 cm裂痕，并有持續(xù)增大現(xiàn)象。對(duì)該種工況進(jìn)行模擬，其變形云圖如圖6，抗滑樁整體最大位移為4.67 cm，最大變形發(fā)生在坡頂建筑處8.40 cm，為民房內(nèi)實(shí)際最大裂痕1.2倍，坡頂?shù)孛媪押跮1處變形6.92 cm，為地面實(shí)際最大裂痕1.15倍，安全系數(shù)為1.184，仍低于規(guī)范要求1.25。且其滑動(dòng)面、滑坡影響區(qū)皆與圖2中采用理正計(jì)算得出結(jié)果接近，故而該模型具有一定可靠性。結(jié)果表明：抗滑樁嵌固于原有滑動(dòng)面底下的巖土體中，從而很好的限制了邊坡下層土體變形，因此該抗滑樁對(duì)邊坡下部土體治理起到較好作用，但對(duì)控制坡頂建筑變形的效果不甚理想。

圖6 抗滑樁加固坡頂4層建筑變形云圖

3.4 錨桿錨索框格梁加固情況下穩(wěn)定性分析

由于坡頂裂縫存在增大現(xiàn)象，有一定的安全隱患，故于2020年10月在原有支護(hù)條件下對(duì)該邊坡采用錨桿錨索框格梁進(jìn)行再次加固。對(duì)該工況進(jìn)行模擬，其變形云圖如圖7。云圖表明坡頂建筑最大變形為4.92 cm，抗滑樁最大變形3.26 cm，坡頂裂縫處最大變形4.67 cm，比工況3分別縮小41.4%、30.2%與32.5%。安全系數(shù)提高到1.622，滿足邊坡穩(wěn)定性要求，此時(shí)邊坡安全系數(shù)相對(duì)工況3提高40.0%，因此該種方式對(duì)邊坡加固起到有效作用。

圖7 錨桿錨索框格梁加固坡頂4層建筑變形云圖

4 4種工況對(duì)比分析

圖8為在坡頂不同樓層荷載作用下4種工況的邊坡安全系數(shù)變化曲線。由圖可知隨著樓層增加安全系數(shù)呈下降趨勢(shì)，其中工況4安全系數(shù)最大，對(duì)邊坡加固作用最為有效。當(dāng)樓層為1層時(shí)工況4與工況2的安全系數(shù)分別為1.672與1.069，相對(duì)提高約57.1%，然而工況1相比工況2略大一些，即采用砌石擋土墻對(duì)邊坡的加固作用略小于天然削坡工況。

圖8 樓層層數(shù)與安全系數(shù)曲線

圖9—圖10分別為在坡頂不同樓層荷載作用下4種工況的坡腳與坡頂建筑沉降最大變形曲線。在圖9中工況3與工況4在相同建筑荷載作用下坡腳抗滑樁位移變化相近，最大變形為4.67 cm與3.28 cm。圖10中工況3相對(duì)工況4對(duì)控制坡頂建筑變形治理效果較差，最大沉降分別為-8.39 cm與-4.92 cm，控制沉降效果提高了41.4%。說明后期所采用的錨桿錨索框格梁主要對(duì)邊坡上部土體與坡頂建筑起到加固作用，而對(duì)邊坡下部土體加固作用較小。圖9與圖10中，工況1與工況2最大位移均隨樓層層數(shù)增大而顯著增大，且變化速率呈遞增趨勢(shì)，兩種工況在1層與2層情況下，其變形相接近，而當(dāng)樓層為3層與4層時(shí)，工況1與工況2方式下的坡頂民房變形遠(yuǎn)超其所能承受變形范圍。且工況2的變形顯著大于工況1，再次說明天然削坡比砌石擋土墻對(duì)邊坡穩(wěn)定性更有效，其原因是：砌石擋土墻改變了邊坡原有的應(yīng)力狀態(tài)，其嵌固段處于邊坡潛在滑坡體內(nèi)，對(duì)邊坡加固不起作用。

圖9 樓層層數(shù)與坡腳最大位移曲線

圖10 樓層層數(shù)與坡頂建筑最大沉降曲線

5 結(jié)論

在實(shí)際變形數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型可靠性的基礎(chǔ)上，對(duì)天然狀態(tài)、砌石擋土墻加固、抗滑樁+擋土板加固、錨桿錨索框格梁加固4種工況在不同樓層荷載作用下邊坡變形與穩(wěn)定性分析，得出以下結(jié)論：

(1)MIDAS GTS NX對(duì)該邊坡的模擬結(jié)果與實(shí)際變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相差不大，故可利用該軟件對(duì)鎮(zhèn)雄縣類似邊坡進(jìn)行有限元分析，分析邊坡采用不同加固方式的穩(wěn)定性，為鎮(zhèn)雄縣邊坡防災(zāi)搶險(xiǎn)工作起到積極作用。

(2)該邊坡在天然削坡狀態(tài)下安全性略大于砌石擋土墻加固狀態(tài)，當(dāng)坡頂建筑超過2層時(shí)，砌石擋土墻對(duì)邊坡的加固作用明顯弱于天然削坡狀態(tài)；且當(dāng)坡頂建筑為1層時(shí)，安全系數(shù)均低于1.07，存在安全隱患，故而建議在類似邊坡修建淺基礎(chǔ)建筑時(shí)，應(yīng)對(duì)邊坡進(jìn)行一定的加固處理，保證坡頂建筑的安全性。

(3)采用抗滑樁加固邊坡時(shí)，改善坡腳土體的潛在滑動(dòng)趨勢(shì)，對(duì)坡頂建筑的安全性起到一定作用，此時(shí)邊坡安全系數(shù)為1.184，坡頂建筑仍存在安全隱患。

(4)采用錨桿錨索框格梁對(duì)邊坡加固時(shí)，坡頂建筑與抗滑樁最大變形分別為4.92 cm、3.26 cm，相比抗滑樁加固縮小41.4%與30.2%；安全系數(shù)為1.622，相對(duì)抗滑樁加固提高40.0%，此時(shí)邊坡處于安全狀態(tài)。

(5)隨著坡頂樓層的增加，邊坡穩(wěn)定性呈下降趨勢(shì)，故應(yīng)限制類似邊坡坡頂建筑層數(shù)。