復(fù)雜填方高邊坡工程支護(hù)體系設(shè)計優(yōu)化與研究

黃曉陽，黃 東

( 1.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南長沙 410012；2.湖南省勘測設(shè)計院有限公司，湖南長沙 410004)

0 引言

在礦山開采與交通水利等工程中，由于場地特殊的地形地貌，經(jīng)常會遇到填方工程而形成邊坡，其中部分邊坡受到規(guī)劃或者用地界線的限制，沒有足夠的放坡空間，則必須對其進(jìn)行合理的支護(hù)。

李照德等[1]對較窄場地的高填方邊坡采用直接放坡和加筋土擋墻等支護(hù)形式進(jìn)行對比分析，得到最優(yōu)的支護(hù)形式；薛麗影等[2]對填方邊坡中采用的樁基立柱錨拉式擋土墻的計算模型進(jìn)行分析，得到了相關(guān)的優(yōu)化建議；陳富強(qiáng)等[3]等人對拋石反壓法在填方邊坡中的應(yīng)用進(jìn)行了分析計算，確定了最終的加固方案。

在實際工程中，不同的填方邊坡，應(yīng)根據(jù)其具體情況，因地制宜，靈活設(shè)計，對不同的支護(hù)方案進(jìn)行對比分析，優(yōu)化支護(hù)設(shè)計，才能得到最佳工程效果。

1 工程概況

1.1 周邊環(huán)境

擬建1#邊坡位于湖南某礦山中細(xì)碎車間與配電間東南側(cè)，鎢酸浸濃縮車間西北側(cè)[4]，具體位置見圖1。

圖1 平面布置圖

邊坡坡頂規(guī)劃高程為479.50～483.30 m，坡底高程463.50～472.80 m，設(shè)計坡高為7.0～16.1 m，坡頂現(xiàn)狀高程為474.20～476.50 m。擬建邊坡坡頂為擬建中細(xì)碎車間(沖孔灌注樁基礎(chǔ))與配電間(淺基礎(chǔ))，坡底為擬建礦區(qū)道路。

1.2 工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件

根據(jù)本工程勘察報告，邊坡地段地層巖性從上至下依次為人工填土①、粉質(zhì)黏土②和中風(fēng)化灰?guī)r③。人工填土①為褐黃色，主要由黏性土、礫石等組成，結(jié)構(gòu)松散，層厚1.50～2.90 m，平均厚度為2.10 m。粉質(zhì)黏土②為殘積而成，褐黃色，硬可塑—硬塑狀態(tài)，厚度為11.60～17.30 m，平均厚度為14.70 m，韌性中等—高，干強(qiáng)度中等—高，搖振無反應(yīng)，底部含有灰?guī)r碎石。中風(fēng)化灰?guī)r③系沉積而成，灰色，中風(fēng)化，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，巖體較完整，巖石頂面埋深為0～16.80m，平均埋深為9.4m，巖體揭露厚度2.00～14.30m。

場地水文地質(zhì)條件屬簡單類型。粉質(zhì)黏土層厚度較大，結(jié)構(gòu)緊密，為相對隔水層。場地地下水類型主要為巖溶裂隙水，貯水空間是巖溶裂隙，連通性較好。場地地下水主要補給來源為鄰近區(qū)域基巖裂隙水，地下水位埋深在5.70～10.80 m之間。

1.3 工程重點與難點分析

1)現(xiàn)場場地狹窄，邊坡放坡空間較小，坡頂為擬建中細(xì)碎車間(沖孔灌注樁基礎(chǔ))與配電間(淺基礎(chǔ))，增加了邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)中的錨桿與錨索的施工難度。

2)邊坡坡頂現(xiàn)狀高程為474.20～476.50 m，規(guī)劃高程為479.50～483.30 m，坡頂需覆土回填的厚度為5.10～6.80 m。整個坡面存在深厚填土，對邊坡整體穩(wěn)定性不利。

3)根據(jù)詳細(xì)勘察報告，局部區(qū)域存在巖溶現(xiàn)象，鉆孔見洞隙率為12.4%，屬巖溶中等發(fā)育。中風(fēng)化巖面陡峭，局部成筍狀，基巖上部粉質(zhì)黏土層遇水易軟化，不利于沖孔樁與錨索的施工。

4)邊坡頂部的中細(xì)碎車間距離坡頂線僅4 m，車間內(nèi)分布有重型動荷載設(shè)備，對邊坡的穩(wěn)定性存在不利影響。

2 邊坡支護(hù)方案設(shè)計

擬支護(hù)的1#邊坡支護(hù)高度局部超過15 m，坡頂緊鄰擬建中細(xì)碎車間，邊坡工程安全等級為一級。根據(jù)現(xiàn)場實際條件，結(jié)合巖土工程詳細(xì)勘察報告，設(shè)計了兩個支護(hù)方案，詳見方案一的支護(hù)剖面圖(圖2)與方案二的支護(hù)剖面圖(圖3)。

圖2 方案一支護(hù)剖面圖

圖3 方案二支護(hù)剖面圖

方案一 采用上部錨桿格構(gòu)梁+下部樁錨支護(hù)的聯(lián)合支護(hù)體系。上部采用1∶0.75放坡，設(shè)置錨桿格構(gòu)梁支護(hù)，共5排錨桿，錨桿桿體為直徑22～25 mm的普通熱軋帶肋鋼筋(抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值400 MPa)，錨桿長度為12～15 m，錨桿軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值為45 kN～58 kN，格構(gòu)梁采用C30混凝土現(xiàn)澆施工，梁尺寸300 mm×350 mm(梁寬×梁高)；下部沖孔灌注樁直徑為1.2 m，樁心間距2 m，樁底入中風(fēng)化灰?guī)r大于1.2 m；支護(hù)樁外側(cè)設(shè)置3排錨索，錨索主筋為3～4索φs15.2鋼絞線(抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值1860 MPa)，長16～18 m，錨索軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值為240 kN～300 kN。

方案二 采用上部樁錨支護(hù)+下部重力式擋土墻的聯(lián)合支護(hù)體系。上部沖孔灌注樁直徑為1.2 m，樁心間距2 m，樁底入中風(fēng)化灰?guī)r大于1.2 m；樁外側(cè)設(shè)置5排錨索，錨索主筋為3～5索φs15.2鋼絞線(抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值1860 MPa)，錨索長22～28 m，錨索軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值為250 kN～410 kN；下部為漿砌毛石擋土墻，采用M10砂漿砌筑，墻頂寬3.0 m，底寬3.3 m，墻高5.8 m，擋墻基礎(chǔ)埋深1.0 m。

兩個支護(hù)方案的錨桿與錨索均須穿過坡頂中細(xì)碎廠房的樁基礎(chǔ)，施工存在一定困難。為解決此難點，支護(hù)設(shè)計中的沖孔灌注樁在平面位置上與坡頂廠房的基礎(chǔ)樁對齊布置，且同時施工，為后期的錨桿與錨索施工創(chuàng)造有利條件。

3 巖土計算與方案對比分析研究

根據(jù)本項目詳細(xì)勘察報告，邊坡地層分為3層，從上而下依次為人工填土層、粉質(zhì)黏土層、中風(fēng)化灰?guī)r層，各地層設(shè)計參數(shù)系根據(jù)勘察報告結(jié)合工程經(jīng)驗確定，相關(guān)指標(biāo)見表1[4]。

表1 各地層設(shè)計參數(shù)

采用理正軟件，計算方案一的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)，上部錨桿格構(gòu)梁部分采用邊坡穩(wěn)定分析模塊進(jìn)行計算，下部采用樁錨支護(hù)模塊計算。計算結(jié)果：上部錨桿格構(gòu)梁支護(hù)的穩(wěn)定安全系數(shù)K=1.32，下部樁錨支護(hù)體系的抗傾覆安全系數(shù)K=1.50，整個支護(hù)體系的整體穩(wěn)定安全系數(shù)K=1.42。樁錨支護(hù)體系的最大負(fù)彎矩為2153.9 kN·m，最大正彎矩為841.5 kN·m，最大剪力為1045.0 kN，最大水平位移為28.5 mm，坡頂最大沉降為59 mm。

采用理正軟件，計算方案二的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。計算建模時，原保留土體與重力式毛石擋墻作為附加力作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)下部，采用樁錨支護(hù)模塊計算邊坡穩(wěn)定性，計算結(jié)果：方案二的抗傾覆安全系數(shù)K=1.46，整體穩(wěn)定安全系數(shù)K=1.86，最大負(fù)彎矩為1889 kN·m，最大正彎矩為1257 kN·m，最大剪力為726 kN，最大水平位移為25.6 mm，坡頂最大沉降為41 mm。

對比兩個支護(hù)方案穩(wěn)定性的計算結(jié)果可知，方案一的局部穩(wěn)定性安全系數(shù)偏小(上部錨桿格構(gòu)梁支護(hù)穩(wěn)定性安全系數(shù)K=1.32(<1.35)，不能滿足現(xiàn)行《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330-2013)的要求；方案二的抗傾覆安全系數(shù)略小于方案一，而方案一的整體穩(wěn)定安全系數(shù)小于方案二；方案二的支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移與坡頂最大沉降均小于方案一。

考慮到邊坡支擋結(jié)構(gòu)為三維空間分布，故采用FLAC3D軟件進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性的三維建模分析。根據(jù)現(xiàn)場勘查資料與設(shè)計圖紙，建立方案一與方案二的邊坡三維模型圖(圖4)。

圖4 邊坡三維模型圖

FLAC3D軟件建模，錨索采用cable單元結(jié)構(gòu)，彈性模量E=1.8×108kPa，泊松比μ=0.3；沖孔樁采用pile單元結(jié)構(gòu)，E=1.0×108kPa，泊松比μ=0.2[5-7]。

以計算不收斂作為邊坡失穩(wěn)的判據(jù)，采用強(qiáng)度折減法計算本邊坡的安全系數(shù)[7-9]，得到臨界破壞時的沉降云圖與安全系數(shù)(圖5)以及邊坡速度矢量圖(圖6)。

由圖5和圖6可知，方案一的邊坡工程安全系數(shù)為1.53，方案二的邊坡工程安全系數(shù)為2.35，方案二的安全系數(shù)高于方案一。處于臨界破壞狀態(tài)時，方案一的豎向位移最大位置為上部錨桿格構(gòu)梁支護(hù)的坡面靠近坡頂位置。分析其原因，由于方案一中的錨桿與錨索未深入穩(wěn)定巖層，而土層與錨固體間的黏結(jié)強(qiáng)度有限，不能有效控制邊坡體的位移與沉降，導(dǎo)致在上部錨桿格構(gòu)梁支護(hù)區(qū)域出現(xiàn)潛在滑動面；方案二中，由于支護(hù)錨索深入穩(wěn)定巖層一定深度，同時由于邊坡臨空面處的沖孔樁及混凝土面板的存在，有效控制了邊坡土體的水平位移，僅在沖孔樁與廠房基礎(chǔ)之間出現(xiàn)較大的沉降變形。

圖5 臨界破壞時沉降云圖及安全系數(shù)

圖6 邊坡速度矢量圖

根據(jù)圖6邊坡速度矢量圖顯示，方案一的邊坡主要破壞模式為圓弧滑動破壞，若實際工程中采用此方案，應(yīng)加強(qiáng)錨桿與格構(gòu)梁支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)強(qiáng)度。方案二的豎向位移最大位置為坡頂支護(hù)樁的后側(cè)，根據(jù)圖6可分析判斷，邊坡主要破壞模式為支護(hù)樁的傾覆破壞，故在工程實際中應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)樁的支護(hù)強(qiáng)度，以保證樁錨支護(hù)體系的抗傾覆穩(wěn)定性。

根據(jù)圖6中邊坡土體的運動方向與錨索方向的關(guān)系，方案一中，邊坡坡體的運動方向為垂直錨索向下運動，而錨索主要為徑向受力，因此不能對邊坡的破壞起到有效的支護(hù)作用；方案二中，邊坡的速度矢量方向與錨索受力方向相近或相切，在錨索與支護(hù)樁(沖孔灌注樁)的共同作用下，能夠?qū)吰滦纬筛鼮橛行У闹ёo(hù)。

根據(jù)理正軟件與數(shù)值模擬的計算結(jié)果，結(jié)合工程現(xiàn)場的實際情況，將兩個支護(hù)方案進(jìn)行對比分析：

1)理正軟件可以分別計算單個支護(hù)體系的抗傾覆安全系數(shù)、整體穩(wěn)定安全系數(shù)等各項安全系數(shù)，方便工程設(shè)計時對照現(xiàn)行規(guī)范參照使用。數(shù)值模擬計算一般只能計算整體穩(wěn)定安全系數(shù)。

2)理正軟件可以分別計算各支護(hù)體系的穩(wěn)定性安全系數(shù)，但是無法考慮兩個支護(hù)結(jié)構(gòu)之間的牽連作用，對于現(xiàn)實中較為復(fù)雜的支護(hù)結(jié)構(gòu)，采用理正軟件存在一定的缺陷。數(shù)值模擬計算可以有效彌補這一缺陷。

3)采用理正軟件結(jié)算兩個支護(hù)方案的整體穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.42與1.86，采用數(shù)值模擬計算的結(jié)果為1.53與2.35。采用數(shù)值模擬的計算結(jié)果與理正軟件相比，兩個支護(hù)方案的安全系數(shù)分別高出7.7%與26.3%。分析其原因，在三維邊坡的穩(wěn)定性分析時，模型側(cè)面上的剪應(yīng)力對安全系數(shù)的影響較大，三維有限元的數(shù)值模擬能夠較好地反映邊坡的三維效應(yīng)，而理正軟件無法考慮邊坡模型側(cè)面的剪應(yīng)力，從而導(dǎo)致其整體穩(wěn)定安全系數(shù)偏小(偏保守)。

4)方案二在坡底擋土墻與上部支護(hù)樁之間，保留部分土體(硬塑—硬可塑狀粉質(zhì)黏土)，能夠為支護(hù)樁提供部分被動土壓力，同時將主動土壓力均勻地傳遞給坡底擋土墻，避免應(yīng)力集中。

5)與方案一相比，方案二減少了工程性質(zhì)較差的回填土方的工程量，使得支護(hù)的工程量相應(yīng)減少，造價相對較低。

6)方案二的支護(hù)結(jié)構(gòu)完成后，由于擋土墻頂與保留土體間坡度較平緩，可以種植灌木與藤狀植物，達(dá)到較好的綠化景觀效果。

綜上，方案二支護(hù)體系的安全系數(shù)較高，受力模式更加合理，計算結(jié)果的沉降與位移較小且符合規(guī)范要求，故確定方案二為本工程的最優(yōu)方案。

4 邊坡支護(hù)工程施工

選用方案二為本項目的最終實施方案，進(jìn)行施工組織設(shè)計。施工順序：土方回填施工(為樁基施工提供施工平臺)→支護(hù)樁與坡頂中細(xì)碎廠房的工程樁施工→分層分段施工樁間錨索與面板→坡底擋土墻砌筑施工→截排水工程施工→邊坡工程長期監(jiān)測。

邊坡施工過程中的照片見圖7，支護(hù)后照片見圖8。

圖7 邊坡施工照片

圖8 邊坡支護(hù)后照片

主要施工要點分析：

1)土方回填施工。按照臨時放坡坡比1∶1.5～1∶1.75，回填土方反壓坡腳，堆填出3～4 m寬的施工平臺，以便沖孔樁施工，并對堆填形成的臨時邊坡進(jìn)行臨時性掛網(wǎng)噴砼支護(hù)。

2)沖孔樁施工。施工平臺高程以下的樁體，采用泥漿護(hù)壁進(jìn)行施工；施工平臺高程以上的樁體采用支模現(xiàn)澆的方法施工。為保證沖孔樁樁體的施工質(zhì)量，采用跳挖法分三序施工，每隔兩根樁施工一根樁。支護(hù)設(shè)計中的沖孔灌注樁在平面位置上與坡頂工程樁對齊布置，且同時施工。沖孔樁施工過程中，由于填土層土質(zhì)不均勻、結(jié)構(gòu)松散，部分樁孔施工過程中發(fā)生了垮孔，后增加了鋼護(hù)筒，進(jìn)行有效護(hù)壁，完成相應(yīng)樁孔的施工。

3)樁間錨索施工。錨索成孔采用潛孔錘干法成孔進(jìn)行施工，避免濕法成孔造成填土與粉質(zhì)黏土中垮孔；錨索均采用二次注漿，第一次采用常壓(0.4 MPa～0.6 MPa)灌漿，第二次采用高壓注漿(2 MPa～3 MPa)，孔口設(shè)止?jié){塞，在首次灌漿初凝后2～4 h內(nèi)向孔中二次灌注水泥凈漿，注滿后保持壓力5～8 min，二次灌漿管的邊壁帶孔且與鉆孔等長，在首次灌漿前與錨索同時送入孔中。

4)擋土墻施工。坡底擋土墻采用M10砂漿砌筑，采用座漿法砌筑，保證擋土墻砂漿密實；每隔20 m設(shè)置一道伸縮縫，伸縮縫采用瀝青木板充填。

5 變形監(jiān)測

本邊坡工程安全等級為一級，依據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330-2013)[10]，結(jié)合本工程的特點，對坡頂沉降與位移進(jìn)行長期監(jiān)測點，監(jiān)測點間距15～20 m，共布置10個監(jiān)測點，監(jiān)測周期為邊坡竣工后兩年。根據(jù)邊坡監(jiān)測結(jié)果，邊坡頂部最大水平位移為10.6 mm，最大沉降值為16.5 mm，邊坡支護(hù)效果良好。

6 結(jié)論

1)針對復(fù)雜填方高邊坡工程，提出兩個支護(hù)方案進(jìn)行比選，分別采用理正軟件與FLAC3D軟件對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了計算與對比分析，分別得出了兩個支護(hù)方案的抗傾覆安全系數(shù)、整體穩(wěn)定安全系數(shù)等結(jié)果，得出了最優(yōu)支護(hù)方案。

2)采用FLAC3D軟件，對復(fù)雜的邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模與穩(wěn)定性分析，可以反映模型側(cè)面上的剪應(yīng)力對邊坡穩(wěn)定性的影響，同時能夠考慮支護(hù)體系中兩個支護(hù)結(jié)構(gòu)的牽連作用，其變化規(guī)律與計算結(jié)果更加貼近工程實際，可為邊坡工程中的聯(lián)合支護(hù)體系設(shè)計提供借鑒與參考。

3)邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)中的錨索與錨桿均需要穿過主體結(jié)構(gòu)工程樁時，采用支護(hù)樁與工程樁軸線對齊，并同時施工的辦法，可以使得支護(hù)樁間的錨索順利穿過工程樁。

4)高填方邊坡區(qū)域，采用樁錨垂直支護(hù)可以減少支護(hù)結(jié)構(gòu)的占地面積，使土地資源得到充分合理的利用。

5)高邊坡支護(hù)治理工程中，采用樁錨支護(hù)與擋土墻組合的支護(hù)型式，擋土墻與支護(hù)樁之間保留部分土體，能夠為支護(hù)樁提供被動土壓力，同時在保留土體區(qū)域種植灌木與藤狀植物，能夠達(dá)到較好的綠化景觀效果。