某邊坡基于Geo-Studio軟件的穩(wěn)定性分析及加固措施設(shè)計(jì)

張碧燕,劉揚(yáng)

（1.廈門工學(xué)院，福建 廈門 316000；2.福建兆翔機(jī)場(chǎng)建設(shè)有限公司，福建 廈門 316000）

1 引言

邊坡失穩(wěn)的問題在房建、路橋、水利等建設(shè)工程中的影響越來越凸顯，邊坡穩(wěn)定性分析已成為巖土工程和工程地質(zhì)領(lǐng)域中研究的重要內(nèi)容。目前，邊坡穩(wěn)定性分析方法主要有以剛體極限平衡理論為基礎(chǔ)的極限平衡法和以有限元(EM)、有限差分(FDM)為基礎(chǔ)的數(shù)值分析法。極限平衡法是建立在(剛體)極限狀態(tài)時(shí)的靜力基礎(chǔ)上，分析邊坡各種破壞模式下的受力狀態(tài)來評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性。由于該類方法可給出物理意義明確的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)以及可能的破壞面，力學(xué)模型簡單而得到廣泛應(yīng)用。常用的極限平衡分析的主要方法有Fellenius法、Bishop法、Janbu法、Morgenstern-Price法、Spencer法、Sarma法、平面直線法、推力傳遞系數(shù)法等。針對(duì)某人行道旁邊坡（滑坡）土體的加固措施設(shè)計(jì)，本次設(shè)計(jì)計(jì)算運(yùn)用目前在邊坡穩(wěn)定性分析時(shí)較為成熟的Geo－Studio軟件中的SLOPE/W模塊建立模型，進(jìn)行未加固前及加固后的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算，并進(jìn)行對(duì)比分析。

2 工程實(shí)例

2.1 工程簡介

某人行道旁山坡，經(jīng)檢測(cè)有滑坡危險(xiǎn)，需進(jìn)行改造加固。為探明滑坡體的規(guī)模，作者前往現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行勘察，邊坡高度約為28m，平均坡度約為45°，坡腳處有一個(gè)已建的擋土墻，高度為2m。作者負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)勘探計(jì)劃，在原有的以前的勘探資料的基礎(chǔ)上加1個(gè)新鉆孔以及5個(gè)試井。邊坡腳有一個(gè)舊時(shí)已建的擋土墻，墻身厚度尺寸以及材料不詳，因此邊坡腳加2個(gè)新的水平鉆孔去驗(yàn)證其厚度及其截面材料。根據(jù)鉆探進(jìn)尺快慢、土層變化、水流滲漏滲流及地下水位等情況綜合分析，得到土質(zhì)剖面后結(jié)合場(chǎng)地約束限制、環(huán)境保護(hù)等因素選擇加固方案，再用巖土軟件Geo-Studio的SLOPE/W模塊（極限平衡法）進(jìn)行建模輔助判斷整體和局部的滑裂面位置以及相應(yīng)的安全系數(shù)，從而確定設(shè)計(jì)方案。

2.2 工程水文地質(zhì)

邊坡主要土層為花崗巖殘積土和崩積土，淺層附有填土。該邊坡平均坡度為45°，邊坡坡度較大，存在滑坡危險(xiǎn)，需要進(jìn)行改造加固。根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)查及鉆孔揭露，邊坡出露地層為填土及崩積土，根據(jù)鉆孔對(duì)地下水位的監(jiān)測(cè)，取最高監(jiān)測(cè)水位做設(shè)計(jì)地下水位，暴雨時(shí)設(shè)計(jì)水位假設(shè)為地表面，邊坡滿水土體飽和狀態(tài)。主要巖性以及地質(zhì)剖面見圖3所示。

圖1 邊坡現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及尺寸勘察

圖2 邊坡腳的舊時(shí)已建擋土墻尺寸勘察

圖3 邊坡工程地質(zhì)剖面

2.3 設(shè)計(jì)計(jì)算建模參數(shù)

極限平衡分析方法的主要思想是假定巖土體破壞是由滑體內(nèi)滑面上發(fā)生滑動(dòng)而造成的，滑動(dòng)體被看成是剛體，不考慮其變形，將邊坡上的滑體進(jìn)行條分，根據(jù)滑面上巖土體處于極限狀態(tài)，并且滿足摩爾－庫侖準(zhǔn)則條件下滑體條受力和力矩的平衡來分析邊坡的穩(wěn)定性，確定沿滑裂面滑動(dòng)可能性的大小，即為該滑裂面上安全系數(shù)Fs的大小。假定不同的滑裂面就可以得到不同的安全系數(shù)值，其中安全系數(shù)Fs值最小的滑面就是最危險(xiǎn)滑動(dòng)面，其對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)值即為該邊坡穩(wěn)定的安全系數(shù)值。

綜合室內(nèi)外試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，各土層參數(shù)的指標(biāo)參照《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330—2013)取值。土體的物理力學(xué)參數(shù)，見表1所示。

2.4 邊坡穩(wěn)定性分析及加固措施設(shè)計(jì)

選取場(chǎng)地坡度最陡的某典型剖面進(jìn)行建模模擬分析，分別分析無加固情況下即原自然條件下邊坡的穩(wěn)定性以及在改造加固措施下邊坡的穩(wěn)定性。通過對(duì)比各種加固方案下的最終加固效果以及造價(jià)、施工可行性等進(jìn)行最終方案選擇。

土層物理力學(xué)參數(shù) 表1

邊坡穩(wěn)定安全系數(shù) 表2

2.4.1 無加固情況下

根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330—2013)、《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021—2001)等的相關(guān)規(guī)定，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)應(yīng)不小于表2規(guī)定的數(shù)值。邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)，見表2所示。

根據(jù)邊坡工程地質(zhì)剖面圖，運(yùn)用Geo-Studio建立邊坡計(jì)算分析模型，見圖4和圖5所示?；泼嬗梅?hào)S進(jìn)行表示，滑移面相應(yīng)的安全系數(shù)匯總于表3。整體穩(wěn)定性分析中最危險(xiǎn)滑移面為S2，安全系數(shù)為1.348。局部穩(wěn)定性分析中最危險(xiǎn)滑移面為S5，安全系數(shù)為1.008，均小于1.35。因此，邊坡需進(jìn)行改造加固。作者采用三種加固措施，并進(jìn)行比對(duì)，最終挑選最優(yōu)設(shè)計(jì)方案呈現(xiàn)給建設(shè)單位。

圖4 邊坡計(jì)算分析模型：天然無加固措施狀態(tài)整體穩(wěn)定性分析

圖5 邊坡計(jì)算分析模型：天然無加固措施狀態(tài)局部穩(wěn)定性分析

邊坡無加固措施狀態(tài)穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果 表3

2.4.2 加固措施1：邊坡整體開挖減小坡度

基于場(chǎng)地地形，對(duì)邊坡進(jìn)行整體的開挖，將土體往后削減，削退到邊坡的坡度呈30°，小于各土層的摩擦角，保證邊坡的穩(wěn)定，設(shè)計(jì)方案見圖6所示。由于邊坡的高度約為28m，平均坡度為45°，為了降低邊坡的坡度，需要從坡頂往原有坡頂邊向里至少延伸12m。施工中還需要把邊坡坡頂處原有的部分山路移除并且會(huì)破壞坡頂植被。此方案會(huì)影響坡頂范圍內(nèi)的山路和植被，因此不環(huán)保且可行性較低。

圖6 加固措施1 設(shè)計(jì)方案：邊坡整體開挖

2.4.3 加固措施2：加高坡腳擋土墻并填土減少邊坡坡度

第二種方案是在坡腳修建擋土墻，并回填密實(shí)填土到約30°的坡度，見圖7所示。該方案提高了穩(wěn)定性，但本方案需要使用體型相對(duì)較大的打樁機(jī)，并在施工階段占據(jù)坡腳面積，影響人行道以及車道的正常使用。在山坡旁還有已建住宅群，已建住宅的地下車庫入口就在邊坡旁，本方案施工階段會(huì)擋住地下車庫入口。因此，由于現(xiàn)場(chǎng)條件限制約束以及考慮到施工噪音對(duì)附近住宅的影響，該方案可行性很低。

圖7 加固措施2 設(shè)計(jì)方案：擋土墻加回填

2.4.4 加固措施3：錨桿加固設(shè)計(jì)

第三種方案是在邊坡上安裝錨桿進(jìn)行加固，提高邊坡的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)方案見圖8所示。首先，錨桿加固工程可以避免影響坡頂?shù)纳降绤^(qū)域和植被。此外，進(jìn)行錨桿的安裝所需要的機(jī)器使用空間比較緊湊。因此，在施工期間，不會(huì)占用太多的人行道面積。該方案符合現(xiàn)場(chǎng)條件，而且根據(jù)具體設(shè)計(jì)結(jié)果是經(jīng)濟(jì)且可行的。

圖8 加固措施3設(shè)計(jì)方案：錨桿加固

2.4.5 錨桿加固深化設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用錨桿鉆孔直徑Hd=0.110m，錨桿鋼筋直徑d=0.025m，錨桿鋼筋規(guī)格采用直徑25mm、牌號(hào)HRB400、抗拉強(qiáng)度為570MPa、截面積為490.87mm2的鋼筋，每根錨桿鋼筋的極限拉斷荷載Pu為279.7kN。錨桿的間距不宜過大，也不能太小，一般規(guī)定錨桿的間距最小不應(yīng)小于1.5m，本文錨固間距選取2m；注漿材料采用M35的水泥砂漿，錨桿錨固段置于花崗巖殘積土中，按規(guī)范錨固體的設(shè)計(jì)安全系數(shù)取Fs2=2.5。

設(shè)計(jì)過程使用軟件Geo-Studio的SLOPE/W模塊進(jìn)行建模，錨桿加固后的邊坡計(jì)算模型見圖9和圖10所示，邊坡整體和局部穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果匯總于表4，本文中設(shè)計(jì)10排錨桿從上往下排布，長度從7m～15m不等，依照不同高程處其不同土層厚度進(jìn)行設(shè)計(jì)。所有的錨桿都與水平方向有順時(shí)針160°的夾角。錨桿加固后的邊坡整體穩(wěn)定性分析中最危險(xiǎn)滑移面為S2，安全系數(shù)為1.471。局部穩(wěn)定性分析中最危險(xiǎn)滑移面為S5，安全系數(shù)為1.449。均大于規(guī)定的安全系數(shù)1.35。邊坡在天然工況下不加固時(shí)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，在采取錨桿加固之后，邊坡在不同工況下開挖均處于穩(wěn)定狀態(tài)，表明錨桿加固支護(hù)有效地提高了坡體的穩(wěn)定性。

圖9 邊坡計(jì)算分析模型：錨桿加固狀態(tài)整體穩(wěn)定性分析

圖10 邊坡計(jì)算分析模型：錨桿加固狀態(tài)局部穩(wěn)定性分析

2.5 設(shè)計(jì)方案決策

考慮到現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地和地形的限制和約束，以及加固方案施工的可行性，最終選擇用錨桿加固作為加固措施。錨桿加固的方案性價(jià)比相對(duì)比較高，對(duì)周邊環(huán)境影響小，適應(yīng)場(chǎng)地周遭約束?？紤]到邊坡土壤以及地下水對(duì)錨桿鋼筋具有輕度的腐蝕性，作者提出了應(yīng)對(duì)腐蝕的防護(hù)措施，使用鍍鋅鋼筋，實(shí)際用料鋼筋半徑再加2mm的腐蝕犧牲厚度。

邊坡錨桿加固狀態(tài)穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果 表4

從環(huán)境和可持續(xù)性的角度出發(fā)，作者建議保護(hù)現(xiàn)有的樹木，并且錨桿加固完工后在坡面上進(jìn)行種植和綠化。在排水方面，提出建議在坡頂和坡腳同時(shí)修建U型排水溝，以及坡峰到坡腳的跌水槽建立一個(gè)完整的地表水如雨水等的收集排水系統(tǒng)。

為了監(jiān)測(cè)錨桿加固工程施工對(duì)鄰近地面和建筑物、構(gòu)筑物的影響，還提出了一個(gè)綜合的沉降以及振動(dòng)監(jiān)測(cè)方案，通過安裝沉降標(biāo)記點(diǎn)、傾斜和建筑物沉降檢查點(diǎn)和振動(dòng)檢查點(diǎn)來檢測(cè)地面沉降、現(xiàn)有建筑物、構(gòu)筑物的傾斜和振動(dòng)，監(jiān)測(cè)的頻率建議是在整個(gè)施工期間每天都測(cè)量所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)，這樣就能及時(shí)掌握工程動(dòng)態(tài)以及對(duì)附近環(huán)境的影響。

3 結(jié)語

本文運(yùn)用Geo－Studio軟件對(duì)未加固的邊坡及加固后的穩(wěn)定性分析計(jì)算，得出以下結(jié)論：邊坡在未加固情況下在天然和暴雨工況下存在局部不穩(wěn)定，邊坡均可能出現(xiàn)失穩(wěn)狀態(tài)，針對(duì)該邊坡采取錨桿加固方案后，其穩(wěn)定性明顯得到提高，在各工況下均處于穩(wěn)定狀態(tài)。