城市復(fù)雜條件高陡邊坡穩(wěn)定性分析與綠色支護(hù)設(shè)計(jì)

劉志輝

(廣東鴻宇建筑與工程設(shè)計(jì)顧問有限公司，廣東 東莞 523011)

0 引 言

城市建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)張需要市政基礎(chǔ)設(shè)施配套的支持，特別是市政路橋作為城市有機(jī)體的血管，保障了整個城市的有效運(yùn)轉(zhuǎn)。市政路橋建設(shè)過程中高陡邊坡穩(wěn)定性和邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)的安全有效需要得到特別重視[1]。針對高陡邊坡必須采取合理有效的分析理論和專門的安全度設(shè)計(jì)方法，確保邊坡不僅有充裕的安全儲備，且保證方案最優(yōu)、經(jīng)濟(jì)環(huán)保。

1 邊坡穩(wěn)定安全分析方法和技術(shù)研究路線

1.1 邊坡穩(wěn)定安全分析方法

介于巖土體的特殊性質(zhì)，針對其邊坡的穩(wěn)定性分析也在不斷深入研究，尤其是定量分析求解其安全系數(shù)等。經(jīng)過近代先驅(qū)的不斷研究總結(jié)，邊坡穩(wěn)定性分析取得了長足的發(fā)展。針對土質(zhì)邊坡、巖質(zhì)邊坡、土巖結(jié)合邊坡等，尤其是針對相對比較復(fù)雜的土巖結(jié)合體，要同時考慮土體和巖體不同破壞情況后進(jìn)行綜合研判[2]。

城市道路建設(shè)中不可避免碰見高邊坡的情況，城市用地緊張、周圍建筑體密集，這就使得不能夠像普通公路、鐵路建設(shè)那樣采取大放坡等建設(shè)模式，必須采取更加合理的支擋形式。這樣既給工程建設(shè)的設(shè)計(jì)分析又給高邊坡的安全提出了更高的挑戰(zhàn)。

工程建設(shè)中要進(jìn)行工程地質(zhì)的詳細(xì)勘察，提供邊坡巖土性質(zhì)的各項(xiàng)參數(shù)，并根據(jù)土體或巖體性質(zhì)進(jìn)行定性和定量綜合分析，定量分析方法和使用范圍見表1。

表1 邊坡滑坡穩(wěn)定常用分析方法和適用范圍匯總

1.2 邊坡穩(wěn)定技術(shù)分析和支護(hù)設(shè)計(jì)路線

在項(xiàng)目實(shí)施過程中，首先要針對現(xiàn)場地質(zhì)情況進(jìn)行勘察工作，通過對市政道路建設(shè)線路進(jìn)行探槽等勘察分析，調(diào)查巖土體性質(zhì)和巖體節(jié)理裂隙情況，分析描述并全面掌握邊坡的地質(zhì)條件。計(jì)算分析邊坡安全角度，針對不同巖土體的工況進(jìn)行綜合穩(wěn)定性分析，進(jìn)而進(jìn)一步進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分析設(shè)計(jì)。高陡邊坡穩(wěn)定性分析和支護(hù)設(shè)計(jì)技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 高陡邊坡穩(wěn)定性分析和支護(hù)設(shè)計(jì)技術(shù)路線圖

在邊坡穩(wěn)定性技術(shù)分析過程中，首要方面就是要確保工程地質(zhì)調(diào)查能夠詳細(xì)準(zhǔn)確，合理選取計(jì)算參數(shù)，并根據(jù)土巖結(jié)合情況正確選擇分析模型和分析方法。根據(jù)穩(wěn)定性分析的結(jié)果結(jié)合邊坡高陡情況合理恰當(dāng)?shù)剡x取支護(hù)方式，優(yōu)化支護(hù)方案并與城市綠色景觀環(huán)境相協(xié)調(diào)一致[3]。

2 市政道路工程案例項(xiàng)目概況

2.1 工程建設(shè)概況

本項(xiàng)目以珠海市某道路及附屬設(shè)施工程為例作分析，設(shè)計(jì)道路為雙向4車道，道路等級為城市次干路，道路一側(cè)現(xiàn)存在一高陡巖土邊坡，在施工過程中要進(jìn)行分析處理。本項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容包括道路、路基等項(xiàng)目施工。

2.2 項(xiàng)目所處位置建設(shè)地質(zhì)情況特征

經(jīng)詳細(xì)勘察揭露，此項(xiàng)目邊坡主要地層以上覆黏性土和碎石層以及雜填土層為主。地層分布從上至下為：第一層為雜填土，主要包括強(qiáng)風(fēng)化巖體和建筑垃圾堆積，地層不均勻，性質(zhì)差別很大，覆層厚度為0.5～2 m；第二層為粉質(zhì)黏土，土體性質(zhì)為硬塑狀態(tài)，整體土層比較均勻，土層厚度為3～5 m；第三層為碎石土層，碎石層巖體呈中密狀態(tài)，呈棱角狀態(tài)，內(nèi)填充粉質(zhì)黏土。土層厚度為3～8 m。

通過現(xiàn)場地質(zhì)情況的勘察分析，通過探槽開挖發(fā)現(xiàn)邊坡具有一定的土巖結(jié)合特性。探槽開挖情況表明東側(cè)開挖較深且黏土層相對較厚；西側(cè)開挖黏土層較淺且?guī)r石埋深較淺，開挖難度大。整個巖土邊坡較陡，且整體地質(zhì)情況較為復(fù)雜。邊坡由于處于城市范圍內(nèi)，開挖和支護(hù)要求高，一方面要求保護(hù)山體生態(tài)，減少對山體開挖，另一方面要求針對支護(hù)設(shè)計(jì)加強(qiáng)綠色設(shè)計(jì)理念，并保證高陡邊坡的支護(hù)安全。因此采取有效的分析手段，配合綠色設(shè)計(jì)理念，充分考慮邊坡穩(wěn)定在各個工況下的不利條件，依據(jù)邊坡坡度和高度，綜合研判分析選擇合適的邊坡支護(hù)形式，并滿足綠色設(shè)計(jì)施工需要。

3 市政道路工程高陡邊坡穩(wěn)定性分析

邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)涉及邊坡穩(wěn)定分析計(jì)算方法的選取、巖土參數(shù)的選擇以及結(jié)合多年的工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行綜合研判，因此選取適宜的計(jì)算方法是準(zhǔn)確完成邊坡支護(hù)的前提。

不同安全級別的邊坡的安全儲備要求也不相同，本案例邊坡要求安全等級為一級，根據(jù)邊坡技術(shù)規(guī)范的相關(guān)要求，采用平面、折線滑動穩(wěn)定系數(shù)技術(shù)時，安全系數(shù)要達(dá)到1.35以上，采用圓弧滑動面進(jìn)行計(jì)算分析時，安全系數(shù)要求達(dá)到1.3以上。本項(xiàng)目根據(jù)現(xiàn)場勘察細(xì)節(jié)資料等結(jié)合巖土體力學(xué)參數(shù)確定邊坡滑動面和破壞形式[4]。

邊坡開挖擬選取計(jì)算模式，上覆土層采用均質(zhì)土體的圓弧滑動面，下層巖石采用折線或平面滑動線。具體破壞線如圖2所示。

圖2 本項(xiàng)目邊坡安全分析滑動破壞面模式

通過上圖破壞面分析可以看出，復(fù)雜的土巖結(jié)合面破壞模式比較復(fù)雜，破壞機(jī)理也和普通土體的破壞不盡相同，在計(jì)算分析中要根據(jù)不同穩(wěn)定土巖體的狀態(tài)進(jìn)行綜合研判分析。針對土層穩(wěn)定情況可以采用圓弧滑動計(jì)算，可選擇簡化畢肖普方法進(jìn)行搜索分析最不穩(wěn)定滑動面，根據(jù)邊坡規(guī)范要求計(jì)算。針對巖石層，普通的計(jì)算模式可以采用直線平面滑動計(jì)算面分析[5]。

計(jì)算分析時，要綜合考慮暴雨、地震作用，確保穩(wěn)定系數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求，有充分的安全儲備。進(jìn)一步進(jìn)行支護(hù)加固設(shè)計(jì)工作。

邊坡穩(wěn)定性分析過程中，綜合考慮不同工程條件下的邊坡穩(wěn)定情況，結(jié)合本項(xiàng)目所處的地理位置和地質(zhì)條件綜合考慮以下幾種設(shè)計(jì)工況：

工況一：不考慮地震作用和地下水作用，僅僅考慮天然狀態(tài)坡體情況。

工況二：考慮地下水位于坡面下3 m情況。

工況三，考慮地震作用影響和地下水作用綜合考慮。

針對以上工況，采用巖土專業(yè)分析程序進(jìn)行巖土體各個滑動面的計(jì)算分析，各個剖面的不同巖土體的計(jì)算安全系數(shù)見表2。

表2 不同工況條件下各個巖土體剖面計(jì)算安全系數(shù)表

根據(jù)以上計(jì)算分析數(shù)據(jù)可知，本項(xiàng)目巖土體邊坡無論是在自然狀態(tài)下還是在地下水作用下各個剖面的安全系數(shù)均小于1.3的限值，同時在地震作用下也不滿足1.3的安全系數(shù)的限值，在地震作用下是極其不穩(wěn)定的。綜合分析可知該邊坡在自然狀態(tài)下是很不穩(wěn)定，尤其是在綜合外力作用下會發(fā)生較大的邊坡滑坡等破壞情況，因此在設(shè)計(jì)中要充分考慮不利影響，采用有效的支護(hù)措施，確保邊坡安全穩(wěn)定。

4 市政道路工程邊坡穩(wěn)定綠色支護(hù)設(shè)計(jì)分析及施工應(yīng)用

4.1 邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)分析優(yōu)選

上節(jié)計(jì)算分析的穩(wěn)定性結(jié)果表明，不同工況條件下邊坡穩(wěn)定性不滿足安全等級一級的設(shè)計(jì)要求，不具有充分的安全儲備，因此要針對此邊坡采取專門的支護(hù)設(shè)計(jì)和加固措施。設(shè)計(jì)分析時首選提取勘察資料中的各個數(shù)據(jù)信息和地質(zhì)條件情況，計(jì)算分析邊坡滑坡過程中的下滑力，根據(jù)下滑力的大小結(jié)合相關(guān)規(guī)范進(jìn)行邊坡錨桿和格構(gòu)梁設(shè)計(jì)計(jì)算?？梢圆捎脤ｉT的巖土計(jì)算分析程序進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)合邊坡的實(shí)際情況經(jīng)優(yōu)化比較分析給出最優(yōu)設(shè)計(jì)方案[6]。

結(jié)合本項(xiàng)目工程地質(zhì)情況，適應(yīng)城市建設(shè)整體環(huán)境的需要，綜合邊坡穩(wěn)定計(jì)算分析結(jié)果，采用坡率法進(jìn)行邊坡防護(hù)，并根據(jù)邊坡巖土地質(zhì)情況采取骨架植草防護(hù)措施。主要的邊坡骨架防護(hù)設(shè)計(jì)對比見表3。

表3 邊坡骨架綠色防護(hù)設(shè)計(jì)方法對比表

根據(jù)本項(xiàng)目邊坡巖土體情況，結(jié)合坡率法邊坡防護(hù)、工程造價的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)綜合分析，擬采用每級坡高6～10 m，坡率為1∶1.0～1∶1.75的放坡防護(hù)措施，并對放坡坡面增加錨桿加強(qiáng)支護(hù)措施。根據(jù)上表骨架防護(hù)方式的工程施工難易程度、完工效果綜合分析采用坡面進(jìn)行人字骨架植草防護(hù)的方法。

4.2 邊坡支護(hù)綠色設(shè)計(jì)、施工方案

通過對比分析坡率法結(jié)合人字骨架植草邊坡防護(hù)的措施，一方面滿足邊坡穩(wěn)定性安全要求，節(jié)約工期和造價，另一方面符合城市邊坡綠色設(shè)計(jì)、環(huán)境協(xié)調(diào)的目的。針對此方法從設(shè)計(jì)至施工階段重點(diǎn)控制以下幾個方面的質(zhì)量目標(biāo)。

(1) 邊坡防護(hù)時需要與道路路基路面防排水方案協(xié)調(diào)統(tǒng)一。確保邊坡排水效果與道路排水通暢，避免因排水影響邊坡安全穩(wěn)定。

(2) 坡面植草時要結(jié)合城市景觀和當(dāng)?shù)剜l(xiāng)土植物的結(jié)合，草籽噴播過程中要摻入30%～40%低矮灌木種子，滿足坡面防護(hù)綠植層次性要求。

(3) 邊坡支擋設(shè)計(jì)過程中，盡量保證其與管線、綠化、排水等專項(xiàng)設(shè)計(jì)界面協(xié)調(diào)統(tǒng)一，避免突兀設(shè)計(jì)或者遺漏。

(4) 在進(jìn)行邊坡開挖過程中，確保開挖面穩(wěn)定，嚴(yán)禁在坡腳2 m內(nèi)開挖作業(yè)，各類管線的設(shè)計(jì)也要避免放置在坡腳，如果確需開挖時，可以采用坡腳加固措施保證坡腳安全。

(5) 邊坡防護(hù)中預(yù)留相關(guān)后期維護(hù)作業(yè)面，便于后期邊坡養(yǎng)護(hù)作業(yè)，與當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境相協(xié)調(diào)。人字骨架坡面防護(hù)示意如圖3所示。

圖3 人字骨架植草坡面防護(hù)和節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)示意圖

施工作業(yè)順序：施工放樣→坡面修整→放線找平和溝槽開挖→墻腳砌筑→骨架砌筑→擋水板設(shè)置→養(yǎng)護(hù)作業(yè)→沉降縫設(shè)置。

施工作業(yè)過程注意砂漿的拌和存放，避免與泥土摻雜，以免影響砌筑強(qiáng)度；現(xiàn)場水泥原材料要進(jìn)行性能檢測工作，并針對混凝土進(jìn)行專項(xiàng)配制；砌筑過程中要保證砂漿砌筑飽滿，避免出現(xiàn)空洞等問題；砌筑完成后進(jìn)行人字骨架表面平整性等檢測工作，采用經(jīng)緯儀進(jìn)行測量，控制偏差數(shù)據(jù)滿足±100 mm范圍之內(nèi)。

市政道路邊坡骨架質(zhì)量控制是控制邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的重要措施，是保證道路正常運(yùn)行的重要前提，要針對邊坡防護(hù)施工進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制、采取相應(yīng)的質(zhì)量保證措施，以達(dá)到整體建設(shè)效果好、應(yīng)用性能好、綠色環(huán)保安全可靠[7]。

5 結(jié) 論

邊坡穩(wěn)定分析和支護(hù)設(shè)計(jì)在城市建設(shè)過程中不僅要考慮安全合理，還要綜合考慮綠色設(shè)計(jì)理念，并盡可能地減小對城市生態(tài)環(huán)境的破壞。文中以某城市市政道路高陡邊坡項(xiàng)目為例，結(jié)合邊坡穩(wěn)定分析的概率統(tǒng)計(jì)計(jì)算分析，通過針對現(xiàn)場地質(zhì)條件的詳細(xì)勘察和巖土試驗(yàn)，結(jié)合穩(wěn)定分析理論尋找最不利破壞面，計(jì)算土層和巖層的最不利下滑力，進(jìn)而對邊坡進(jìn)行安全性綜合評價工作。采用專業(yè)巖土分析軟件，結(jié)合不同施工工況下內(nèi)力組合，求解各個工況下的安全系數(shù)，結(jié)果表明邊坡安全系數(shù)在各個工況下都不能滿足一級安全等級要求，需要針對邊坡進(jìn)行處理并進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)，計(jì)算分析表明巖土體各結(jié)構(gòu)面均出現(xiàn)了較大的變形和位移，在土體中主要發(fā)生圓弧滑動。

通過計(jì)算分析巖土體穩(wěn)定后，綜合對比工程建設(shè)難易性、工程建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)以及城市邊坡環(huán)境的綠色設(shè)計(jì)施工，與城市環(huán)境相協(xié)調(diào)擬采用坡率法、人字骨架植草，以保證坡面安全有效。