關(guān)于高填方邊坡的地基處理方案對比分析

劉立鋒

中國成達(dá)工程有限公司 成都 610041

在山區(qū)化工裝置的場平設(shè)計(jì)中，經(jīng)常會遇到高填方邊坡，如何保證高大邊坡的穩(wěn)定，一直以來是岸土工程研究的熱點(diǎn)問題。當(dāng)填方邊坡下地基土的力學(xué)性能較好時(shí)，邊坡的穩(wěn)定可以滿足，可不做處理。當(dāng)?shù)鼗恋牧W(xué)性能較好時(shí)，邊坡的整體穩(wěn)定滿足不了要求時(shí)，需對邊坡及地基采用相關(guān)的加強(qiáng)措施以保證邊坡的整體穩(wěn)定。邊坡的失穩(wěn)主要原因是邊坡在自重和附加荷載作用下，因邊坡回填土及地基土的抗剪強(qiáng)度不足，在邊坡內(nèi)部形成了一個滑動面，滑動面以上的土體整體滑出，具體見圖1所示。該滑動面的大小和位置隨土體的抗剪強(qiáng)度而變化，土體的抗剪強(qiáng)度越大，滑動面的位置越深，滑動面的長度越長，相應(yīng)的邊坡穩(wěn)定的安全系數(shù)越大。因此，對于邊坡穩(wěn)定的加強(qiáng)措施就是增強(qiáng)滑動面周邊范圍內(nèi)的土體的抗剪強(qiáng)度。增強(qiáng)的措施有多種，通過設(shè)置土工格柵加強(qiáng)回填土的強(qiáng)度；對于淺層滑面，可以通過強(qiáng)夯增加地基土的強(qiáng)度；對于深層滑面，可采用鉆孔灌注樁或高壓旋噴樁或碎石樁來進(jìn)行深層地基的處理。

圖1 邊坡滑動面

1 邊坡穩(wěn)定加固措施分析

對于邊坡穩(wěn)定的加固措施有多種，但哪一種措施最合適，還是要根據(jù)邊坡具體的高度、回填土及地基土的力學(xué)性能進(jìn)行具體分析。以下以某一項(xiàng)目的高填方邊坡為例，根據(jù)其場地的實(shí)際情況，擬采用土工格柵、鉆孔灌注樁以及高壓旋噴樁3種方式進(jìn)行邊坡的加固，并通過有限元模型對邊坡的整體穩(wěn)定性進(jìn)行分析，對比各種加固措施對邊坡整體穩(wěn)定性的影響效果，并根據(jù)分析結(jié)果給出最適用于本邊坡的具體加固措施的建議。

1.1 邊坡穩(wěn)定分析條件

該邊坡的最高高度為35.5m，坡率為1：1.75，邊坡沿高度方向每8m設(shè)一馬道，馬道寬3m。具體斷面尺寸見圖2。

圖2 斷面尺寸圖

邊坡回填土及邊坡以下地基土的力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 地基土的力學(xué)參數(shù)

1.2 邊坡穩(wěn)定分析工況

在邊坡分析過程中，主要考慮2個設(shè)計(jì)狀況：正常使用設(shè)計(jì)狀況和地震設(shè)計(jì)狀況。其中，正常使用設(shè)計(jì)狀況包括自重和上部附加荷載70kN/m2，地震設(shè)計(jì)狀況除包含正常作用狀況下的荷載外，還要考慮五千年一遇的水平地震作用，即0.075g的水平地震力，這兩個工況也是一般邊坡穩(wěn)定分析的主要工況。

1.3 邊坡穩(wěn)定分析中采用的加固措施

在分析過程中，對于邊坡的加固措施，選用3種加固方式：①土工格柵，土工格柵間距為2.0m，土工格柵的長期強(qiáng)度為100kN/m；②鉆孔灌注樁，樁徑為1.5m，間距為3m，位于邊坡的下端；③高壓旋噴樁，樁徑為0.5m，間距為2m，位于邊坡底端自坡腳20m范圍內(nèi)，旋噴樁的設(shè)計(jì)強(qiáng)度為5MPa。對于每一種加固措施，分別建立有限元模型進(jìn)行分析，得到相應(yīng)的邊坡穩(wěn)定的安全系數(shù)。

1.4 有限元模型

本次分析采用PLAXIS-2D巖土有限元軟件進(jìn)行分析，對于邊坡中的土體，采用15節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變單元進(jìn)行模擬，采用摩爾庫侖模型考慮土體的彈塑性，對于樁，采用板單元進(jìn)行模板，對于土工格柵，采用土工格柵單元進(jìn)行模擬。具體的有限元模型見圖3。

圖3 有限元模型

2 邊坡穩(wěn)定分析結(jié)果

為得到不同加固措施對邊坡整體穩(wěn)定的影響效果，對邊坡未加固情況下的整體穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，具體結(jié)果如下：

2.1 邊坡未加固時(shí)的整體穩(wěn)定結(jié)果

根據(jù)規(guī)范要求，邊坡的穩(wěn)定計(jì)算需要考慮兩種設(shè)計(jì)狀況，分別為正常使用狀況和地震狀況，以下是兩種設(shè)計(jì)狀況下的分析結(jié)果：

2.1.1 正常使用狀況下的整體穩(wěn)定

在正常使用狀況下，邊坡只受自重和上部附近加荷載的作用，該工況下的穩(wěn)定系數(shù)Sf=1.371，變形圖及安全系數(shù)見圖4。

圖4 正常使用設(shè)計(jì)狀況下的安全系數(shù)

2.1.2 地震狀況下的整體穩(wěn)定

在地震狀況下，邊坡除了受自重和上部附加荷載外，還承受五千年一遇地震荷載的作用，該工況下的穩(wěn)定系數(shù)Sf=1.102，變形圖及安全系數(shù)見圖5。

圖5 地震設(shè)計(jì)狀況下的安全系數(shù)

如果上述分析得到的安全系數(shù)滿足桿關(guān)規(guī)范要求，可不進(jìn)行邊坡加固處理；如不滿足，則需要加固處理。本項(xiàng)目的邊坡不滿足相關(guān)規(guī)范要求，需進(jìn)行邊坡加固處理，以下是不同加固方式得到的整體穩(wěn)定安全系數(shù)。

2.2 采用土工格柵加固后邊坡的整體穩(wěn)定結(jié)果

對應(yīng)于邊坡未設(shè)置加固措施的設(shè)計(jì)工況，采用加固措施后仍按兩種設(shè)計(jì)狀況給出結(jié)果，具體如下：

2.2.1 正常使用狀況下的整體穩(wěn)定

根據(jù)有限元分析，使用土工格柵加固時(shí)正常使用設(shè)計(jì)狀態(tài)下的安全系數(shù)Sf=1.443，分析得到的變形圖及安全系數(shù)見圖6。

圖6 土工格柵加固時(shí)正常使用設(shè)計(jì)狀況下的安全系數(shù)

2.2.2 地震狀況下的整體穩(wěn)定

根據(jù)有限元分析，使用土工格柵回固時(shí)地震設(shè)計(jì)狀態(tài)下的安全系數(shù)Sf=1.159，分析得到的變形圖及安全系數(shù)見圖7。

圖7 土工格柵加固時(shí)地震設(shè)計(jì)狀況下的安全系數(shù)

2.3 采用鉆孔灌注樁加固后邊坡的整體穩(wěn)定結(jié)果

采用鉆孔灌注樁加固措施后按兩種設(shè)計(jì)狀況給出的分析結(jié)果，具體如下：

2.3.1 正常使用狀況下的整體穩(wěn)定

根據(jù)有限元分析，采用鉆孔樁時(shí)正常使用設(shè)計(jì)狀態(tài)下的安全系數(shù)Sf=1.466，分析得到的變形圖及安全系數(shù)見圖8。

圖8 鉆孔灌注樁加固時(shí)正常使用設(shè)計(jì)狀況下的安全系數(shù)

2.3.2 地震狀況下的整體穩(wěn)定

根據(jù)有限元分析，采用鉆孔樁時(shí)地震設(shè)計(jì)狀態(tài)下的安全系數(shù)Sf=1.18，分析得到的變形圖及安全系數(shù)見圖9。

圖9 鉆孔灌注樁加固時(shí)地震設(shè)計(jì)狀況下的安全系數(shù)

2.4 采用高壓旋噴樁加固后邊坡的整體穩(wěn)定結(jié)果

采用高壓旋噴樁加固后按兩種設(shè)計(jì)狀況給出的分析結(jié)果，具體如下：

2.4.1 正常使用狀況下的整體穩(wěn)定

根據(jù)有限元分析，采用鉆孔樁時(shí)正常使用設(shè)計(jì)狀態(tài)下的安全系數(shù)Sf=1.562，分析得到的變形圖及安全系數(shù)見圖10。

圖10 高壓旋噴樁加固時(shí)正常使用設(shè)計(jì)狀況下的安全系數(shù)

2.4.2 地震狀況下的整體穩(wěn)定

根據(jù)有限元分析，采用鉆孔樁時(shí)地震設(shè)計(jì)狀態(tài)下的安全系數(shù)Sf=1.264，分析得到的變形圖及安全系數(shù)見圖11。

圖11 高壓旋噴樁加固時(shí)地震設(shè)計(jì)狀況下的安全系數(shù)

2.5 整體穩(wěn)定結(jié)果匯總

對上述不同加固措施進(jìn)行整體穩(wěn)定分析，得出的結(jié)果進(jìn)行匯總整理后得到表2。

表2 不同加固措施進(jìn)行整體穩(wěn)定分析匯總表

根據(jù)表2匯總結(jié)果，可得到不同加固措施下邊坡安全系數(shù)的百分比，見表3。

表3 固措施下邊坡安全系數(shù)的百分比

由表3匯總結(jié)果可知，對于該項(xiàng)目的邊坡來說，采用不同的加固措施均可提高邊坡的穩(wěn)定性，但加固后的效果卻不同，其中，土工格柵加固效果一般，鉆孔灌注樁的效果較好，高壓旋噴樁的加固效果最好。

3 結(jié)語

由上述結(jié)果可知，采用高壓旋噴樁加固邊坡時(shí)，無論是在正常使用設(shè)計(jì)狀況還是在地震設(shè)計(jì)狀況下，邊坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)提高得最快，因此從技術(shù)方面，對該項(xiàng)目的邊坡采用高壓旋噴樁是最有效的加固措施，建議在設(shè)計(jì)中選用。當(dāng)然，實(shí)際實(shí)施過程中還要考慮各種加固措施的經(jīng)濟(jì)性和施工可行性。