濟南地區(qū)土巖二元結構邊坡加固設計及穩(wěn)定性研究*

何昭宇, 王冬明, 張?zhí)珖? 范世英

(1 山東建勘集團有限公司，濟南 250031；2 濟南市市政工程設計研究院(集團)有限責任公司，濟南 250000)

0 引言

土巖二元結構是開挖斷面范圍內,由上覆土層與下臥巖層構成的一種特殊地層結構,該結構存在明顯的剛度差異,具有“上軟下硬”的工程特點,主要分布于山坡、剝蝕準平原地帶的建筑工程[1-3]。近幾年隨著城市化建設的不斷發(fā)展,此類建筑邊坡更是極為常見[4-5]。但在實際工程應用中,單一地層邊坡的穩(wěn)定性分析較為成熟,土質邊坡可按圓弧滑動模式,巖質邊坡按外傾結構面分析,而土巖二元結構邊坡涉及土體、巖體和支護結構之間的相互作用,目前對其研究尚不深入,沒有形成獨立的理論體系,故許多學者開始對此類邊坡穩(wěn)定性分析和支護設計理論體系方面進行大量研究[6-8]。

張蓮花等[9]在分析土巖組合邊坡特點的基礎上,提出上部土層采用圓弧滑動法分析、下部巖層依據(jù)結構面組合確定潛在滑移面,并結合傳遞系數(shù)法進行穩(wěn)定性評價。唐曉松等[10]采用有限元強度折減法分析了土巖二元結構邊坡變形破壞與滑動面發(fā)生發(fā)展全過程,為邊坡防治提供了有效依據(jù)。梅林等[11]通過物理模型試驗與數(shù)值模擬等方法,研究了二元結構邊坡破壞過程,得出邊坡最大水平位移位于交界面之上的邊坡中部。王威等[12]基于有限元軟件OPTUM/G2探討了軟化土層厚度及軟化度對二元結構邊坡穩(wěn)定性的影響。陳涵[13]則分析了弱面傾角及邊坡土層與巖層比例對滑移面坡頂開裂點和安全系數(shù)的影響,建立了典型“覆蓋土-風化巖層二元結構模型”,發(fā)現(xiàn)巖層出露位置比土層界面傾角對邊坡穩(wěn)定影響更為顯著。

以往專家和學者們對二元結構邊坡的研究多是集中在我國沿海地區(qū)和西南山地一帶,像青島、廈門、珠海、重慶等城市,但是對于魯中山地地區(qū)的土巖邊坡研究較少。以山東濟南為例,地處魯中山地北緣,土層以硬土居多,上部存在填土、黃土,下覆灰?guī)r、輝長巖,由于其獨特的區(qū)域構造,在成就“泉城”的同時,也形成了第四系土層+灰?guī)r、輝長巖的二元結構類型。因此,深入研究濟南地區(qū)土巖組合邊坡具有重要的現(xiàn)實意義。

本文依托于濟南蔣山山體邊坡加固工程項目,在分析地勘資料的基礎上,對土巖二元結構邊坡進行加固設計,并基于有限元軟件MIDAS/GTS模擬,分別建立既有邊坡、二次開挖邊坡及支擋加固措施的有限元模型,探討了此類結構邊坡滑移面位置及破壞機理,為濟南地區(qū)類似基坑、邊坡工程建設提供有益的借鑒。

1 工程概況

擬建雪山片區(qū)蔣山山體加固工程位于濟南市高新區(qū)鳳鳴路東側,蔣山北路南側。邊坡坡腳北側緊鄰場區(qū)行車道路,道路寬7.0m,道路北側距離擬建建筑物0.79～7.13m,地面標高為92.0～102.0m;邊坡坡頂圍擋即場地紅線位置,圍擋南側為新建山體公園道路,道路寬5m,總體呈西高東低,且兩邊綠化施工完畢,不可占用破壞,道路標高為111.0～120.0m。依據(jù)現(xiàn)場地面標高,邊坡最大設計高度23.5m,具體周邊環(huán)境見圖1。

圖1 建筑邊坡周邊環(huán)境圖

根據(jù)勘察報告及現(xiàn)場踏勘情況,邊坡加固范圍內地層主要為地表素填土、奧陶系石灰?guī)r和泥灰?guī)r風化帶構成,場地地貌單元屬山前沖洪積平原,相應地層物理力學參數(shù)見表1。場地內地下水位埋藏較深,主要為裂隙巖溶水,水位標高為40.30～43.03m,賦存于溶蝕蝕變帶及奧陶系石灰?guī)r中,對混凝土及鋼筋構件腐蝕性較小。

表1 模型力學參數(shù)

通過收集資料及現(xiàn)場巡視觀測,邊坡上層堆土形成自然休止狀態(tài),在經歷2～3個雨季后未觀測坡頂土體發(fā)生明顯地裂縫擴大等情況,判斷目前土坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。堆土下即為石灰?guī)r,巖層整體較完整,占邊坡的41%～53%,故應劃歸為土巖二元結構邊坡。

2 加固設計方案

土巖二元結構邊坡下伏基巖強度高,穩(wěn)定性好,尤其是中風化石灰?guī)r以下地層具有很好的邊坡自穩(wěn)能力和豎向承載能力,所以繼續(xù)沿用高填方邊坡的支護形式造價較高;另一方面,施工場地狹窄,水平放坡空間有限,而如何將加固設計方案的經濟性與合理性完美結合成了目前急需解決的問題。

其中,場地東南側為高填方土巖二元結構邊坡,邊坡長182m,填土厚度3.4～9.0m,下覆13.5m中風化石灰?guī)r,巖層產狀25∠7°,與邊坡傾向基本一致,屬順層邊坡,地層情況見圖2。邊坡坡頂現(xiàn)為山體公園道路,如圖3所示,坡頂圍擋(紅線)距離場地內部構筑物僅10.5m。

圖2 土巖二元結構邊坡地層剖面

圖3 坡頂外山體公園道路

為此,充分根據(jù)巖土力學性質及空間分布,將覆蓋土與風化巖分別進行支護設計,而目前常采用的支護形式為上部填土采用扶壁式擋墻、天然放坡等方案,下部巖層進行巖石錨噴,根據(jù)目前工程進度情況及所要實現(xiàn)的目標,扶壁式擋墻土方開挖量較大,且施工前需進行臨時邊坡支護,存在大量重復勞動,其支護費用約530萬,工期90d;天然放坡雖然施工難度小,工期短,但占用大量山體范圍,破壞現(xiàn)狀道路。故本文提出樁板式擋墻+預應力錨索+巖石錨噴的加固設計方案,并成功地解決了土巖地區(qū)建筑邊坡土體易失穩(wěn)、支擋結構變形較大和施工場地狹窄等支護難題。

支護樁采用樁徑800mm的灌注樁,混凝土強度等級為C30,樁間距2.0m,在樁頂設置1 000×800冠梁和800×600腰梁,樁底須嵌入中風化石灰?guī)r層3.0m;樁前掛設鋼筋混凝土面板,采用C25混凝土,板厚200mm,板內設置暗梁及拉筋;施工兩道預應力錨索,并刷瀝青船底漆和瀝青玻纖布纏裹二層進行防腐蝕處理;下部巖層則采用全粘結錨桿進行錨噴支護,設計坡率1∶0.1,支護費用約440萬,設計工期僅70d,具體設計方案見圖4。

圖4 樁板式擋墻+巖石錨噴加固方案

土巖二元結構邊坡加固施工時,應在墻、護坡結構設排水孔,來減少滑坡體的含水量。同時,在土巖分界面位置留設平臺,并修建擋水墻、排水溝來阻斷坡頂水流對坡段的沖刷。樁頂外側填土按1∶1.0進行天然放坡,待邊坡驗收合格后,可在坡面進行植被綠化,種植爬山虎及連翹等多年生木本植物。

目前在組合結構工程設計中,一般只考慮上部土質邊坡穩(wěn)定性,常把下部巖層看成穩(wěn)定的,待樁板擋墻設計滿足抗滑移、抗傾覆和整體穩(wěn)定性要求時,再將上部土層及擋墻等效成荷載和集中力的形式進行下部錨噴支護體系計算,即只考慮整個邊坡的局部穩(wěn)定性問題[14-16]。雖然將組合支護結構分別計算可以滿足局部穩(wěn)定性要求,但對整體穩(wěn)定性和組合結構受力情況無法確定,與實際受力相差較大。因此,為了系統(tǒng)地研究土巖二元結構邊坡整體穩(wěn)定性問題,本文采用有限元軟件MIDAS/GTS進行數(shù)值模擬研究。

3 有限元模型建立

為了探討土巖二元結構既有邊坡、二次開挖邊坡整體穩(wěn)定性特性,本文基于有限元軟件MIDAS/GTS的強度折減法(SRM)和Drucher-prager屈服準則進行分析[17-19],通過不斷減少邊坡巖土體抗剪切強度參數(shù)(如c、φ值)來達到極限破壞狀態(tài),以此得到土巖二元結構邊坡滑移面位置及破壞機理,如圖5所示圖中τ為剪應力;c為黏聚力;σ1、σ3分別為最大、最小主應力;φ1、φ2分別為1、2次折減的內摩擦角;F1、F2分別為1、2次折減的折減系數(shù)。

圖5 強度折減法示意圖

模擬中假定面板、樁、錨均為線彈性材料,并基于項目勘察報告及相應的巖土力學參數(shù),應用Mohr-coulomb本構模型對邊坡最大高度位置進行計算,最終確定模型范圍55m×12m×38m。上覆填土深度約9m,下部5m強風化石灰?guī)r、24m中風化石灰?guī)r,并充分考慮覆土和風化巖交界面處的有效粘結應力,設置Interface單元模擬二元結構交界面上的剪力。同時,施加25kN/m的坡頂環(huán)山道路荷載,構建土巖二元結構邊坡有限元模型,如圖6所示。

圖6 土巖二元結構邊坡有限元模型

支護結構采用了樁板式擋墻+錨索+巖石錨噴支護的組合結構工程設計,通過板單元來模擬噴射混凝土面層;通過植入式桁架單元來對錨桿、錨索進行模擬;通過巖層與全粘結錨桿之間的接觸和對混凝土冠梁、腰梁進行賦值的方法來模擬錨桿、錨索的加固作用,建立組合結構工程設計有限元模型,如圖7所示,相應參數(shù)見表1。

圖7 組合結構工程設計有限元模型

有限元計算工況則根據(jù)現(xiàn)場施工工序進行劃分的,分別為以下5個工況:工況1,上部土層開挖3.5m,并按照1∶1.0進行天然放坡;工況2,支護樁施工,然后垂直開挖5.5m至土巖接觸面,進行混凝土面板、預應力錨索及混凝土冠梁/腰梁施工,并施加預應力;工況3,在土巖交界面留設2.0m平臺,然后按照設計坡比1∶0.1進行巖石開挖、錨噴支護,錨桿長9.0m,入射角度20°;工況4,按照設計坡比1∶0.1進行巖石二次開挖、錨噴支護,錨桿長4.5m,入射角度20°;工況5,進行安全性計算。

4 有限元計算結果分析對比

4.1 既有邊坡有限元計算結果分析

在進行土巖二元結構邊坡開挖穩(wěn)定性分析之前,需要對既有邊坡的應力場和穩(wěn)定性進行分析。假設邊坡主要作用力為自重,并在不考慮構造應力等其他作用力的影響下,計算得到既有邊坡最大主應力區(qū)、最小主應力區(qū)和剪應力區(qū),如圖8所示。

圖8 既有邊坡應力分布圖/(kN/m2)

初始狀態(tài)下,土巖二元結構邊坡最大主應力以壓應力為主,分布規(guī)律與邊坡自重的分布規(guī)律相同,其坡腳位置處的壓應力值為0.376MPa。最小主應力則以拉應力為主,分布規(guī)律大致平行于坡面,在坡頂后緣一定距離處受拉,拉應力值為0.211MPa。而初始狀態(tài)下的最大剪應力則為過渡狀態(tài),其潛在滑移面為圓弧形,頂部位于上覆土質邊坡坡頂后緣約4.9m位置,底部則位于下覆巖質邊坡坡底處,并在土巖交界面及坡腳處出現(xiàn)了應力集中現(xiàn)象。

根據(jù)有限元計算結果可得既有邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.22,屬于基本穩(wěn)定狀態(tài),具體劃分按照《建筑邊坡工程技術規(guī)范》(GB 50330—2013)[20],如表2所示。但考慮到降雨條件下,坡體內巖土體含水量增大,導致坡體抗剪強度降低,將無法保證土巖二元結構邊坡穩(wěn)定安全,故應對其進行加固處理。

表2 邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)劃分

4.2 二次開挖邊坡有限元計算結果分析

4.2.1 應力場特征

根據(jù)有限元計算結果表明,天然狀態(tài)下土巖二元結構邊坡應力分布規(guī)律符合一般斜坡應力場特征。最大主應力以壓應力為主,隨著開挖工況的進行,應力發(fā)生重分布,在坡面位置處出現(xiàn)拉應力集中現(xiàn)象,且主要位于下覆灰?guī)r薄弱面。最大應力由0.203MPa增長至0.468MPa,但整體應力呈減小趨勢(圖9),故在完成巖質邊坡開挖后應盡快進行噴錨支護。邊坡最小主應力與最大主應力類似,在開挖卸荷和灰?guī)r薄弱面位置都發(fā)生了應力集中現(xiàn)象,并在坡腳位置出現(xiàn)壓應力,且隨著工況的進行,壓應力從0.847MPa逐漸減小至0.739MPa,由此可以判斷,坡腳處所受的壓應力將不會達到屈服狀態(tài),見圖10。

圖9 各工況下邊坡最大主應力云圖/(kN/m2)

圖10 各工況下邊坡最小主應力云圖/(kN/m2)

開挖邊坡最大剪應力特征如圖11所示,隨著支擋加固措施的進行,土巖二元結構邊坡潛在滑移面的工程規(guī)模逐漸減小,雖然初始狀態(tài)下邊坡最大剪應力在土巖交界面及邊坡坡腳位置應力集中較為明顯,但隨著施工工況的進行,坡腳附近的剪應力也隨之減小。每次開挖完成后坡腳處最大剪應力依次減少4.3%、1.4%、3.3%、4.2%,可見坡腳處發(fā)生剪切破壞的風險在逐漸減小,特別是完成工況1和工況4的施工工序,剪應力下降明顯。但在進行工況2施工時,樁板式擋墻和下覆灰?guī)r薄弱面位置處都出現(xiàn)了明顯的應力集中現(xiàn)象,故為了防止土巖二元結構邊坡發(fā)生滑移破壞,需在邊坡二次開挖后盡快進行樁板式擋墻施工,并嚴格控制施工質量,防止發(fā)生剪切破壞。

圖11 各工況下邊坡最大剪應力云圖/(kN/m2)

4.2.2 位移場特征

土巖二元結構既有邊坡在進行開挖修護時的各工況位移云圖如圖12所示。其中,工況1開挖完成后,巖土體卸荷松弛,在開挖坡面上產生位移,但此時位移值較小,僅為7.19mm,不利結構面也只擴散到開挖坡體的坡腳位置;工況2開挖完成后,土巖交界面和灰?guī)r薄弱面位置的位移量增大,最大位移值為12.24mm,而此時不利結構面已經擴散至下覆灰?guī)r坡腳處,對邊坡整體穩(wěn)定性產生一定的影響,須在施工過程中對該區(qū)域進行重點監(jiān)測和防治;工況3開挖完成后,施工開挖所形成的坡頂平臺面位移量最大,其原因可能是該層灰?guī)r風化程度較高,物理力學性質較差;當工況4施工完成后,最大位移值為14.64mm,主要出現(xiàn)在土巖交界面范圍,且上覆土層將沿著下覆灰?guī)r的潛在滑移面而產生破壞,但邊坡整體未出現(xiàn)較大位移。由此可見,邊坡坡頂及坡腳位置處的總位移逐漸減小,特別是坡腳方向的位移減小幅度最為明顯,最大位移位于邊坡中部的土巖交界面附近。

圖12 各工況下邊坡總位移云圖/m

4.3 土巖二元結構邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)MIDAS/GTS有限元計算結果可知,土巖二元結構邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)隨著施工工況的進行不斷增大,具體情況見圖13。其中,工況1完成后坡體穩(wěn)定性系數(shù)變化較大,穩(wěn)定性系數(shù)變?yōu)?.35,其原因可能是上部土層的開挖減小了邊坡坡體的自重,提高了邊坡的整體穩(wěn)定性。當工況2的完成,邊坡穩(wěn)定性系數(shù)從1.35增長至1.42,說明樁板式擋墻的施工可有效減少潛在滑移面的工程規(guī)模,起到穩(wěn)定邊坡的作用。隨著工況3、工況4的完成,穩(wěn)定性系數(shù)進一步提高,說明下覆灰?guī)r的開挖、錨噴加固減小了坡體的自重,進一步提高了土巖二元結構邊坡穩(wěn)定性,使邊坡穩(wěn)定性系數(shù)提高至1.55,達到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖13 土巖二元結構邊坡整體穩(wěn)定性系數(shù)變化圖

在整個邊坡支擋加固過程中,邊坡穩(wěn)定系數(shù)始終大于等于1.35,說明土巖二元結構邊坡一直處于穩(wěn)定狀態(tài)。若是在開挖完成后未進行及時的支擋加固措施,則根據(jù)有限元計算結果可知,土巖交界面及下覆灰?guī)r薄弱面位置處變形增大,并在坡面和坡頂位置處產生拉張裂隙,在坡腳處出現(xiàn)應力集中,極易誘發(fā)潛在滑移面貫通,造成邊坡整體滑移破壞,因此還需施工過程中對邊坡加強監(jiān)測,保證邊坡穩(wěn)定安全。

其中,本工程邊坡現(xiàn)場監(jiān)測工作自2020年4月8日正式開始,實際布置各類型監(jiān)測點共25個,對樁板式擋土墻頂布置監(jiān)測點10個,最大變形量12.5mm,見圖14。土巖二元結構邊坡加固及使用期間位移變化速率平穩(wěn),無較大起伏,且最大水平位移未超過規(guī)范預警值,與數(shù)值模擬結果相符,證明了支護方案的可行性。

圖14 土巖二元結構邊坡位移-時間變化曲線

5 結論

(1)通過分析現(xiàn)場施工條件、邊坡高度及周圍環(huán)境,提出了一種樁板式擋墻+預應力錨索+巖石錨噴加固的組合結構工程設計,有效貫徹高邊坡處治安全、經濟的基本理念的同時,為土巖二元結構邊坡加固設計提供一種新思路。

(2)基于MIDAS/GTS有限元軟件建立既有邊坡、二次開挖邊坡及組合結構工程設計模型,并在模擬過程中充分考慮了上部樁板式擋墻、預應力錨索和下部巖石錨噴加固之間的協(xié)同作用,可有效解決邊坡的整體與局部穩(wěn)定性問題,降低邊坡工程處治規(guī)模。

(3)開挖前既有邊坡整體穩(wěn)定性系數(shù)為1.22,屬于基本穩(wěn)定狀態(tài),坡頂后緣4.9m處為潛在滑動面,且土巖交界面及邊坡坡腳位置出現(xiàn)應力集中。

(4)隨著施工工況進行,下覆灰?guī)r薄弱面發(fā)生應力集中現(xiàn)象,但整體應力成減小趨勢;邊坡潛在滑移面工程規(guī)模也隨著加固措施的進行得到了有效的抑制,上覆土層將沿著下覆灰?guī)r的潛在滑移面產生破壞。坡頂及坡腳位置處位移逐漸減小,而最大位移量位于邊坡中部的土巖交界面附近,位移值14.64mm。

(5)在邊坡支擋加固作用下,土巖二元結構邊坡整體穩(wěn)定性系數(shù)提高至1.55,屬于穩(wěn)定狀態(tài),達到了規(guī)范要求。