陳開(kāi)鎮(zhèn)

(廣西桂商實(shí)業(yè)投資有限公司，廣西 南寧 530001)

0 引言

市政工程中邊坡防護(hù)工程的重要性不言而喻，因其一旦出現(xiàn)失穩(wěn)等安全性問(wèn)題，將對(duì)周邊的建筑物和人員造成不可估量的生命財(cái)產(chǎn)損失。因此，很有必要對(duì)所采用的建設(shè)方案開(kāi)展相關(guān)研究和分析，確保方案可行。Midas/GTS軟件因具有分析精度高、易于掌握與操作等特點(diǎn)，可克服邊坡工程中傳統(tǒng)計(jì)算方法所存在的諸多問(wèn)題，時(shí)常被應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性分析。本文以某路堤邊坡工程支擋設(shè)計(jì)方案為依托，選取其中最不利斷面，運(yùn)用Midas/GTS軟件模擬方法對(duì)設(shè)計(jì)方案的防護(hù)效果進(jìn)行研究分析，并根據(jù)研究和分析結(jié)果提出了優(yōu)化建議。

1 工程概況

地質(zhì)資料顯示，擬建場(chǎng)地位于某市向斜盆地北西揚(yáng)起端，屬于單斜構(gòu)造；地質(zhì)斷面構(gòu)成中，基巖為古近系漸～始新統(tǒng)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，其上為第四系圓礫、粉土及黏性土層。區(qū)域及附近未發(fā)現(xiàn)有斷層構(gòu)造通過(guò)，道路沿線無(wú)滑坡等不良地質(zhì)情況，地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定。擬建場(chǎng)地位于某大橋附近，場(chǎng)地所屬地貌特征為低丘地貌，其現(xiàn)狀標(biāo)高在131.267～131.357 m之間。

擬建場(chǎng)地一側(cè)為臨江，另一側(cè)為建筑密集的居民居住區(qū)。鑒于擬建工程對(duì)穩(wěn)固江堤、保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全有著重要作用，因而一定要確保擬采用方案的安全、可靠。設(shè)計(jì)方案最終確定采用樁板式擋土墻作為邊坡加固方案(抗滑樁為圓形，直徑2.0 m，間距5.0 m，樁長(zhǎng)20～27 m不等)，見(jiàn)圖1。

圖1 邊坡支護(hù)剖面示意圖(單位：cm)

2 邊坡穩(wěn)定性分析及優(yōu)化建議

針對(duì)所采用的建設(shè)方案，選取邊坡中的最不利斷面(樁長(zhǎng)為22.0 m，出露樁長(zhǎng)為9.1 m)作為研究對(duì)象，建立防護(hù)后邊坡的Midas/GTS二維數(shù)值模型，以分析加固后邊坡穩(wěn)定性和樁體的受力情況，進(jìn)而判定設(shè)計(jì)方案工程效果。

工程經(jīng)濟(jì)性是建設(shè)工程中不得不考慮的關(guān)鍵要點(diǎn)?；谏鲜龇治鼋Y(jié)果，本文針對(duì)工程特點(diǎn)及原設(shè)計(jì)方案，研究了出露樁長(zhǎng)一定時(shí)，總樁長(zhǎng)對(duì)邊坡防護(hù)效果的影響，以分析方案的優(yōu)化空間。

2.1 地層巖性及巖土參數(shù)

勘查區(qū)各巖土層分布及特征分述如下：

(1)素填土①(Qml)：呈松散狀，以灰色黏性土和礫石、碎石組成，屬中等縮性土。

(2)黏土②(Q4al)：青黃、灰黃色，稍濕，硬塑狀，韌性中等，干強(qiáng)度高，刀切面稍光滑，無(wú)搖震反應(yīng)，屬中等縮性土。

(3)圓礫③(Q4al+pl)：深灰色、灰白色。母巖成份為石英、砂巖，粒徑大多為2～50 mm，20 mm以上的含量在17%～98%，呈亞圓形狀以黏性土填充，分選性差。屬低壓縮性土。

本文所需巖土力學(xué)參數(shù)涉及四個(gè)地層和混凝土(抗滑樁)參數(shù)，各巖土層力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 各巖土層力學(xué)參數(shù)表

2.2 防護(hù)后的邊坡穩(wěn)定性

邊坡穩(wěn)定性分析采用軟件自帶的安全系數(shù)(SRM)模式，邊坡變形量分析采用軟件自帶的非線性分析模式。數(shù)值模擬分析獲得結(jié)果如圖2～5所示。

圖2 邊坡防護(hù)橫斷面圖

圖3 邊坡二維數(shù)值模擬模型圖

圖4 邊坡安全系數(shù)圖

圖5 邊坡土體應(yīng)變?cè)茍D

經(jīng)過(guò)防治后的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.937 5，遠(yuǎn)大于規(guī)范值1.35，因此能夠驗(yàn)證此設(shè)計(jì)方案條件下防護(hù)后的邊坡為“穩(wěn)定”狀態(tài)，見(jiàn)圖4。經(jīng)防治后的邊坡土體最大應(yīng)力位于樁體后方的素填土層與黏土的接觸面上，見(jiàn)圖5?？够瑯稑俄斘灰屏繛?.21 mm，小于現(xiàn)行規(guī)范(《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》)要求，見(jiàn)圖6；抗滑樁最大剪力位于距樁底4 m處，其值為1 010.69 N，見(jiàn)圖7；抗滑樁最大彎矩位于距樁底9 m處(即：抗滑樁剪力值為零的地方)，其值為5 275.44 N·m；樁體所受的剪力及彎矩均較小，見(jiàn)圖8。因此，該邊坡所采用的防治方案是安全的。

圖6 抗滑樁樁頂位移圖

圖7 抗滑樁剪力圖

圖8 抗滑樁彎矩圖

2.3 總樁長(zhǎng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

為研究總樁長(zhǎng)的變化對(duì)邊坡防護(hù)效果的影響，設(shè)定出露樁長(zhǎng)一定(9.1 m)時(shí)，通過(guò)改變樁長(zhǎng)，建立對(duì)應(yīng)數(shù)值模型，研究邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)隨樁長(zhǎng)變化而變化的規(guī)律。分析成果見(jiàn)圖9～18。

圖9 邊坡安全系數(shù)圖(16 m)

圖10 邊坡安全系數(shù)圖(17 m)

圖11 邊坡安全系數(shù)圖(18 m)

圖12 邊坡安全系數(shù)圖(19 m)

圖13 邊坡安全系數(shù)圖(20 m)

圖14 邊坡安全系數(shù)圖(21 m)

圖15 邊坡安全系數(shù)圖(22 m)

圖16 邊坡安全系數(shù)圖(23 m)

圖17 邊坡安全系數(shù)圖(24 m)

圖18 邊坡安全系數(shù)圖(25 m)

根據(jù)邊坡安全系數(shù)值的變化，整理得表2。

表2 邊坡安全系數(shù)變化表

由圖9～18及表2可知，土體物理力學(xué)參數(shù)及樁體出露樁長(zhǎng)(9.1 m)一定時(shí)，邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)隨著總樁長(zhǎng)的增大而增大，當(dāng)總樁長(zhǎng)<18.0 m時(shí)，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)小于《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330-2013)中第5.3.2條規(guī)定的“永久邊坡的一般工況”的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)值(1.35)要求；根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330-2013)中第5.3.1條規(guī)定，認(rèn)定此時(shí)該邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)為“基本穩(wěn)定”狀態(tài)；此時(shí)若遇上持續(xù)降雨天氣，邊坡土體含水率升高、有效應(yīng)力減小、自重增加，邊坡可能存在欠穩(wěn)定；而當(dāng)總樁長(zhǎng)>18.0 m時(shí)，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)大于《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330-2013)中第5.3.2條規(guī)定的“永久邊坡的一般工況”的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)值(1.35)，說(shuō)明此時(shí)該邊坡為“穩(wěn)定”狀態(tài)，滿足邊坡穩(wěn)定安全性要求。

2.4 總樁長(zhǎng)對(duì)樁頂累積位移量的影響

研究總樁長(zhǎng)的變化對(duì)邊坡防護(hù)效果的影響，設(shè)定出露樁長(zhǎng)一定(9.1 m)時(shí)，通過(guò)改變樁長(zhǎng)，建立對(duì)應(yīng)數(shù)值模型，研究邊坡中抗滑樁的樁頂累積位移量隨樁長(zhǎng)變化而變化的規(guī)律。分析成果見(jiàn)圖19～28。

圖19 樁頂累積位移量圖(16 m)

圖20 樁頂累積位移量圖(17 m)

圖21 樁頂累積位移量圖(18 m)

圖22 樁頂累積位移量圖(19 m)

圖23 樁頂累積位移量圖(20 m)

圖24 樁頂累積位移量圖(21 m)

圖25 樁頂累積位移量圖(22 m)

圖26 樁頂累積位移量圖(23 m)

圖27 樁頂累積位移量圖(24 m)

圖28 樁頂累積位移量圖(25 m)

根據(jù)邊坡在不同樁長(zhǎng)時(shí)的樁頂累積位移量的變化，整理得表3和圖29。

表3 不同樁長(zhǎng)時(shí)樁頂累積位移量變化表

由圖19～28及表3可知，在總樁長(zhǎng)<21.0 m時(shí)，樁頂累積位移量隨著樁長(zhǎng)的減小而呈幾何式增大，此時(shí)樁頂位移量對(duì)樁長(zhǎng)的變化比較敏感；而根據(jù)《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(GB 50497-2009)的第8.0.4條中相關(guān)規(guī)定，該邊坡的累積水平位移量的監(jiān)測(cè)報(bào)警值界限值為25～30 mm，所以當(dāng)該邊坡的樁長(zhǎng)<17.0 m時(shí)，由于樁頂位移量過(guò)大，抗滑樁已失去對(duì)邊坡進(jìn)行支護(hù)的意義。

3 樁長(zhǎng)優(yōu)化分析

根據(jù)上節(jié)數(shù)值模擬結(jié)果分析可知，在樁長(zhǎng)出露長(zhǎng)度(9.1 m)不變的情況下，以總樁長(zhǎng)和邊坡安全系數(shù)值為坐標(biāo)軸，分析兩值所構(gòu)成曲線變化情況，見(jiàn)圖29。

圖29 邊坡安全系數(shù)變化示意圖

根據(jù)研究，該邊坡安全系數(shù)曲線變化規(guī)律滿足二項(xiàng)式曲線，對(duì)應(yīng)公式為y=-0.005 8x2+0.360 3x-3.155，相關(guān)系數(shù)R2=0.998 5，擬合效果良好。當(dāng)該邊坡安全系數(shù)值為臨界值1.35時(shí)，根據(jù)曲線公式計(jì)算得總樁長(zhǎng)約17.35 m。因此，此種情況的邊坡選取樁長(zhǎng)為17.35 m即能滿足邊坡安全系數(shù)值的要求。

根據(jù)樁頂位移量結(jié)果分析，在樁長(zhǎng)出露長(zhǎng)度(9.1 m)不變的情況下，以總樁長(zhǎng)和位移值為坐標(biāo)軸，分析兩值所構(gòu)成曲線變化情況，見(jiàn)圖30。

圖30 不同樁長(zhǎng)時(shí)樁頂累積位移量示意圖

根據(jù)圖30，當(dāng)樁長(zhǎng)選取16.0～18.0 m范圍時(shí)，抗滑樁樁頂位移量與樁長(zhǎng)構(gòu)成的曲線斜率變化較大；而樁長(zhǎng)為18.0～25.0 m范圍時(shí)，曲線斜率變化較?。划?dāng)樁長(zhǎng)>21.0 m時(shí)，曲線斜率變化可忽略，此時(shí)可視為直線。結(jié)合位移允許值，樁長(zhǎng)宜選取21.0 m長(zhǎng)度。

結(jié)合實(shí)際安全系數(shù)和位移量允許值要求，選取21.0 m長(zhǎng)度的總樁長(zhǎng)可比原設(shè)計(jì)方案所采用的22.0 m樁長(zhǎng)更能節(jié)約成本。

以上述樁長(zhǎng)優(yōu)化方案為路徑(樣板)，研究了原設(shè)計(jì)方案中各個(gè)抗滑樁樁長(zhǎng)的優(yōu)化空間，最終核算出每根樁的長(zhǎng)度能減小1.0～4.0 m不等，減少了防護(hù)工程約12.5%的工作量，明顯降低了整個(gè)工程資源投入，節(jié)約了建設(shè)資金。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)選取邊坡中的最不利斷面(設(shè)計(jì)圖中的23#樁位置，23#樁的總樁長(zhǎng)為22.0 m，出露樁長(zhǎng)為9.1 m)作為研究對(duì)象，通過(guò)建立經(jīng)過(guò)防護(hù)后的邊坡的Midas/GTS二維數(shù)值模型，分析防護(hù)后的邊坡穩(wěn)定性和樁體的受力情況，進(jìn)而判定該建設(shè)方案的工程效果，計(jì)算結(jié)果表明：經(jīng)過(guò)防治后的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.937 5，遠(yuǎn)大于規(guī)范值1.35，說(shuō)明該邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)為“穩(wěn)定”狀態(tài)，即經(jīng)過(guò)防治后的邊坡穩(wěn)定安全。同時(shí)，樁體所受的剪力及彎矩均較小。因此，該邊坡所采用的防治方案是安全合理的。

(2)設(shè)定抗滑樁出露樁長(zhǎng)一定(9.1 m)時(shí)，通過(guò)改變總樁長(zhǎng)，建立相應(yīng)的Midas/GTS二維數(shù)值模型，研究邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)隨樁長(zhǎng)變化而變化的規(guī)律，研究結(jié)果表明：在地層的物理力學(xué)參數(shù)及樁體出露樁長(zhǎng)(9.1 m)一定的情況下，邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)隨著總樁長(zhǎng)的增大而增大，其變化規(guī)律滿足二項(xiàng)式曲線，對(duì)應(yīng)公式為y=-0.005 8x2+0.360 3x-3.155，相關(guān)系數(shù)R2=0.998 5，即說(shuō)明所采用的擬合曲線與實(shí)際情況幾乎是完全吻合。當(dāng)該邊坡斷面的總樁長(zhǎng)<17.35 m時(shí)，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)小于規(guī)范值，邊坡穩(wěn)定性不滿足要求。

(3)只有總樁長(zhǎng)≥21.0 m時(shí)，才能滿足規(guī)范對(duì)樁頂累積位移量的要求；選取樁長(zhǎng)為21.0 m時(shí)，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)值滿足要求，抗滑樁樁頂位移量也在允許值范圍內(nèi)。故理論上選取21.0 m長(zhǎng)度的總樁長(zhǎng)既能保證邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，又可比原設(shè)計(jì)方案所采用的22.0 m樁長(zhǎng)更能降低工程造價(jià)，提高了工程效益。

(4)通過(guò)類似方案的優(yōu)化，新優(yōu)化方案比原設(shè)計(jì)方案節(jié)約了12.5%的工程費(fèi)用，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。本文邊坡穩(wěn)定性分析和設(shè)計(jì)方案優(yōu)化是具有實(shí)際意義的。