劉海亭 張小輝 朱有祿 楊 鵬 聶守智

(1.中國有色金屬工業(yè)西安勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西西安 710054; 2.機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西西安 710043)

0 引言

近年來隨著經(jīng)濟(jì)的大力發(fā)展，工程建設(shè)越發(fā)頻繁，大規(guī)模地削山修路、建房等層出不窮，高陡邊坡的穩(wěn)定性問題尤為突出，多數(shù)邊坡結(jié)合經(jīng)驗(yàn)經(jīng)人工分級(jí)刷坡后仍存在安全隱患。然而影響邊坡穩(wěn)定性的因素較多，邊坡的變形破壞有多方面的因素，故對(duì)邊坡的分析和治理設(shè)計(jì)仍是一項(xiàng)重要課題[1-2]，大型邊坡往往還需建立大型監(jiān)測系統(tǒng)來監(jiān)測邊坡的穩(wěn)定狀況[3]。

以某地高邊坡為例，對(duì)局部變形的原因進(jìn)行分析，并對(duì)穩(wěn)定性進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。采用微型鋼管樁進(jìn)行治理，施工后采用檢測和監(jiān)測手段，在邊坡上建立較為完善的監(jiān)測系統(tǒng)，對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析和探討，為今后的高邊坡工程分析設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1 高邊坡基本特征

1.1 高邊坡特征

高邊坡位于小區(qū)房后。地處黃土沖溝底部，溝谷兩側(cè)山體陡立，溝壑發(fā)育，崩塌、滑坡、黃土洞穴等不良地質(zhì)作用較為發(fā)育。地層主要為填土(Q4ml)、第四系上更新統(tǒng)黃土(Q3eol)、第四系中更新統(tǒng)黃土(Q2eol)、新近系泥巖(N2)，共四層。2013年廉租房建設(shè)期間，對(duì)山體通過刷坡卸載+坡面防護(hù)+截排水+平臺(tái)綠化等措施進(jìn)行了治理，該邊坡長約250 m，坡高約50.0～70.0 m，共分為6～9級(jí)，每級(jí)邊坡高約8 m、坡比約1∶1，平臺(tái)寬度約6 m，1～4級(jí)邊坡采用拱形骨架護(hù)坡，平臺(tái)上設(shè)置了矩形排水溝(截面尺寸400 mm×400 mm)。受地形和地質(zhì)條件、降雨等影響，坡體穩(wěn)定性差，局部發(fā)生滑塌，坡面即平臺(tái)上出現(xiàn)多處裂縫，一級(jí)邊坡坡頂排水溝擠壓變形破壞嚴(yán)重，每級(jí)邊坡坡面溝蝕嚴(yán)重、植被遭受嚴(yán)重破壞。

1.2 變形特征

目前邊坡變形主要集中在邊坡北側(cè)(1-1剖面北)，見圖1，坡腳排水渠出現(xiàn)錯(cuò)段現(xiàn)象，一級(jí)邊坡頂部平臺(tái)(二級(jí)平臺(tái))上的排水渠被擠壓變形，一級(jí)邊坡坡頂和三級(jí)邊坡坡頂出現(xiàn)多條拉張裂縫，四級(jí)邊坡坡頂平臺(tái)上出現(xiàn)剪切裂縫，五級(jí)邊坡以上斜坡段出現(xiàn)多條拉張裂縫和剪切裂縫。

圖1 邊坡現(xiàn)狀全貌

2 高邊坡變形原因分析

北段邊坡一、二級(jí)邊坡坡面蘆葦茂盛，結(jié)合土工試驗(yàn)參數(shù)可知土體已趨于飽和，局部有水滲出，表現(xiàn)為多處拉張和剪切裂縫、排水渠擠壓變形和局部錯(cuò)斷等，分析原因?yàn)樵摱位鶐r面兩側(cè)高、中間低，古地形為凹型，地下水在該段匯集后，軟化坡腳土體，導(dǎo)致土體強(qiáng)度下降，誘發(fā)邊坡變形。根據(jù)水平位移監(jiān)測結(jié)果，邊坡在汛期變形加大，雖采取了回填措施，但之后再次發(fā)生裂縫，說明邊坡處于強(qiáng)變形階段。南段邊坡一、二級(jí)邊坡坡面蘆葦茂盛，結(jié)合土工試驗(yàn)參數(shù)可知土體已趨于飽和，局部有水滲出，前緣有小范圍滑塌。

3 穩(wěn)定性計(jì)算及分析評(píng)價(jià)

3.1 計(jì)算方法

穩(wěn)定性評(píng)價(jià)按《滑坡防治工程勘查規(guī)范》(GB/T 32864—2016)、《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330—2013)等規(guī)范綜合考慮，潛在滑裂面通過塌滑區(qū)影響范圍、軟件自動(dòng)搜索并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)等綜合因素確定，采用圓弧滑動(dòng)法計(jì)算安全系數(shù)，穩(wěn)定性分析方法采用Bishop法。

3.2 參數(shù)選取

在室內(nèi)常規(guī)試驗(yàn)成果的基礎(chǔ)上，參考收集的勘察資料和有關(guān)研究成果[4]，確定地層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。(見表1)

表1 穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)

3.3 穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

根據(jù)多年的觀測成果，飽和狀態(tài)按照雨水下滲最大達(dá)5 m計(jì)算。在工況Ⅰ—自重、工況Ⅱ—自重+暴雨兩種工況下進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算(見表2)，各剖面位置見圖2。

表2 穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

圖2 設(shè)計(jì)平面布置圖

4 治理思路及治理方案

潛在滑裂面剪出口集中在一級(jí)邊坡坡面或坡腳，可采用在一級(jí)平臺(tái)或一級(jí)邊坡坡腳設(shè)置微型樁或抗滑樁防護(hù)。坡腳因考慮到侵占大量土地資源，回填方量較大，故建議在一級(jí)平臺(tái)設(shè)置?？紤]到一級(jí)邊坡局部土體已趨于飽和，從經(jīng)濟(jì)、工期、施工難易程度考慮，采用微型樁支護(hù)更為方便。

根據(jù)規(guī)范及工程特點(diǎn)，安全等級(jí)綜合按一級(jí)考慮，故支護(hù)結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)按1.0考慮，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)一般工況取1.35，飽和工況取1.15。

綜合考慮采用刷坡卸載+微型鋼管樁+排水系統(tǒng)+綠化綜合治理方案[5]。

5 分項(xiàng)設(shè)計(jì)

5.1 刷坡卸載

鑒于北側(cè)邊坡頂部分布有較多的填土，變形嚴(yán)重，故對(duì)6級(jí)及以上邊坡進(jìn)行刷坡卸載，坡比1∶1，每級(jí)坡高按8.0 m進(jìn)行刷坡，平臺(tái)寬度根據(jù)地形綜合確定按12.0 m留設(shè)(見圖3),刷坡卸載后對(duì)剩余下滑堆力進(jìn)行了計(jì)算(見表3)。

圖3 刷坡前后邊坡整體主斷面設(shè)計(jì)圖

表3 刷坡卸載后剩余下滑推力計(jì)算

5.2 微型鋼管樁

在一級(jí)平臺(tái)處設(shè)置微形鋼管樁，樁距1.0 m，排距1.0 m，共4排，布設(shè)720根。樁頂設(shè)置C25鋼筋混凝土冠梁和連梁，冠梁和連梁尺寸為寬0.3 m，高0.3 m。為保護(hù)環(huán)境，在冠梁頂部覆蓋500 cm的種植土，回填壓實(shí)，壓實(shí)系數(shù)不小于0.95。

樁長15.0 m，樁直徑200 mm，內(nèi)插1D102×10 mm的熱軋無縫鋼管，孔內(nèi)注入M25水泥砂漿液。在設(shè)置微型鋼管樁位置上部下滑力為832.13 kN，按最不利原則考慮，滑坡推力由微形樁全部承擔(dān)，其安全系數(shù)計(jì)算公式為：

K=R1t/F

R1t=nτ1t

τ1t=[τ]A

式中：n為每米微型樁數(shù)量；τ1t為單樁允許抗剪強(qiáng)度；[τ]為鋼管抗剪強(qiáng)度(125 MPa)；A為鋼筋面積；F為支擋結(jié)構(gòu)處的剩余下滑力。

根據(jù)設(shè)計(jì)鋼管截面積為28.903 cm2，單樁允許抗剪強(qiáng)度361.3 kN，樁的抗剪斷安全系數(shù)自重狀況下為1.93，暴雨?duì)顩r為1.74?？紤]到注漿加固后可提高樁周土體的抗剪強(qiáng)度，同時(shí)排水作用對(duì)周圍土體的強(qiáng)度值也有所提高，故計(jì)算結(jié)果滿足要求。

5.3 排水系統(tǒng)

(1)排水溝

新刷坡段和一級(jí)平臺(tái)排水溝設(shè)計(jì)斷面同原有排水溝尺寸。

(2)仰斜泄水孔

在一、二級(jí)邊坡坡面布置4排泄水孔，孔內(nèi)安裝φ75 mmUPVC花管，用400 g/m2無紡?fù)凉げ及?層，并用14號(hào)鍍鋅絲綁扎結(jié)實(shí)。泄水孔水平間距3.0 m，排水管伸出坡面0.2 m，孔深25.0 m，上仰10°。

(3)填石盲溝

在一級(jí)邊坡坡腳設(shè)填石盲溝，在迎水側(cè)層厚按20 cm，填較細(xì)顆粒的粒料作為反濾層，滲溝的中部用較大碎石或卵石填筑。逐層的粒徑比例，由迎水面至背水面(即圖4由左至右)大致按4∶1遞減，頂層做封閉層，用滲水土工布鋪成，并在其上夯填厚度0.5 m的黏土防水層。

5.4 綠化工程

平臺(tái)采用喬灌草混播模式，選取當(dāng)?shù)剡m應(yīng)的鄉(xiāng)土樹種進(jìn)行綠化。新刷坡邊坡坡面均采用生態(tài)袋綠化，原有刷坡裸露邊坡采用爬山虎綠化。

圖4 主斷面局部設(shè)計(jì)圖(單位：mm)

6 檢測與監(jiān)測對(duì)比分析

6.1 檢測對(duì)比分析

通過注漿改良土體及設(shè)置鋼管樁，組成復(fù)合支擋結(jié)構(gòu)，故注漿效果是本項(xiàng)目的關(guān)鍵質(zhì)量控制點(diǎn)。注漿效果采用取土試驗(yàn)和勘察資料對(duì)比分析評(píng)價(jià)。注漿后穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)見表4。

表4 注漿后穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)

根據(jù)以上計(jì)算參數(shù)，進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表5、表6。

表5 刷坡后注漿前后計(jì)算結(jié)果

注：本表注漿前后暫未考慮微型樁的作用。

表6 樁的抗剪斷安全系數(shù)比對(duì)結(jié)果

注：設(shè)計(jì)值未考慮注漿效果，驗(yàn)證值考慮了漿液擴(kuò)散效果。

從表5中能得出，注漿后安全系數(shù)提高幅度在1.2%～8.4%，滑坡推力減少幅度10.4%～23.2%，由于設(shè)樁處土層厚度的差異，故存在幅度較大的變化是符合實(shí)際的。

根據(jù)表6數(shù)據(jù)對(duì)比，注漿效果顯著提高了土體的強(qiáng)度，自重安全系數(shù)提高幅度為52.3%，暴雨安全系數(shù)提高幅度為11.5%，安全性顯著提高。

6.2 監(jiān)測

變形監(jiān)測可以獲取邊坡變形規(guī)律和安全狀況，為判斷邊坡的安全狀況和穩(wěn)定性提供科學(xué)依據(jù)[6-7]。微型鋼管樁的應(yīng)力監(jiān)測采用電阻應(yīng)變片應(yīng)力監(jiān)測和表面應(yīng)變計(jì)監(jiān)測兩種形式。

電阻應(yīng)變片應(yīng)力監(jiān)測即在微型鋼管樁外壁布貼應(yīng)變片，求得微型鋼管樁的彎矩。監(jiān)測微型樁共3根，位于第2剖面。連接方式為四分之一橋工，每根樁沿樁長布設(shè)深度分別為1 m、2.8 m、4.7 m、6.5 m、8.4 m、10.2 m、12.1 m、14 m，補(bǔ)償片布設(shè)深度為6 m、13 m，監(jiān)測基準(zhǔn)點(diǎn)為水泥注漿時(shí)，監(jiān)測周期從混凝土初凝時(shí)間28 d開始，每隔15 d為一個(gè)監(jiān)測，共測試5次。將初始測得的應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)值，采用公式計(jì)算微型樁彎矩見圖5。

圖5 微型樁彎矩分布圖1

微型樁樁身變形隨樁身逐漸增大，在樁中位置達(dá)到峰值。最大彎矩達(dá)到550 N·m。微型樁初始監(jiān)測彎矩值較大，并隨著監(jiān)測周期的推進(jìn)，彎矩值變化逐漸趨于穩(wěn)定。

表面應(yīng)變計(jì)監(jiān)測即在樁身4 m、7.5 m、12.3 m處布設(shè)表面應(yīng)變計(jì)共3排6個(gè)表面應(yīng)變計(jì)，監(jiān)測微型樁共3根，位于第3剖面，共測試5次。采用振弦式頻率計(jì)實(shí)測樁身表面應(yīng)變，并計(jì)算樁身彎矩，監(jiān)測要求同上。以初始測得的應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)值，將表面應(yīng)變計(jì)的實(shí)測應(yīng)變數(shù)據(jù)換算為樁身彎矩，并繪圖見圖6。

圖6 微型樁彎矩分布圖2

微型樁樁深7.5 m位置出現(xiàn)峰值，此處樁身受力最大，峰值彎矩達(dá)到2600 N·m。微型樁表面所受應(yīng)力隨監(jiān)測周期拉長而逐漸增加，在錨固段出現(xiàn)了負(fù)值(受壓)，但錨固段所受應(yīng)力基本不變、彎矩增量很小，說明微型樁起到了抗滑樁的嵌固效果(見表7)。

設(shè)計(jì)計(jì)算的最大彎矩為206.824 kN·m，距樁頂8.7 m，最大剪力47.059 kN，距樁頂11.4 m(見圖7)。

表7 樁的彎矩值比對(duì)結(jié)果

注：設(shè)計(jì)值未考慮注漿效果，驗(yàn)證值考慮了漿液擴(kuò)散效果。

圖7 彎矩推力設(shè)計(jì)值計(jì)算圖

根據(jù)以上數(shù)據(jù)對(duì)比可知，注漿效果顯著提高了樁的抗彎強(qiáng)度，安全性顯著提高。

7 結(jié)論

(1)通過對(duì)高邊坡現(xiàn)狀調(diào)查、變形原因分析和計(jì)算參數(shù)選取，采用定量評(píng)價(jià)方式對(duì)高邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，認(rèn)為高邊坡處于基本穩(wěn)定—不穩(wěn)定狀態(tài)。

(2) 綜合分析采用分級(jí)刷坡卸載+微型鋼管樁+排水系統(tǒng)+綠化措施綜合治理方案。

(3)微型樁注漿加固后，得出注漿前后土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的變化，即抗剪強(qiáng)度指標(biāo)有所提高，內(nèi)摩擦角增幅尤為顯著。

(4)通過注漿加固后，分析比較注漿前后邊坡穩(wěn)定性變化情況，與設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較，安全系數(shù)明顯提高。

理論與實(shí)際監(jiān)測結(jié)果表明，邊坡的變形已基本趨于穩(wěn)定，且變形量級(jí)在安全容許范圍內(nèi)，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

8 展望

(1)針對(duì)高陡邊坡，目前《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》僅適用于土質(zhì)邊坡高度為15 m以下(含15 m)的建筑邊坡工程，超過該限定高度要求設(shè)計(jì)及施工應(yīng)進(jìn)行專門論證，而無準(zhǔn)確的適用范圍和詳細(xì)規(guī)定條文，有待專家及學(xué)者們繼續(xù)深入研究，盡早制定行之有效的規(guī)范條文，便于日后設(shè)計(jì)及施工。

(2)注漿效果的檢驗(yàn)有待進(jìn)行大量實(shí)際工程和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證比對(duì)，使設(shè)計(jì)更貼近于實(shí)際，達(dá)到節(jié)約成本的目的。