梁志榮，劉靜德，李 偉，魏 祥，陳新喜，李 赟，余少樂

(1 上海申元巖土工程有限公司， 上海 200011； 2 中國建筑第八工程局有限公司， 上海 200135)

0 概述

高陡邊坡的加固治理在山地建筑、公路、鐵路及水利工程較為常見，其對(duì)于工程建設(shè)的安全十分重要。針對(duì)高陡邊坡加固治理所遇到的難題，巖土工作者開展了大量研究[1-6]。由于邊坡工程通常僅需考慮邊坡安全問題，所以多數(shù)研究主要著眼于邊坡穩(wěn)定性分析及穩(wěn)定性控制方面。

目前，僅部分學(xué)者針對(duì)邊坡開挖誘發(fā)的卸荷松弛變形控制做過研究。羅杰等[7]采用地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)和數(shù)值分析，研究了預(yù)加固技術(shù)在邊坡開挖變形控制中的應(yīng)用。周華等[8]針對(duì)烏東德水電站泄洪洞出口左側(cè)邊坡坡面發(fā)生較大變形的問題，采用三維數(shù)值模擬研究邊坡變形機(jī)理，并據(jù)此提出邊坡加固治理方案。

然而，部分建筑工程會(huì)與高陡邊坡之間存在共同作用，邊坡的變形會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的次生應(yīng)力，若不加以控制，將會(huì)嚴(yán)重影響主體結(jié)構(gòu)的工程造價(jià)，甚至威脅主體建筑的安全[9]。變形控制是這類高陡邊坡加固設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，需要進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)與計(jì)算分析。

本文結(jié)合上海深坑酒店(簡稱深坑酒店)項(xiàng)目邊坡加固工程，采用三維動(dòng)力有限單元法，分析預(yù)應(yīng)力錨索+錨桿加固邊坡的變形特性，探討基于變形控制的高陡邊坡加固設(shè)計(jì)方法，可為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

深坑酒店地上2層、地下16層，其中主體建筑依深坑邊坡而建，主體建筑基礎(chǔ)落于坑底，頂部搭建于坑頂基礎(chǔ)上，坑頂有裙房，建筑整體呈倒“L”形搭建于上海市西郊古城松江的天馬山廢棄礦坑邊坡上。天馬山廢棄礦坑占地面積約為36 800m2，長約280m，寬約220m，坑深最大處約80m，上寬下窄，坡度陡峭，坡角約為80°。圖1為天馬山廢棄礦坑原狀。

圖1 天馬山廢棄礦坑原狀

深坑酒店是世界上首個(gè)建于廢棄礦坑內(nèi)的五星級(jí)酒店，繼中國國家體育館“鳥巢”、國家游泳中心“水立方”之后入選美國國家地理頻道《偉大工程巡禮》。本項(xiàng)目邊坡支護(hù)要求高、工程地質(zhì)條件復(fù)雜，國內(nèi)外均缺少相關(guān)工程實(shí)踐可供參考。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地層分布

深坑酒店位于長江三角洲入海口東南前緣，地貌屬于上海地區(qū)四大地貌單元中的湖沼平原與天馬山剝蝕殘丘邊緣兩種類型。項(xiàng)目場地地層主要分為坑頂覆蓋層與基巖層?；鶐r由侏羅系上侏羅統(tǒng)黃尖組天馬山地區(qū)中偏酸性火成巖組成，巖性較為單一，自上而下可分為全風(fēng)化安山巖、強(qiáng)風(fēng)化安山巖、中風(fēng)化安山巖、微風(fēng)化安山巖。高邊坡巖體以安山巖為主，較硬巖居多，邊坡巖體裂隙較發(fā)育，風(fēng)化不太強(qiáng)烈。

圖2為場地內(nèi)典型地質(zhì)剖面。需要說明的是，根據(jù)裙房勘察剖面及現(xiàn)場踏勘，天馬深坑坑邊土層厚度最薄，自坑邊向外，土層厚度逐漸增大。深坑酒店坑頂裙房基礎(chǔ)底絕對(duì)標(biāo)高約-3.000m，坑上口土層已挖除，坡面均為巖體。

圖2 典型地質(zhì)剖面圖

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造調(diào)查，深坑酒店邊坡巖體普遍發(fā)育三組原生節(jié)理裂隙。第一組傾向72°～116°裂隙組，大體走向北北西或北北東，傾角61°～81°，裂面較平直，寬2～30mm，裂隙一般無充填，一般長2.0～4.0m，少數(shù)長5.0～7.0m，節(jié)理間距為30cm左右。第二組傾向175°～192°裂隙組，北東東或北西西走向，傾角70°～86°，裂面平直，寬5～50mm，裂隙一般無充填，一般長1.0～3.0m，少數(shù)長10.0m，節(jié)理間距為lm左右。第三組傾向9°～18°裂隙組，北西西走向，傾角10°～21°，裂面平直，寬2～20mm，裂隙一般無充填，一般長1.5～3.0m，少數(shù)長8.0m，節(jié)理間距為30cm左右。圖3是深坑酒店巖質(zhì)邊坡典型節(jié)理裂隙發(fā)育情況。

圖3 邊坡巖體節(jié)理裂隙

2.3 場地地震條件

深坑酒店項(xiàng)目抗震設(shè)防烈度為7度，地震分組為第一組，基本地震加速度值0.10g，特征周期0.35s。

3 邊坡加固設(shè)計(jì)

3.1 邊坡加固設(shè)計(jì)原則

深坑酒店邊坡工程安全等級(jí)為一級(jí)，邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年。

由于深坑酒店的主體結(jié)構(gòu)建于深坑內(nèi)，深坑邊坡長期穩(wěn)定性和抗震穩(wěn)定性對(duì)酒店的安全特別重要。同時(shí)深坑酒店主體建筑依深坑邊坡而建，主體建筑基礎(chǔ)落于坑底，頂部搭建于坑頂基礎(chǔ)上，坑頂有裙房，主體建筑結(jié)構(gòu)對(duì)邊坡變形特別敏感?？紤]結(jié)構(gòu)的抗震安全，深坑酒店主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)單位明確要求小震作用下坑底與坑頂相對(duì)位移的最大值不超過18mm、大震作用下不超過120mm。

因此，深坑酒店邊坡工程不僅對(duì)邊坡穩(wěn)定性控制要求高，而且對(duì)邊坡變形，特別是坑底與坑頂相對(duì)位移控制要求極為嚴(yán)格。邊坡抗震設(shè)計(jì)應(yīng)驗(yàn)算大、小震工況下邊坡穩(wěn)定性及變形控制。

3.2 邊坡加固設(shè)計(jì)方案

圖4 邊坡加固典型剖面

4 邊坡三維動(dòng)力有限元分析

深坑酒店呈倒“L”形建于采石坑內(nèi)，其特殊的結(jié)構(gòu)形式導(dǎo)致主體建筑對(duì)于邊坡變形特別敏感。因此，變形控制，特別是地震工況下坑底與坑頂相對(duì)位移控制，是深坑酒店項(xiàng)目邊坡加固的重點(diǎn)與難點(diǎn)。通常的邊坡加固主要采用極限平衡法進(jìn)行設(shè)計(jì)，重點(diǎn)關(guān)注邊坡穩(wěn)定性，難以滿足深坑酒店邊坡加固變形控制的要求。為此，邊坡加固設(shè)計(jì)中對(duì)小震及大震作用下邊坡的變形特性進(jìn)行二維及三維動(dòng)力有限元數(shù)值模擬分析。限于篇幅，本文以大震工況的三維動(dòng)力有限元數(shù)值模擬分析為例進(jìn)行介紹。

4.1 邊坡動(dòng)力有限元分析模型

三維動(dòng)力有限元分析模型包括深坑及其周邊巖土體。網(wǎng)格劃分中，巖土體及結(jié)構(gòu)面弱化層采用六面體等參有限單元模擬，坑周單元分布密集，密集范圍內(nèi)的單元最大尺寸不超過2m×2m×2m，密集范圍內(nèi)單元總數(shù)為178 660。模型邊界條件采用CIN3D8無限單元模擬。整體模型巖土體共采用240 793個(gè)單元模擬，246 566個(gè)節(jié)點(diǎn)，見圖5。

圖5 三維有限元模型網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分中，錨桿、預(yù)應(yīng)力錨索均采用桿單元模擬。需要說明的是，掛網(wǎng)噴射混凝土用于坡面防護(hù)，不影響邊坡受力變形特性，邊坡有限元分析中未對(duì)噴射混凝土進(jìn)行建模。

4.2 邊坡動(dòng)力有限分析輸入荷載

有限元分析輸入荷載包括靜力荷載與地震荷載。靜力荷載包括：1)坑頂裙房基底荷載為130kPa，作用于基底標(biāo)高-3.000m；2)地面超載30kPa；3)坑口及坑底結(jié)構(gòu)荷載，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果確定。

地震發(fā)生時(shí)，通常以縱波和橫波的方式在地球內(nèi)部傳播，進(jìn)而作用于上部的建筑物，其中橫波是造成破壞的主要原因。因此，動(dòng)力有限元分析中采用模型底部輸入震動(dòng)加速度的形式模擬地震荷載。圖6為大震作用下基巖加速度時(shí)程曲線。

圖6 大震作用下基巖加速度時(shí)程曲線

4.3 邊坡動(dòng)力有限元分析力學(xué)參數(shù)

考慮到邊坡巖體節(jié)理裂縫相當(dāng)發(fā)育，巖塊室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果與巖體參數(shù)差值較大，結(jié)合工程及研究經(jīng)驗(yàn)，對(duì)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行折減得到有限元分析所采用的巖土體力學(xué)參數(shù)[10]，其中靜彈性模量折減80%，巖塊強(qiáng)度參數(shù)黏聚力c折減90%，內(nèi)摩擦角φ折減30%～40%。邊坡有限元分析中巖土體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示，括號(hào)內(nèi)數(shù)據(jù)為室內(nèi)試驗(yàn)巖塊的力學(xué)參數(shù)。

有限元分析中，預(yù)應(yīng)力錨索、錨桿彈性模量取為220GPa，密度取為7 800kg/m3，預(yù)應(yīng)力錨索施加2 000kN的預(yù)應(yīng)力。

邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù) 表1

4.4 大震作用下邊坡加速度響應(yīng)分析

圖7為大震作用下原狀邊坡加速度時(shí)程曲線。由圖7可知，大震作用下，邊坡巖土體加速度響應(yīng)沿高度方向呈放大趨勢，在巖層頂面處放大約2倍，在土層頂面處放大約4倍；巖層軟弱結(jié)構(gòu)面處邊坡加速度響應(yīng)放大較為明顯；土體的加速度放大效應(yīng)較巖體更為顯著。加固后邊坡的加速度變化規(guī)律與加固前基本一致，不再贅述。

圖7 大震作用下原狀邊坡加速度時(shí)程曲線

4.5 大震作用下邊坡動(dòng)位移響應(yīng)分析

圖8為大震作用下原狀邊坡水平位移時(shí)程曲線。由圖8可知，大震作用下，未加固邊坡巖層頂?shù)淖畲笏轿灰萍s30mm，土層頂?shù)淖畲笏轿灰萍s130mm；考慮水平位移相位差，坑底與坑頂(巖體)相對(duì)水平位移約40mm，坑底與坑頂(土體)相對(duì)水平位移約140mm，超過主體建筑變形控制要求，需要采取可靠的邊坡加固措施，以保證結(jié)構(gòu)安全。

圖9為大震作用下加固邊坡水平位移時(shí)程曲線。由圖9可知，大震作用下，未加固邊坡巖層頂?shù)淖畲笏轿灰萍s15mm，土層頂?shù)淖畲笏轿灰萍s70mm；考慮水平位移相位差，坑底-坑頂(巖體)相對(duì)水平位移約20mm，坑底-坑頂(土體)相對(duì)水平位移約80mm，滿足主體建筑變形控制要求。

對(duì)比圖8與圖9中加固前后邊坡動(dòng)位移、坑底與坑頂相對(duì)位移動(dòng)力有限元計(jì)算結(jié)果，采用預(yù)應(yīng)力錨索+錨桿加固后，邊坡動(dòng)位移及坑底與坑頂相對(duì)位移均大幅降低，這說明預(yù)應(yīng)力錨索+錨桿加固對(duì)改善邊坡動(dòng)位移響應(yīng)效果顯著，實(shí)現(xiàn)了邊坡變形控制的加固目的。

圖8 大震作用下原狀邊坡水平位移時(shí)程曲線

圖9 大震作用下加固邊坡水平位移時(shí)程曲線

圖10為加固前后大震作用下邊坡水平位移云圖。由圖可知，加固前后坡體的水平位移分布規(guī)律總體一致：坑頂水平位移較坑底水平位移大；坑頂水平位移與坑底水平位移之間存在相位差，這導(dǎo)致坑底與坑頂相對(duì)水平位移較大；相較于加固前，加固后邊坡水平位移明顯減小，這說明預(yù)應(yīng)力錨索+錨桿等支護(hù)結(jié)構(gòu)很好地約束了坡體位移變形，加固作用良好。

圖10 加固前后大震作用下邊坡水平位移云圖/m

4.6 大震作用下邊坡穩(wěn)定性分析

大震作用下邊坡穩(wěn)定性采用動(dòng)力有限元強(qiáng)度折減法分析得到。數(shù)值模擬中對(duì)邊坡巖土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)(黏聚力c及內(nèi)摩擦角φ)按折減系數(shù)R進(jìn)行折減，按下式計(jì)算得到新的抗剪強(qiáng)度參數(shù)c′與φ′[11]：

(1)

將c′與φ′重新輸入模型中進(jìn)行動(dòng)力有限元分析，直至邊坡達(dá)到失穩(wěn)狀態(tài)，將此時(shí)的折減系數(shù)R作為邊坡動(dòng)力穩(wěn)定性安全系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，大震作用下，加固前邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.0，加固后邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.4。計(jì)算結(jié)果表明，采用預(yù)應(yīng)力錨索+錨桿加固后，邊坡動(dòng)力穩(wěn)定性安全系數(shù)顯著提高，滿足邊坡抗震穩(wěn)定性控制要求。

4.7 加固前后邊坡穩(wěn)定性及變形分析

表2匯總了加固前后靜、動(dòng)力工況下邊坡的穩(wěn)定性及變形三維有限元分析結(jié)果。計(jì)算結(jié)果表明：支護(hù)后邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)提高，坑頂與坑底相對(duì)位移顯著降低，滿足穩(wěn)定性及邊坡變形控制要求，加固效果良好。

邊坡穩(wěn)定性及變形三維有限分析結(jié)果匯總 表2

5 結(jié)論

結(jié)合上海深坑酒店建設(shè)項(xiàng)目邊坡加固工程，探討基于變形控制的邊坡加固設(shè)計(jì)方法，通過引入三維動(dòng)力有限單元法對(duì)邊坡加固前后的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行模擬分析，研究加固前后邊坡變形特性及穩(wěn)定性，驗(yàn)證邊坡加固方案的可行性，主要結(jié)論如下：

(1)動(dòng)力有限元數(shù)值模擬表明，采用預(yù)應(yīng)力錨索+錨桿加固后，邊坡的動(dòng)位移、坑底與坑頂相對(duì)水平位移較加固前明顯降低，滿足變形控制要求。加固后邊坡的動(dòng)力穩(wěn)定性安全系數(shù)明顯提高，滿足抗震穩(wěn)定性要求。

(2)邊坡加速度響應(yīng)隨邊坡高度逐漸放大，土層的放大效應(yīng)較巖層更為明顯；巖層軟弱結(jié)構(gòu)面處邊坡加速度響應(yīng)放大較為明顯。

(3)采取預(yù)應(yīng)力錨索+錨桿的加固方案能很好地實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性控制及變形控制的加固目的，可為類似工程邊坡加固治理提供借鑒。