雜填土邊坡預應力錨索加固方案對比分析

陳 丹，高 健，池麗敏

（南京市水利規劃設計院責任有限公司，江蘇 南京 210006）

雜填土邊坡預應力錨索加固方案對比分析

陳 丹，高 健，池麗敏

（南京市水利規劃設計院責任有限公司，江蘇 南京 210006）

雜填土邊坡在堆積之后不采取必要的加固措施，很容易產生地質災害。預應力錨索作為一種新型的邊坡支護手段，在邊坡加固邊坡取的較好效果。以預應力錨索的錨固傾角為控制對象，借助二維有限元軟件，對采用預應力錨索加固的雜填土邊坡穩定性進行了模擬分析，結果表明：在地下水位埋藏較深、高地下水位、降雨入滲以及地震情況四種工況下，伴隨著錨固傾角的增大，邊坡安全系數先是增大，然后開始減小。綜合分析考慮多種工況下的計算結果，當預應力錨索錨固傾角在26°左右時，加固后的邊坡安全系數相對較大，加固效果相對較好，為后期工程設計提供一定的參考依據。

雜填土；邊坡；預應力錨索；安全系數

0 引言

隨著國家經濟科技技術水平的提升，我國的城市建設也取得了巨大的進步。與此同時，城市中各類工程的大拆大建，也使得雜土等建筑垃圾日益增多。然而，城市中及城郊位置可以存放雜土的地域有限，回收處理或者運送到偏遠的農村等地則成本較高。因此，很多雜土多選擇就近依靠山坡或者凹地等直接堆填處理。任意堆填的雜填土往往不經壓實處理，大多具有堆積高度較高、坡度較陡、土體壓實強度不足、抗剪強度低、土質松軟且土層分布不均勻等一系列的特點。雜填土的高邊坡，如果在堆積之后不采取必要的加固措施，很容易產生局部坍塌、滑坡或者伴隨降雨產生泥石流等地質災害[1-3]。

因此，很有必要結合雜填土邊坡的特點采取必要的加固措施，以增加邊坡的穩定性和安全性。預應力錨索作為一種新型的邊坡基坑支護手段，在國內外眾多水利及巖土工程中取的較好的效果[4-8]，其主要是通過外加預應力的方法，將邊坡表面的滑動體錨固在基巖上，以此達到加固邊坡的目的。預應力錨索的傾角是錨索結構設計的一個主要參數，由于傾向的角度直接決定了預應力的施加方向，因此，錨索不同的傾角將會產生不同的加固效果。為了使錨索達到最優的加固效果，本文結合雜填土邊坡加固工程，借助數值模擬的手段進行了研究分析。

1 工程概況及加固方案

1.1 工程概況及地質情況

本文所研究工程為位于北京市某山山麓的一雜填土填埋場，該場地由于地處山腳的隱蔽位置，常年疏于管理，逐漸演變成為了當體的雜土填埋場，經過一年多的堆積，填土高度已超過20余米。雜土堆填前后邊坡的情況如圖中所示，經過現場踏勘，發現雜填土表層的土體相對比較松軟，堆填之后未采取任何加固措施，且雜土堆填之后沒有經過壓實，整個邊坡穩定情況堪憂，亟需進行加固處理。

經過地質勘測，給出了該處典型的地質斷面見圖1，其中層①為后期的雜填土，一般較為松散，極不均勻，主要為工地棄土；以沉積巖塊為主，粒徑差異很大，一般粒徑2～20 cm，最大粒徑大于100 cm；含部分粘性土，局部含少量磚雜、灰雜等，表層壓實度極低；層②為褐黃色，很濕，可塑，含少量云母、氧化鐵等，分布不均；層③為灰黃，巖芯較完整，呈短柱狀，采取率約60%～85%。

圖1 典型地質勘測斷面圖

1.2 加固方案及分析工況

結合典型地質斷面的工程地質情況，并參考類似項目的處理方法，該工程擬采用預應力錨索進行雜填土邊坡的后期加固處理。具體方案是首先將雜填土表面固結未完成的覆土，按照∶2的邊坡進行清除，然后，在新鮮的開挖面上，利用預應力錨索外加混凝土格構梁的型式進行加固。結合地質斷面情況，本工程中擬采用預應力錨索總長25 m，其中自由段長20 m，錨固段長5 m，錨索按照7m的間距呈梅花形布置。

針對預應力錨索錨固角度問題，規范中建議錨固角度一般在15°～30°范圍內，為了探究預應力錨索不同傾角對邊坡加固效果的影響，本文設置了傾角18°、22°、26°和30°四種不同的預應力錨索加固方案。由于該工程地處Ⅶ度地震區，且地下水位埋藏較深，結合工程現狀，主要計算分析四種工況下邊坡穩定性：（1）地下水位埋藏較深的情況，（2）地下水位平地面的情況，（3）降雨入滲的情況，（4）地震的情況。

2 計算模型及邊界條件

2.1 計算模型及材料參數

由雜土邊坡典型地質斷面可知，經過清理之后，邊坡高度為23.70 m，邊坡坡度為1∶2，破內基巖巖面線深約11.00 m，結合預應力錨索加固方案，利用有限元軟件建立了雜土邊坡的二維模型見圖2。計算模型中，土體材料大致劃分為兩層，基巖面上部土體大都為后期的雜填土，基巖下部為邊坡原始的基巖。為了便于計算分析邊坡的穩定性，土體材料模型采用傳統的摩爾—庫倫模型，各層土體的材料參數見表1。

圖2 預應力錨索加固設計斷面圖

表1 計算主要材料參數表

2.2 邊界條件

計算過程中，考慮邊坡的實際情況，在模型的底部設置豎直向的固定約束，在模型的左側設置水平向的固定約束。同時，針對降條件下的計算工況，充分考慮了邊坡在降雨過程中的滲流情況，在模型頂部施加了降雨強度的邊界條件，并且考慮了持續時長為3 h的強降雨過程；此外，在地震工況下邊坡穩定性分析時，設置地震水平向基本加速度值為0.20 g。

3 計算結果對比分析

借助有限元軟件，對上述四種不同工況下多種預應力錨索錨固角度的邊坡穩定性進行了計算，并就四種工況分析進行了討論分析。

3.1 地下水埋藏較深情況

通過數據處理，可以得到地下水位埋藏較深的情況下，不采取加固措施（見圖3），以及預應力錨索錨固角度分別為18°、22°、26°、30°時，加固后的邊坡安全系數值及最危險滑動斷面情況見圖4。由圖中數據可知，在地下水位埋深較深的情況，不采取加固措施時邊坡的安全系數僅為0.69，遠小于規范中針對邊坡安全系數的最小限值1.20。

圖3 無加固措施最危險滑弧示意圖

圖4 18°～30°預應力錨索加固后最危險滑弧示意圖

當用預應力錨索進行加固之后，邊坡安全系數得到明顯的提升，預應力錨索傾角為18°、22°、26°、30°時所對應的邊坡安全系數分別為1.509、1.642、1.673、1.602。由此可知，地下水埋藏較深情況時，不同錨固角度下雜土邊坡的安全系數存在一定的差異，差異值在0.164左右，伴隨著錨固傾角的增大，邊坡安全系數先是增大，然后開始減小。錨固傾角在26°左右時，邊坡安全系數最大為1.673，錨固傾角在18°左右時，邊坡安全系數最小為1.509。

3.2 高地下水位情況

通過數據處理，可以得到搞地下水位的情況下，不采取加固措施（見圖5），以及預應力錨索錨固角度分別為18°、22°、26°、30°時，加固后的邊坡安全系數值及最危險滑動斷面情況見圖6。由圖中數據可知，在高地下水位的情況，不采取加固措施時邊坡的安全系數僅為0.687，遠小于規范中針對邊坡安全系數的最小限值1.20。

圖5 無加固措施最危險滑弧示意圖

圖6 18°～30°預應力錨索加固后最危險滑弧示意圖

當用預應力錨索進行加固之后，邊坡安全系數得到明顯的提升，預應力錨索傾角為18°、22°、26°、30°時所對應的邊坡安全系數分別為1.549、1.628、1.700、1.591。由此可知，地下水埋藏較深情況時，不同錨固角度下雜土邊坡的安全系數存在一定的差異，差異值在0.151左右，伴隨著錨固傾角的增大，邊坡安全系數先是增大，然后開始減小。錨固傾角在26°左右時，邊坡安全系數最大為1.700，錨固傾角在18°左右時，邊坡安全系數最小為1.549。

3.3 降雨入滲情況

通過數據處理，可以得到搞地下水位的情況下，不采取加固措施（見圖7），以及預應力錨索錨固角度分別為18°、22°、26°、30°時，加固后的邊坡安全系數值及最危險滑動斷面情況見圖8。由圖中數據可知，在高地下水位的情況，不采取加固措施時邊坡的安全系數僅為0.590，遠小于規范中針對邊坡安全系數的最小限值1.20。

圖7 無加固措施最危險滑弧示意圖

圖8 18°～30°預應力錨索加固后最危險滑弧示意圖

當用預應力錨索進行加固之后，邊坡安全系數得到明顯的提升，預應力錨索傾角為18°、22°、26°、30°時所對應的邊坡安全系數分別為1.673、1.846、1.817、1.783。由此可知，地下水埋藏較深情況時，不同錨固角度下雜土邊坡的安全系數存在一定的差異，差異值在0.173左右，伴隨著錨固傾角的增大，邊坡安全系數先是增大，然后開始減小。錨固傾角在22°左右時，邊坡安全系數最大為1.846，錨固傾角在18°左右時，邊坡安全系數最小為1.673。

3.4 地震情況

通過數據處理，可以得到搞地下水位的情況下，不采取加固措施（見圖9），以及預應力錨索錨固角度分別為18°、22°、26°、30°時，加固后的邊坡安全系數值及最危險滑動斷面情況見圖10。由圖中數據可知，在高地下水位的情況，不采取加固措施時邊坡的安全系數僅為0.422，遠小于規范中針對邊坡安全系數的最小限值1.00。

圖9 無加固措施最危險滑弧示意圖

圖10 18°～30°預應力錨索加固后最危險滑弧示意圖

當用預應力錨索進行加固之后，邊坡安全系數得到明顯的提升，預應力錨索傾角為18°、22°、26°、30°時所對應的邊坡安全系數分別為0.793、0.815、0.830、0.825。由此可知，地下水埋藏較深情況時，不同錨固角度下雜土邊坡的安全系數存在一定的差異，差異值在0.037左右，伴隨著錨固傾角的增大，邊坡安全系數先是增大，然后開始減小。錨固傾角在26°左右時，邊坡安全系數最大為0.830，錨固傾角在18°左右時，邊坡安全系數最小為0.793。

4 結論

雜填土邊坡具有壓實強度不足、抗剪強度低、土層分布不均勻等一系列的特點，如果在堆積之后不采取必要的加固措施，很容易產生地質災害。預應力錨索作為一種新型的邊坡支護手段，在邊坡加固邊坡取的較好效果。本文以預應力錨索的錨固傾角為控制對象，借助二維有限元軟件，對采用預應力錨索加固的雜填土邊坡穩定性進行了模擬分析，結果表明：在地下水位埋藏較深、高地下水位、降雨入滲以及地震情況四種工況下，不同錨固角度的邊坡的安全系數存在一定的差異，伴隨著錨固傾角的增大，邊坡安全系數先是增大，然后開始減小。綜合分析考慮多種工況下的計算結果，當預應力錨索錨固傾角在26°左右時，加固后的邊坡安全系數相對較大，加固效果相對較好，為后期工程設計提供一定的參考依據。

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U417.1

B

1009-7716（2016）05-0134-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.05.037

2016-01-18

陳丹（1983-），女，江蘇靖江人，工程師，從事水工、水運工程設計工作。