考慮坡頂建筑荷載影響下的公路邊坡穩(wěn)定性分析*

魏小楠 吳維義 楊根蘭

(1.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴陽 550081； 2.貴州大學(xué) 貴陽 550025)

由于受特殊地形地貌影響，在貴州山區(qū)，大量居民建筑依山而建，當(dāng)居民建筑至邊坡坡頂邊緣的水平距離較近或坡頂建筑荷載較大時(shí)，可能導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性降低、邊坡滑裂面位置及滑動(dòng)范圍發(fā)生改變，從而導(dǎo)致邊坡發(fā)生過大變形或失穩(wěn)破壞，因此，在邊坡穩(wěn)定性分析中坡頂居民建筑一般不能忽略。目前，在有關(guān)坡頂荷載對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響的研究中，羅智[1]運(yùn)用Bishop法對(duì)不同分布形式的坡頂荷載作用下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了探討，總結(jié)出不同坡頂荷載位置、大小及長度變化下的邊坡穩(wěn)定性變化規(guī)律；夏曉慧[2]采用極限分析理論對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究并分析了條形基礎(chǔ)的各個(gè)參數(shù)與邊坡安全系數(shù)的關(guān)系；鄭允等[3]基于傳遞系數(shù)法，通過建立坡頂荷載作用下巖質(zhì)邊坡傾倒破壞地質(zhì)力學(xué)模型，提出了考慮坡頂荷載作用的邊坡傾倒破壞的解析分析方法，從而推導(dǎo)出了坡頂荷載作用下反傾邊坡坡腳剩余下滑力和維持邊坡穩(wěn)定所需要的支護(hù)力的計(jì)算公式；黃嘉等[4]以實(shí)際工程為例，將上部建筑荷載簡(jiǎn)化作用在樁基礎(chǔ)上，并分析了樁端進(jìn)入邊坡潛在破裂面以下和位于潛在破裂面以上2種情況下邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)，得到樁端進(jìn)入潛在破裂面以下時(shí)，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)比樁端位于潛在破裂面以上時(shí)提高4倍以上。上述學(xué)者多采用傳統(tǒng)的理論方法研究在坡頂荷載作用下的邊坡穩(wěn)定性，鮮有學(xué)者對(duì)不同開挖階段下邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。本文以貴州省某公路邊坡為例，在掌握邊坡地質(zhì)參數(shù)的前提下，采用FLAC3D軟件模擬邊坡在坡頂建筑荷載影響下的各開挖階段的穩(wěn)定性，以期為類似工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

該邊坡位于貴州某二級(jí)公路段內(nèi)，場(chǎng)區(qū)地貌類型為峰叢-溶蝕地貌，場(chǎng)地最低點(diǎn)絕對(duì)標(biāo)高約926.38 m，最高點(diǎn)絕對(duì)標(biāo)高約1 025.35 m，相對(duì)高差98.97 m，局部地形高差變化較大。

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，場(chǎng)區(qū)位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)，黔北臺(tái)隆，遵義斷拱，鴨溪向斜北翼，鴨溪向斜為北北東-南南西向向斜，未見有活動(dòng)性斷層通過，場(chǎng)區(qū)地質(zhì)構(gòu)造較簡(jiǎn)單，區(qū)域構(gòu)造較穩(wěn)定。上覆第四系黏土，厚度約為0.5 m，下覆為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P2l)炭質(zhì)頁巖，黑褐色，強(qiáng)風(fēng)化～中風(fēng)化，薄層～中厚層狀構(gòu)造，巖層產(chǎn)狀為172°∠45°，線路走向227°，巖體產(chǎn)狀與線路走向呈斜交，巖體較破碎，節(jié)理發(fā)育，無軟弱結(jié)構(gòu)面，其中強(qiáng)風(fēng)化層厚1.3～1.5 m。邊坡附近無江河流經(jīng)，地表水呈季節(jié)性變化，地下水類型主要為裂隙水，水文地質(zhì)條件較簡(jiǎn)單。根據(jù)GB 18306-2015 《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》，場(chǎng)區(qū)地震基本烈度為VI度。

該邊坡按原設(shè)計(jì)開挖后，將形成高32 m的3級(jí)邊坡，坡面均采用預(yù)應(yīng)力錨索框架梁防護(hù)，框架梁按3 m×4 m布置，梁截面為400 mm×400 mm，單根錨索設(shè)計(jì)錨固力800 kN，居民建筑基礎(chǔ)距離邊坡坡口線最近約2 m，當(dāng)逆向開挖至第二級(jí)坡腳時(shí)線路發(fā)生調(diào)整，使第一級(jí)邊坡坡頂距第二級(jí)邊坡坡腳距離由原設(shè)計(jì)的2 m調(diào)整為8 m，設(shè)計(jì)方建議繼續(xù)施加第二級(jí)邊坡的框架錨索。

邊坡典型斷面見圖1,邊坡支護(hù)措施的布置情況見圖2。

圖1 邊坡典型斷面設(shè)計(jì)防護(hù)圖

圖2 邊坡立面設(shè)計(jì)圖(原設(shè)計(jì))

2 計(jì)算模型及計(jì)算方案

2.1 計(jì)算模型建立

對(duì)邊坡典型斷面進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，取計(jì)算模型長80 m、豎直高35 m、厚度12 m；采用ANSYS-FLAC3D的建模思路，得到邊坡的三維計(jì)算模型，見圖3。

圖3 邊坡三維計(jì)算網(wǎng)格

該模型共有7 392個(gè)單元、34 671個(gè)節(jié)點(diǎn)。預(yù)應(yīng)力錨索與框架梁的建立方法參見文獻(xiàn)[5]，房屋荷載換算后分布在條形基礎(chǔ)上，最后采用apply nstress語句施加。模型底面固定，背面及左右兩側(cè)法向約束，坡體表面為自由面。

2.2 計(jì)算參數(shù)選取

將房屋荷載簡(jiǎn)化作用在基礎(chǔ)上,基礎(chǔ)為條形基礎(chǔ)(見圖4)，按照GB 50009-2012 《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[6]進(jìn)行簡(jiǎn)要計(jì)算如下。

房屋為2層的磚混結(jié)構(gòu)，墻厚度按二四墻考慮，墻高8 m，周長60 m，墻體材料為普通磚，重度為18 kN/m3；屋面為鋼筋混凝土現(xiàn)澆面板，厚20 cm，重度為24 kN/m3，則房屋永久荷載

W1=γV=0.24×60×8×18+0.2×12×8×24= 2 534.4 kN

(1)

作用在基礎(chǔ)上的荷載除永久荷載外，還有人為因素等造成的活荷載，同時(shí)還需考慮風(fēng)、雪等其他荷載，綜上，本居民建筑外荷載按2 kN/m2計(jì)算，最終得到外荷載

W2=2×12×8×2=384 kN

(2)

房屋基礎(chǔ)形式為0.5 m寬的條形基礎(chǔ)，將房屋荷載按均勻分布形式全部簡(jiǎn)化作用在基礎(chǔ)上(見圖5)，則基礎(chǔ)壓力

p=(2 534.4+384)/(60×0.5)=97.28 kPa

(3)

計(jì)算時(shí)按100 kPa考慮。

圖4 居民建筑基礎(chǔ)形式(單位:m)

圖5 基礎(chǔ)荷載分布

依據(jù)地勘報(bào)告與相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)確定邊坡坡體參數(shù)見表1；錨索及框架梁所取參數(shù)見表2、表3。

表1 巖土體力學(xué)參數(shù)

表2 框架梁計(jì)算參數(shù)

表3 錨索計(jì)算參數(shù)

2.3 計(jì)算方案

為驗(yàn)證原設(shè)計(jì)方案的合理性，根據(jù)邊坡的現(xiàn)場(chǎng)施工情況，先計(jì)算邊坡的初始位移、應(yīng)力場(chǎng)，然后考慮后期邊坡變形因素主要為開挖，因此需清除邊坡初始位移、應(yīng)力場(chǎng)，最后按逆作法分級(jí)開挖、分級(jí)支護(hù)，具體如下：

1) 按原設(shè)計(jì)開挖基準(zhǔn)線進(jìn)行計(jì)算。該方案具體分為4個(gè)小的計(jì)算方案，第一為按原設(shè)計(jì)開挖后坡面不支護(hù)(①方案)；第二為按原設(shè)計(jì)開挖后坡面均采用框架錨索支護(hù)(②方案)；第三為根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，在第三級(jí)邊坡坡面施加框架錨索，第一、二級(jí)不施工(③方案)；第四為得出坡頂荷載是否對(duì)邊坡的穩(wěn)定性存在不利影響，取消①方案坡頂荷載(④方案)。

2) 按現(xiàn)有開挖基準(zhǔn)線進(jìn)行計(jì)算。該方案具體分為4個(gè)小的計(jì)算方案，第一為按設(shè)計(jì)開挖后第二、三級(jí)坡面采用框架錨索防護(hù)(⑤方案)；第二為根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，只在第三級(jí)邊坡坡面施加框架錨索(⑥方案)；第三為坡面均不施加防護(hù)措施(⑦方案)，第四為邊坡開挖至前期開挖后邊坡坡面線就不再開挖，以此分析第一級(jí)邊坡開挖對(duì)第二、三級(jí)邊坡的穩(wěn)定性影響(⑧方案)。

3 結(jié)果與分析

采用強(qiáng)度折減法分別計(jì)算上述8種計(jì)算方案下邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)，將其繪制成圖6。

圖6 不同計(jì)算方案的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)

由圖6可見，①方案的穩(wěn)定安全系數(shù)1.15明顯小于④方案的穩(wěn)定安全系數(shù)1.27，由此得出在坡頂荷載作用下，邊坡穩(wěn)定性向不利方向發(fā)展；在原設(shè)計(jì)開挖基準(zhǔn)線下坡面均施加框架錨索后邊坡穩(wěn)定性滿足規(guī)范[7]要求，說明在該工況下原設(shè)計(jì)方案合理；當(dāng)按現(xiàn)有開挖基準(zhǔn)線進(jìn)行施工時(shí)，由⑥方案與⑧方案計(jì)算結(jié)果可知，由于第一級(jí)邊坡坡口線距第二級(jí)邊坡坡腳距離由原來的2 m變?yōu)榱? m，其開挖對(duì)第二、三級(jí)邊坡的穩(wěn)定性影響較小，加之第二、三級(jí)邊坡自身穩(wěn)定性良好，因此可取消第二級(jí)坡面設(shè)計(jì)的框架錨索。

邊坡最終施工方案(⑥方案)X方向的位移云圖如圖7所示，并運(yùn)用FISH語言編寫命令提取該計(jì)算方案下邊坡特征點(diǎn)的水平位移值(監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置情況見圖1)，繪制成圖8。

圖7 邊坡水平位移等值線圖(單位：m)

圖8 坡面監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移值

由圖7、圖8可見，優(yōu)化后邊坡的最大水平位移值較小，邊坡穩(wěn)定性良好，由此得出取消第二級(jí)坡面的框架錨索是可行的，同時(shí)，考慮優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)第三級(jí)邊坡坡面的框架錨索已全部施工完畢，利用其對(duì)邊坡加固不僅可以解決第三級(jí)邊坡巖體風(fēng)化等問題，同時(shí)可提高邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)，進(jìn)一步保障坡頂居民建筑的安全。

4 地表位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

地表位移監(jiān)測(cè)可以直觀反應(yīng)邊坡的變形情況。在本項(xiàng)目施工完畢后，根據(jù)邊坡現(xiàn)場(chǎng)工程條件，布設(shè)了3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面共計(jì)14個(gè)地表位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)(見圖2)對(duì)邊坡實(shí)施工后監(jiān)測(cè)，其中，1號(hào)監(jiān)測(cè)斷面的監(jiān)測(cè)成果見圖9、圖10。

圖9 X方向時(shí)間-位移曲線

圖10 Y方向時(shí)間-位移曲線

從圖9、圖10可見，邊坡在支護(hù)后的2016年9月8日-2017年2月13日期間，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移-時(shí)間曲線變化平穩(wěn)，說明期間邊坡穩(wěn)定性良好；2017年2月13日-3月18日期間，坡面各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移均發(fā)生突變，分析原因?yàn)檫吰轮ёo(hù)后受第一場(chǎng)連續(xù)大雨影響，坡體巖土體孔隙水壓力增大、有效應(yīng)力降低，邊坡發(fā)生了應(yīng)力調(diào)整，此時(shí)，地表巡視發(fā)現(xiàn)邊坡坡面多處出現(xiàn)了細(xì)微變形，期間根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況加密了觀測(cè)頻率，隨后監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)逐漸趨于平穩(wěn)，說明邊坡得到了有效的治理。

5 結(jié)論

1) 根據(jù)坡頂居民建筑的實(shí)際情況，將房屋荷載全部簡(jiǎn)化作用在條形基礎(chǔ)上，并按照GB 50009-2012 《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》對(duì)荷載作了簡(jiǎn)要計(jì)算，得到每延米基礎(chǔ)上的荷載為100 kPa。

2) 在原設(shè)計(jì)方案條件上，通過模擬相同工況時(shí)坡頂是否有居民建筑下的邊坡穩(wěn)定性狀況，得到考慮坡頂荷載時(shí)邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.15，小于不考慮荷載時(shí)的1.27，得出在坡頂荷載作用下，邊坡穩(wěn)定性將向不利方向發(fā)展。

3) 在改線后的設(shè)計(jì)方案條件下，由于第一級(jí)邊坡坡口線距第二級(jí)邊坡坡腳距離由原來的2 m變?yōu)榱? m，其開挖對(duì)第二、三級(jí)邊坡的穩(wěn)定性影響可以忽略，加之第二、三級(jí)邊坡自身穩(wěn)定性良好，因此可取消第二級(jí)坡面設(shè)計(jì)的框架錨索，從而節(jié)約大量的工程建設(shè)成本。

4) 邊坡施工完畢后，為保障道路安全運(yùn)營與居民建筑安全，在坡面布設(shè)了3條監(jiān)測(cè)斷面，共計(jì)14個(gè)地表位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，邊坡在施工后一直穩(wěn)定，直到第一場(chǎng)連續(xù)大雨時(shí)坡面位移才發(fā)生突變，但其后逐漸恢復(fù)平穩(wěn)，由此得出優(yōu)化后的邊坡治理方案合理。