重慶山勢地形邊坡支護方案優化應用于工程中的綜合研究

陳 東， 唐 銘, 車汪速, 陳 翔, 方維娜

(成都建工第六建筑工程有限公司, 四川成都 610072)

作為我國西南及長江上游地區最大的經濟中心城市，重慶擁有著特殊的地勢環境。四周環繞的大巴山及武夷山，讓重慶的地勢自東南、東北、中至西部逐級降低。海拔2 796.8m的重慶巫溪縣陰條嶺距海拔73.1m的巫山縣長江水面，海拔高差達到了2 723.7m。因此在重慶特有的山勢地形上筑建工程，邊坡治理則是工程人首先面臨的第一難題。優化邊坡設計則成為了保證重慶建設項目獲得最佳的經濟、社會效益的基本方式之一。

本文依托我公司承建的“中航兩江體育公園E05-01/01”工程邊坡治理，結合現場工程地質、水文情況、施工機械條件、工藝標準要求，按照相關的行業規范和標準對該工程初期邊坡設計進行優化。制定出最合理的邊坡治理方案。

1 工程概況

1.1 工程概述

工程名稱：中航兩江體育公園E05-01/01；工程地點：重慶市渝北區龍駿大道中航小鎮內；邊坡全長：450m邊坡高差：17m;邊坡形式；土質邊坡、巖質邊坡；該邊坡治理工程安全等級為一級和二級，設計使用年限：50a。

需治理邊坡位于擬建場地南側呈“W”型。邊坡坡底為擬建住宅小區。

1.2 水文地質條件

工程場地土層有雜填土、粉土、黏土、粗沙等，降水范圍內的粗砂沙層的滲透系數均為10.0m/d。

本工程邊坡開挖處的地下水位在自然地面以下6.0m，施工期間地下水穩定，做降水設計時把地下水降至邊坡設計坑底以下1.0m，即該工程邊坡的實際降水深度為5.0m，降水范圍內的粗砂土透水性良好。

1.3 工程設計參數

根據本工程建筑場地的工程地質條件，地面下土的性質以及相關的巖土工程勘察報告，本設計所需要的數據可以按表1取值。

1.4 原邊坡工程設計及參數

根據地勘報告及超前鉆數據分析所得的原邊坡支護形式有：1∶2.0放坡+格構綠化、重力式擋墻、樁板擋墻、下部1∶1.0放坡+錨噴四種。在1∶2.0放坡+格構綠化段，邊坡為巖質邊坡，支護高度約10m，土質厚度1.0m，坡向約354 °，安全等級二級。在樁板擋墻段，邊坡為巖土混合邊坡及土質邊坡，支護高度在4.6～17.0m之間，土質厚度在4.0～8.4m范圍內，坡向約316～327 °邊坡安全等級為一級。在重力式擋墻段，邊坡為土質邊坡，土質厚約為3m，坡向約20 °，邊坡安全等級為二級。放坡+噴錨段，邊坡為巖土混合邊坡，支護高度為5.30～10.9m，土質厚約為0.8～1.2m,坡向約32 °，邊坡安全等級為二級。

1.5 現邊坡地質情況分析

BP1～BP3段原邊坡邊坡安全等級分別為二級，支護形式為1∶2放坡支護。但工程人員現場踏勘過程中發現施工現場該區段地質情況較差。采用網噴臨時支護的部分區域已經出現了開裂現象。為了保證工程安全，計劃調整邊坡支護方式，提升邊坡支護等級。

2 支護形式對比選擇

2.1 BP1～BP3段邊坡

結合超前鉆勘察報告數據分析，BP1～BP3段邊坡坡頂段雜填土層較厚，表層下6m處有地下水(非承壓水)。故結合表2數據做方案選型。

2.2 邊坡支護結構方案確定

因BP1～BP3段邊坡高差有10m且邊坡較高、坡度較大，開挖機械不易上坡頂，故不適合降低坡度繼續采用放坡開挖。因土釘墻支護及重力式圍護墻支護安全等級最高只有二級且對支護后方土體擾動較大，故不采用。因現場場地較窄，不便于旋挖機進場施工，且采用跳樁法及咬合施工造價成本太高，故不選用排樁擋墻支護。支護亦不適用。綜上所述，錨桿支護結構能保證邊坡變形小，抗滑移、抗傾覆能力強，安全系數大，且環境影響小，經濟、安全、適用。故本工程最終選用樁錨支護結構。邊坡支護結構初選方案分析見表3。

表1 邊坡設計所用各層土的設計參數

表2 BP1～BP3段各層土質情況(324.8～334.8)

3 結構設計

3.1 邊坡上部荷載

常用材料堆放荷載值見表4。所需材料需預先堆放于邊坡四周，根據工程經驗以及參考臨近工程，需要水泥約2 000袋，碎石800袋，砂800袋。參考表4，緊鄰邊坡開挖處荷載：

q=F/a·b=100kPa

(1)

式中：q為荷載值，kPa；F為重力，kN；a為基礎長，m；b為基礎寬，m。

3.2 邊坡支護分析

邊坡開挖支護結構如圖1所示。開挖深度10m，地下水距離地面6.0m處，本工程采取先降水再開挖。

圖1 邊坡支護立面(單位:m)

3.2.1 邊坡各土層土壓力系數

(2)

(3)

式中：Ka為主動土壓力系數；Kp為被動土壓力系數；φ為內摩擦角。

3.2.2 邊坡各施工段土壓力及支點

(1)邊坡開挖至如圖所示的B點，此時第一層錨桿還沒有施工，這時邊坡中的排樁墻處于懸臂狀態，在作設計時就按懸臂支護計算，由于此時的開挖深度只有2.5m，懸臂狀態這段在該設計中不作計算。

表3 各種邊坡支護結構方案

表4 常用材料堆放荷載值統計

(2)開挖到如圖2所示的C點時，已經布置第一層錨桿，但第二層錨桿仍然尚未施工，此時的支護結構處于單支點支護狀態，此時邊坡開挖深度h=6.0m，采用等值梁法計算B點的支撐反力。

(3)施工至C點時,計算簡圖如圖2所示，其中O點為開挖至C點時，開挖面以下土壓力為零的點。

圖2 邊坡ABC段土壓力及支點計算(單位：m)

(4)第一層錨桿施工完畢后，邊坡開挖深度至設計深度。

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

t0=u+x

(10)

式中：Pa為主動土壓力，kPa；Pp為被動土壓力，kPa；q為超荷載，kN；h為每層土深度，m；h0為支撐反力距離坑頂的距離，m；ai為主動土壓力距離坑頂的距離，m；u為土壓力為零點的位置距離坑底的距離，m；x為被動土壓力距離彎矩為零點的距離，m；t0為樁的最小貫入深度，m；Ra為支撐反力，kN；Qi為i處的剪力，kN；γ為土重度，kN/m3；Ea為主動土壓力，kPa。

PaB下=(γ1×h1+γ2×h2+q)×Ka2-

Pac上=(γ1×h1+γ2×h2+q)×.Ka2-

Ea1距離此時邊坡坑底開挖面的距離

Ea2距離此時邊坡坑底開挖面的距離：

此時邊坡開挖面處主動土壓力強度為：

PaC下=(γ1×h1+γ2×h2+q)×Ka3

=(18×2.5+20×3.5+100)×0.217=46.66kPa

此時邊坡開挖面處被動土壓力強度為：

ppC=0

假設此時邊坡開挖面以下u處主動土壓力強度為Pau，被動土壓力強度為Ppu。

=46.66+1.95×u

支護樁兩側主動和被動土壓力強度之差ΔP為：

ΔP1=PaC下-PpC=46.66kPa

ΔP2=Pau-Ppu=46.66-39.46×u=0

所以：

u=1.18m

邊坡開挖面以下u=1.18m處總壓力為：

所有合力對坑底開挖面以下u=1.18m處土壓力為零的點取矩，得：

Ea1×(b1+u)+Ea2×(b2+u)+

所以RB=316.78kPa

(3)邊坡開挖深度h=8.5m，此時邊坡支護為兩個支撐點，施工至D點時,計算簡圖如圖3所示，其中O點為開挖至D點時，開挖面以下土壓力為零的點。

圖3 邊坡ABCD段土壓力及支點計算(單位:m)

Ea3距離此時邊坡開挖面的距離為

=1.23m

此時邊坡開挖面處主動土壓力強度為PaD=51.54kPa

此時邊坡開挖面處被動土壓力強度為PpD=0

假設此時邊坡開挖面以下u處主動土壓力強度為Pau，被動土壓力強度為Ppu，

=51.54+1.95×u

ΔP1=PaD-PpD=51.54kPa

ΔP2=Pau-Ppu=51.54+1.95×u-41.41×u

=51.54-39.46×u=0

所以u=1.31m

邊坡開挖面以下u=1.31m處總壓力為

所有合力對坑底開挖面以下u=1.31m處土壓力為零的點取矩。

173.65×8.37+403.27×5.43+122.75×2.54+33.76×0.87-316.78×7.31-RC×3.81=0

∴RC=437.98kPa

(4)邊坡開挖深度h=10.0m，此時邊坡 支護為3個支撐點，施工至E點時,計算簡圖如圖4所示，其中O點為開挖至E點時，開挖面以下土壓力為零的點。

圖4 邊坡A～E段土壓力及支點計算(單位:m)

=54.47kPa

=79.51kPa

Ea4距離此時邊坡開挖面的距離為：

=0.74m

此時邊坡開挖面處主動土壓力強度為PaE=54.47kPa

此時邊坡開挖面處被動土壓力強度為PpE=0

假設此時邊坡開挖面以下u處主動土壓力強度為Pau，被動土壓力強度為Ppu。

=54.47+1.95×u

ΔP1=PaE-PpE=51.54kPa

ΔP2=Pau-Ppu=54.47+1.95×u-41.41×u

=54.47-39.46×u=0

所以：u=1.38m

邊坡開挖面以下u=1.31m處總壓力為

所有合力對坑底開挖面以下u=1.38m的O點處土壓力為零的點取矩

Ea1×(b1+h2+h3+u)+Ea2×(b2+h2+h3+u)+

=RB×(h2+h3+h4+u)+RC×

(h3+h4+u)+RD×(h4+u)

∴RD=35.72kPa

所有合力向B點取矩，計算剪力值Q=71.25kPa

剪力值為零的點彎矩值最大，設最大彎矩為Mmax，假設坑底開挖面以下z處剪力值為零。

(11)

此時所有合力向邊坡坑底面z=1.31m取矩

Ea1×(b1+h2+h3+z)+Ea2×(b2+h2+h3+z)+

Ea3×(b3+h4+z)+Ea4×(b4+z)+Ea×0.85

=RB×(h2+h3+h4+u)+RC×(h3+h4+u)+

RD×(h4+u)+Mmax

∴Mmax=-1.82kN·m

=2.27m

t0=u+χ=1.38+2.27=3.65m

3.3 支護計算

3.3.1 樁長計算

樁的最小入土深度t，根據JGJ120-2012《建筑邊坡支護技術規程》中4.1確定：

t=1.2t0

(12)

L=H+t0

(13)

式中：t0為樁嵌入土壓力為零的點以下的深度標準值，m；t為樁嵌入土壓力為零的點以下的深度設計值，m；L為樁長，m；H為覆土層以上的樁長，m。

由工程概況及式(11)、式(12)得：

t=1.2t0=1.2×3.65=4.38m

L=H+t0=10+4.38=14.38m

3.3.2 樁體配筋計算

根據JGJ120-2012《建筑邊坡支護技術規程》中4.9.11支護樁樁徑D確定多在500～1000mm，同時圓形截面的樁即可以用不對稱配筋，也可以采用對稱配筋。結合一期工程工程經驗，取支護樁樁徑D=800mm，樁距t=2.5D=2000mm，對稱配筋。在上述規范4.8.3中，樁體縱向配筋選用HRB400級螺紋鋼筋，直徑不宜小于φ16mm，選為φ22mm，fy=360N/mm2。箍筋選用HPB235級螺旋圓鋼，直徑為φ8mm，箍筋間距200mm,主筋HRB400級鋼筋，直徑為φ14mm,混凝土C30，fc=14.3N/mm2。

M=1.25γ0(D+t)Mmax

(14)

(15)

(16)

式中：M為截面彎矩設計值,kN·m；A為圓形截面面積，m2；As為全部縱向鋼筋的截面面積，m2；r為圓形截面半徑，m;rs為縱向鋼筋重心所在的圓周半徑，m；α為受壓區混凝土截面面積與全部縱筋截面面積的比值，m2。

αt為縱向受拉鋼筋截面面積與As的比值，αt=1.25-2α，當α>0.625時，取αt=0；α1為受壓區混凝土矩形應力與砼軸心抗壓強度設計值比；2fc為混凝土軸心抗壓強度設計值，kPa；fy為普通鋼筋抗拉強度設計值，kPa。

由規范對應公式得：

M=1.25γ0(D+t)Mmax=1.25×(0.8+2)×1.82

=6.37kN·m

式中比例系數α取經驗值0.33，α1=1.0，αt=1.25-2α1=0.59，將數據代入公式，解得樁體縱向受力筋可按最小配筋率配筋，選用10根直徑為φ28mm的三級鋼，A=5542mm2。

3.3.3 錨桿設計計算

根據JGJ120-2012《建筑邊坡支護技術規程》中4.7.8的第3條，錨桿傾角宜取15～25 °，且不應大于45 °，不應小于10 °，同時參考一期工程的工程資料，暫定水平面傾角均為20 °。通過支撐力的計算，以及JGJ120-2012《建筑邊坡支護技術規程》中4.7.9的第2條，本工程采用豎向三排錨桿。

對于樁間距確定，結合了土力學與結構力學。在邊坡工程中，樁后土壓力在水平方向上沿樁間土均勻分布，在豎向通常呈上小下大的三角形分布，因此在一定土層內結合工程概況分析便將土拱問題簡單化了。因此結合式(4)、式(14) ～式(16)得：

(17)

(18)

(19)

s=l+d

(20)

式中：β為樁后填土傾角；θ為拱角；δ為破壞面與最大主應力面的夾角；d為樁的直徑，m；s為樁中心間距，m；l為假設土跨度，m。

=0.714

故β=45.6°

因此：

所以根據式(18)～式(20)暫得樁間距為2.92(m)。根據JGJ120-2012《建筑邊坡支護技術規程》中4.7.8的第1條，同時參考一期工程的工程資料水平間距均按2m布置。

根據JGJ120-2012《建筑邊坡支護技術規程》中4.7.1的第1條，同時參考一期工程的工程資料，錨桿桿體材料均使用鋼絞線。錨固段直徑根據CECS22:89《土層錨桿設計與施工規范》中第2.3.3條公式：

(21)

式中：Nt為錨桿的設計軸向拉力，kN；K為安全系數，根據CECS22:89《土層錨桿設計與施工規范》中第2.3.2條，下表3.1錨桿安全系數表(表5)；fptk為鋼絲、鋼絞線強度標準值，根據CECS22:89《土層錨桿設計與施工規范》附錄四，下表3.2鋼絲、鋼絞線強度標準值(表6)。

表5 錨桿安全系數

根據場地土層情況，同時參考GB50330-2013《建筑邊坡工程技術規范》中的表7.2.3-2土體與錨固體粘結強度特征值，參見表3.2與3.3。結合工程地質信息得到第一排錨桿錨固體與土體間極限摩阻力標準值qs=100kPa，第二排錨桿錨固體與土體間極限摩阻力標準值qs=160kPa，第三排錨桿錨固體與土體間極限摩阻力標準值qs=50kPa，邊坡安全等級為二級(表7)。

表6 鋼絲鋼絞線強度標準值

表7 錨桿極限摩阻力標準值 kPa

土體內摩擦角(樁長范圍內)的加權平均值為：

對于錨桿的長度確定根據JGJ120-2012《建筑邊坡支護技術規程》中4.7.5中提供的算法。

(22)

(23)

式中：Lf為錨頭中點至邊坡底面以下的邊坡外側荷載標準值與內側抗力標準值相等出的距離，m；φk為各土層厚度加權的內摩擦角標準值；θ為錨桿與水平面的夾角；K為抗力安全系數，根據邊坡安全等級選取，一級邊坡取1.8，二級邊坡取1.6，三級邊坡取1.4；d為錨固體直徑，m；qs為土體與錨固體間黏結強度標準值，參考GB50330-2002《建筑邊坡工程技術規范》中的表7.2.3-2土體與錨固體粘結強度特征值，參見表3.2。

Lf=2.96m<5m,取Lf=5m。

由于第二層和第三層錨桿的Lt均小于第一層錨桿的Lt，所以其自由段長度均小于5m,所以第二層和第三層錨桿的自由段長度均取5m。

第一層錨桿水平抗力為：

Td=1.25γ0RA×2=1.25×1.0×316.78×2=791.95kN

錨桿的錨固段長度：

錨桿長度L=Lf+La=5+24=29m

第二層錨桿：錨桿水平抗力：

Td=1.25γ0RB×2=1.25×1.0×437.98×2=1094.95kN

錨桿的錨固段長度：

取La=21m

錨桿長度：L=Lf+La=5+21=26m

第三層錨桿：錨桿水平抗力：

Td=1.25γ0RC×2=1.25×1.0×35.72×2=89.3kN

錨桿的錨固段長度：

取La=6m

錨桿長度：L=Lf+La=5+6=11m

錨桿配筋圖如圖5所示。

圖5 錨桿配筋

3.4 樁錨支護結構施工設計

根據JGJ120-2012《建筑邊坡支護技術規程》中4.8中提供的錨桿支護施工步驟總結，施工順序總體如下：

支護排樁施工—樁頂冠梁施工—土方開挖至第一層錨桿標高下0.5m，然后掛網噴射排樁的樁間混凝土面層—逐層逐根施工錨桿—安裝腰梁和錨板，按要求逐根張拉至錨桿設計承載力的0.9～1.0倍后，再將錨桿進行鎖定—繼續開挖下一層土方并施工下一排錨桿直至邊坡開挖到設計坑底。

3.5 經濟指標

本工程的排樁、腰梁以及冠梁的鋼筋用量和錨索的鋼絞線的用量如表8所示。

表8 鋼筋及鋼絞線用量 kg

4 支護效果

4.1 邊坡穩定性分析目的

在邊坡開挖的時候，由于邊坡中的土體被挖出后，荷載減小，使地基應力場與變形發生一定的變化，可能會導致邊坡的穩定性下降。同時，在邊坡降水之后土體的自穩能力也會發生改變，從而導致邊坡開挖過程中預估穩定性下降，所以應該及時準確進行邊坡穩定性驗算：抗隆起驗算，抗傾覆驗算，以及抗滲流穩定性驗算。例如邊坡整體或局部的滑坡，邊坡底部的隆起以及涌沙等。所以進行邊坡的支護設計的時候，需要仔細驗算邊坡的穩定性，同時做好監測工作。必要時應該采取適當的加強和防范措施，使邊坡穩定性具有一定的安全度，保證邊坡開挖的整個過程是安全的。

4.2 邊坡穩定性驗算

4.2.1 抗傾覆穩定性驗算

通過規范JGJ120-2012《建筑邊坡支護技術規程》中第4.2.3查得公式：

(24)

(25)

式中：Ks為樁墻錨撐支護結構的抗傾覆穩定安全系數；MEp為支護結構底部以上被動側水土壓力對支護結構最底部點的彎矩，kN/m；MEa為支護結構底部以上主動側水土壓力對支護結構最底部點的彎矩，kN/m；Ti為第i個支撐對支護墻體的水平作用力，但錨桿按θ角設置時，Ti=Tkicosθ，其中，Tki為錨桿錨固力，kN；di為第i個支撐點至支護墻體底部的距離，m；si為第i個支撐的水平間距。

結合上部結構設計所得數據：

=106.4kN·m，MEp=0

故滿足要求。

4.2.2 抗隆起穩定性驗算

采用太沙基的地基承載力公式計算方法，通過規范JGJ120-2012《建筑邊坡支護技術規程》中第4.2.4查得公式：

(26)

(27)

(28)

式中：Kwz為抗隆起安全系數，采用太沙基公式時，要Kwz≥1.15～1.25；c為加權粘聚力，kN；γ1為坑內開挖面以下至圍護墻底，各土層重度加權平均值，kN；γ2為坑外地表至圍護墻底，各土層重度加權平均值，kN；Nc、Nq為地基承載力系數。

根據工程概況提供數據得：

γ1=21kN/m3,

查太沙基公式承載力系數表得：

Nc=25,Nq=12

因此滿足要求。

4.2.3 抗滲流穩定性驗算

通過規范JGJ120-2012《建筑邊坡支護技術規程》中附錄C滲透穩定性驗算中C.02查得公式：

(29)

式中：Kse為抗滲透安全系數，安全等級為二級Kse不小于1.5；D為截水帷幕底面至坑底的土層厚度，m；D1為潛水水面或承壓水含水層頂面至坑底面的土層厚度，m；γ′為土的浮重度，kN/m3；γw為水重度，kN/m3；Δh為邊坡內外的水頭差，m。

結合工程概況以及式(29)得：滿足所需要求。

綜上所得，邊坡的抗傾覆驗算，抗隆起驗算，抗滲流驗算均符合規范要求。故邊坡在理論設計中滿足穩定性要求。

5 結論

本論文結合中航兩江體育公園E05-01/01項目工程中臨時邊坡支護出現的開裂現象，結合超前鉆施工勘察報告及施工組織計劃，對局部區域的永久邊坡支護方案進行了優化。根據相關規范要求對各土層的土壓力做出了計算。對比各支護方案后，因地制宜的制定出采用樁錨支護的方案對邊坡進行加固。然后結合規范及參考文獻，通過算出每層樁所需的支撐反力，而得出樁所需打入深度為14.38m。錨桿傾角為20 °，采用三排豎向的形式布置，樁間距為2m。第一層錨桿長29m，第二層錨桿長26m，第三層錨桿長11m。依據GB50010-2010(2015版)《混凝土結構設計規范》按受彎構件配筋的要求對進而算出所需配筋，計算所得錨桿全采用7φ5的鋼絞線，而樁體則選用10根直徑為28mm的三級鋼。最終該部分邊坡的永久支護方案制定為樁錨支護。