特殊土體邊坡安全性及加固措施分析

李揚(yáng) 寧曉駿 陳光楊 董福民 周操 周興林 張清旭

(昆明理工大學(xué) 昆明 650500)

0 引言

城市中一些特殊的地質(zhì)區(qū)域如邊坡、建筑物密集區(qū)等常常會(huì)有地下構(gòu)筑物穿越，構(gòu)筑物會(huì)承受復(fù)雜的外力作用，同時(shí)，邊坡和已有建筑物也會(huì)因?yàn)闃?gòu)筑物的施工受到擾動(dòng)[1]。在高邊坡的下部進(jìn)行隧道開挖是隧道施工中比較特殊的一種情況，隧道附近的邊坡會(huì)對(duì)隧道產(chǎn)生偏壓。同時(shí)，隧道的開挖擾動(dòng)也會(huì)對(duì)邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。本文通過(guò)建立二維及三維數(shù)值計(jì)算模型，依托重慶某實(shí)際隧道工程，分別分析邊坡在原始條件下及采用高壓旋噴樁加固后的穩(wěn)定性，為后續(xù)邊坡底部淺埋偏壓隧道的施工提供參考。

1 工程概況

整個(gè)場(chǎng)地上部主要由粘聚力為3 kPa的素填土構(gòu)成，中部夾層以強(qiáng)風(fēng)化泥巖為主，其次為粉質(zhì)黏土，下部主要為中風(fēng)化泥巖。本次計(jì)算分析主要針對(duì)隧道上部的邊坡部分，其主要成分為素填土，從隧道頂部到邊坡頂部的高度約50 m，隧道凈寬為13.25 m。由于上部素填土的粘聚力過(guò)小，在隧道施工過(guò)程中的擾動(dòng)可能造成滑坡，因此在隧道開挖前，擬采用高壓旋噴樁形成加固擋墻，對(duì)邊坡進(jìn)行加固。

2 模型概況

2.1 模型設(shè)置

選取邊坡較陡峭且土層隧道存在淺埋、偏壓的施工段作為算例，計(jì)算邊坡的安全系數(shù)，分析邊坡的潛在滑移模式并探究高壓旋噴樁加固擋墻對(duì)邊坡的支護(hù)作用。邊坡巖土交界面處存在一薄夾層，考慮到夾層的影響，本次計(jì)算分別考慮了有、無(wú)薄夾層情況下的邊坡穩(wěn)定性。邊坡穩(wěn)定性分析的計(jì)算模型如圖1所示。

(a)二維模型

2.2 物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)選取

本模型土體采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)，擋墻采用彈性本構(gòu)。根據(jù)勘察報(bào)告及文獻(xiàn)資料，確定物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 計(jì)算參數(shù)

表中各參數(shù)的選取依據(jù)如下：

(1)填土的彈性模量取為30 MPa，填土、粉質(zhì)黏土及強(qiáng)、中等風(fēng)化泥巖的力學(xué)參數(shù)依據(jù)地勘給出的建議值；

(2)依據(jù)復(fù)合地基設(shè)計(jì)理論及賈劍青等[2]、安關(guān)峰等[3]相關(guān)研究，綜合確定高壓旋噴樁形成的注漿加固墻體物理力學(xué)參數(shù)。

按照彈性力學(xué)理論，彈性模量與壓縮模量間存在如下關(guān)系：

(1)

式中，E為彈性模量；EP為壓縮模量；μ為泊松比。

若已知復(fù)合地基壓縮模量與泊松比，便可依據(jù)式(1)求出復(fù)合地基彈性模量。根據(jù)變形一致原則，采用《復(fù)合地基技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50783—2012)[4]中關(guān)于旋噴樁復(fù)合地基壓縮模量計(jì)算公式：

EPc=m·EPi+(1-m)·EP0

(2)

式中，EPc為旋噴樁復(fù)合地基壓縮模量；EPi為旋噴樁壓縮模量；EP0為土體壓縮模量；m為樁置換率。

將式(1)代入式(2)可推出復(fù)合地基彈性模量的計(jì)算公式：

(3)

式中，Ec為旋噴樁復(fù)合地基彈性模量；μc為復(fù)合地基泊松比。

在工程實(shí)例中，由地勘資料確定土體彈性模量E0=30 MPa，泊松比μ0=0.38，根據(jù)設(shè)計(jì)要求采用直徑為1 m的高壓旋噴樁進(jìn)行加固，旋噴樁按間距為3 m×3 m梅花形布置，樁土置換率m=0.087。依據(jù)相關(guān)資料，旋噴樁彈性模量Ei=10 400 MPa，泊松比μi=0.2，復(fù)合地基泊松比μc=0.3。

先根據(jù)式(1)分別計(jì)算旋噴樁及土體壓縮模量：

再將EPi、EP0代入式(3)可得復(fù)合地基彈性模量：

在考慮土體彈性模量為30 MPa，旋噴樁按間距為1.5 m×1.5 m、2 m×2 m、3 m×3 m梅花形布置(對(duì)應(yīng)樁置換率為0.349、0.196、0.087)的情況進(jìn)行組合，得到不同工況下的復(fù)合地基彈性模量如表2所示。

表2 不同工況下復(fù)合地基彈性模量統(tǒng)計(jì)

根據(jù)土體彈模為30 MPa，旋噴樁按間距為3 m×3 m梅花形布置，注漿加固墻體的彈模從偏安全角度考慮，認(rèn)為其參數(shù)能大致與C10混凝土相當(dāng)，則取Ec=2 500 MPa。

2.3 計(jì)算工況

邊坡穩(wěn)定性分析的計(jì)算工況如表3所示。加固圖1中的1、2、3、4區(qū)所對(duì)應(yīng)的區(qū)域，共計(jì)13種計(jì)算工況。

表3 計(jì)算工況

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.1 邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)

邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算結(jié)果如表4，計(jì)算結(jié)果表明：

表4 邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)

(1)隨著增設(shè)注漿加固墻體范圍的增加，邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)有所提高，安全系數(shù)最大值提高了0.12，提高比例為9%。

(2)當(dāng)存在的薄夾層為強(qiáng)風(fēng)化泥巖時(shí)，有無(wú)夾層對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響并不明顯。

(3)當(dāng)薄夾層弱化為粉質(zhì)黏土?xí)r，在有夾層的情況下，邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)有明顯降低，對(duì)比計(jì)算工況1與計(jì)算工況7可以看出，安全系數(shù)從1.256降低為1.146，降低比例達(dá)9%。

邊坡穩(wěn)定性分析安全系數(shù)折線如圖2所示。

圖2 不同計(jì)算工況安全系數(shù)對(duì)比

3.2 邊坡潛在滑移模式分析

不同計(jì)算工況下的邊坡潛在滑移模式如圖3所示。可以看出：①邊坡潛在滑移首先表現(xiàn)為淺層滑動(dòng)；②增設(shè)注漿加固墻體，會(huì)改變邊坡潛在滑移模式；③當(dāng)薄夾層為強(qiáng)風(fēng)化泥巖時(shí)，邊坡潛在滑移模式主要為淺層滑移，但當(dāng)弱化為粉質(zhì)黏土?xí)r，邊坡潛在滑移模式由淺層向深層發(fā)展，表現(xiàn)為沿軟弱夾層滑移。

(a)計(jì)算工況1

4 結(jié)論

基于Midas/GTS有限元分析軟件，建立數(shù)值計(jì)算模型，開展一系列數(shù)值模擬分析。依據(jù)計(jì)算結(jié)果，得出主要結(jié)論如下：

(1)在沒有隧道施工的情況下，除個(gè)別工況外，邊坡的安全系數(shù)均大于1.2，其穩(wěn)定性具有一定的安全儲(chǔ)備。

(2)由于填土黏聚力小，類似于砂土，邊坡潛在滑移首先表現(xiàn)為淺層滑移，增設(shè)注漿加固墻體后，會(huì)改變邊坡潛在滑移模式。

(3)三維模型與二維模型計(jì)算得出的規(guī)律基本一致。當(dāng)薄夾層為強(qiáng)風(fēng)化泥巖時(shí)，邊坡潛在滑移模式仍以淺層為表現(xiàn)特征，但當(dāng)弱化為粉質(zhì)黏土?xí)r，邊坡潛在滑移模式由淺層向深層發(fā)展，表現(xiàn)為沿軟弱夾層滑移。因此，施工時(shí)應(yīng)注意巖土交界面的情況，加強(qiáng)對(duì)邊坡的保護(hù)，采取防止雨水滲透和增加排水等措施。