包頭某建設(shè)場(chǎng)地隱伏邊坡穩(wěn)定性分析及其加固

郭 銳

（遼寧有色勘察研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110013）

0 引言

近年來，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，人民的生活水平逐漸提高，人們對(duì)居住條件的改善有著強(qiáng)烈的需求，從而使得居民住宅、棚戶區(qū)改造等工程呈現(xiàn)出一片欣欣向榮的景象。由于大面積的工程建設(shè)，造成城市土地資源不足，開發(fā)者逐漸將視線轉(zhuǎn)向工礦廢棄地等過去常常被忽視的廢棄土地。包頭某建設(shè)場(chǎng)地屬于棚戶區(qū)改造項(xiàng)目區(qū)，正位于采砂場(chǎng)廢棄地，由于過去的無(wú)序開采，造成采砂邊坡不規(guī)則且高而陡立，極不穩(wěn)定，采坑回填后使得采砂邊坡成為場(chǎng)區(qū)隱伏邊坡。作為工程建設(shè)場(chǎng)地，該邊坡的穩(wěn)定性不僅決定了工程建設(shè)的安全，也與當(dāng)?shù)厝嗣裆?cái)產(chǎn)安全息息相關(guān)，因此對(duì)該隱伏邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)顯得尤為重要。目前，邊坡穩(wěn)定性分析的方法主要有極限平衡法、數(shù)值分析法以及非確定性方法，其中極限平衡法建立在嚴(yán)格的巖土力學(xué)理論之上，推導(dǎo)嚴(yán)謹(jǐn)，理論完善，在巖土工程中被廣泛使用[1]。極限平衡法目前主要包括瑞典圓弧法、簡(jiǎn)化Bishop法、簡(jiǎn)化Janbu 法、Morgenstern-Princer 法等。其中瑞典圓弧法是最為著名的一種方法，其計(jì)算結(jié)果往往偏小，故所得的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)偏于安全[2]。本文針對(duì)該建設(shè)場(chǎng)地隱伏邊坡的現(xiàn)狀及其工程地質(zhì)條件，采用瑞典圓弧法對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果采取相應(yīng)的加固措施，對(duì)加固后隱伏邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，以便于指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)和施工。

1 邊坡概述

擬研究邊坡位于包頭市昆北街道辦事處邊墻壕村建設(shè)棚戶區(qū)改造項(xiàng)目場(chǎng)地西側(cè)，該邊坡系露天取砂開挖形成，目前由粉土、礫砂以及建筑垃圾和生活垃圾等回填壓覆，邊坡屬隱伏邊坡。

根據(jù)邊坡勘察資料以及雜填土回填前場(chǎng)地實(shí)測(cè)地形圖，擬評(píng)價(jià)邊坡高度在19.5~25.5 m，長(zhǎng)約85 m，該邊坡坡面不規(guī)整，整體呈臺(tái)階式，由坡面和平臺(tái)組成，第一級(jí)臺(tái)階高6.0~11.8 m，坡面坡比為1∶1.9~1∶1.5；第二級(jí)臺(tái)階高13.5~16.7 m，坡面坡比為1∶0.75~1∶1.11。該邊坡地層主要為礫砂，上部有少量粉土。后期人工回填雜填土壓覆，其中邊坡北段壓覆土料主要為粉土和礫砂，偶見建筑垃圾和生活垃圾，密實(shí)度為稍密；而南段壓覆土料中建筑垃圾和生活垃圾占比在40%~50%，其余部分為粉土和礫砂，成分復(fù)雜，結(jié)構(gòu)松散。邊坡內(nèi)未見地下水。

目前，該隱伏邊坡所在場(chǎng)地為包頭某棚戶區(qū)改造項(xiàng)目建設(shè)場(chǎng)地，為了保證建設(shè)場(chǎng)地的穩(wěn)定性，需要對(duì)該隱伏邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，分析結(jié)果若不穩(wěn)定，則需要加固，并對(duì)加固后邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

2 場(chǎng)地邊坡現(xiàn)狀穩(wěn)定性分析

2.1 邊坡穩(wěn)定性分析思路

擬研究邊坡系場(chǎng)區(qū)內(nèi)取砂開挖形成，現(xiàn)在已由雜填土回填壓覆，該邊坡屬于隱伏邊坡，按照常規(guī)的邊坡穩(wěn)定性分析思路對(duì)該隱伏邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)難以達(dá)到目的。

本文根據(jù)擬研究邊坡實(shí)際情況以及擬建棚戶區(qū)改造項(xiàng)目特點(diǎn)、工程建筑規(guī)模、荷載情況和場(chǎng)地工程地質(zhì)條件，同時(shí)考慮擬建高層建筑將主要以場(chǎng)區(qū)內(nèi)礫砂作為基礎(chǔ)持力層，對(duì)擬研究隱伏邊坡進(jìn)行概化還原，將后期回填采坑土料作為壓坡腳材料考慮，對(duì)于超過隱伏邊坡頂面的回填料根據(jù)其堆積厚度按附加荷載考慮，最后考慮擬建高層建筑對(duì)邊坡頂面產(chǎn)生的附加荷載，對(duì)該隱伏邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

考慮到該邊坡南段壓覆土料垃圾含量大，且結(jié)構(gòu)松散，此外該段有高層建筑物荷載直接作用其上，故本研究選取該段剖面作為研究對(duì)象。

2.2 穩(wěn)定性計(jì)算工況確定

影響邊坡穩(wěn)定性的因素有多種[2]，其中降雨[3]、外部荷載[2,4]及地震[5]等是其中最為重要的因素，也是本建設(shè)場(chǎng)地最為關(guān)注的安全因素。對(duì)于該隱伏邊坡，考慮其現(xiàn)狀回填壓覆荷載、降雨和地震荷載，分析其在坡頂擬建建筑物荷載作用下的穩(wěn)定性，具體計(jì)算工況如下：

工況1：邊坡現(xiàn)狀（自重）+附加荷載

工況2：邊坡現(xiàn)狀（自重）+附加荷載+降雨

工況3：邊坡現(xiàn)狀（自重）+附加荷載+地震

其中附加荷載包括擬建高層建筑產(chǎn)生的荷載和回填壓覆土料產(chǎn)生的荷載。本次穩(wěn)定性分析中，擬研究邊坡段主要承受高層住宅樓荷載和回填壓覆土料附加荷載影響，其中高層住宅樓最高為25+2層，每層產(chǎn)生的地基壓力按20 kPa計(jì)算，其產(chǎn)生的總附加壓力為540 kPa，正位于坡頂及坡面回填土料之上，分布寬度為30 m；回填壓覆土料平均厚度為2 m，自重按16 kN/m3考慮，則附加荷載為32 kPa，分布于坡面及坡底對(duì)應(yīng)回填土頂部，距離坡頂18.63 m。

對(duì)于降雨條件，研究區(qū)24 小時(shí)最大降雨量為100.8 mm，則該區(qū)24 小時(shí)最大降雨強(qiáng)度為0.00117 mm/s。采用滲流計(jì)算考慮降雨條件。

由于地震對(duì)邊坡的不良影響主要是由水平地震力引起的，因此，本次在地震荷載作用下的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算僅考慮水平地震力，采用擬靜力法進(jìn)行。擬研究邊坡所在地區(qū)抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度，基本地震動(dòng)峰值加速度為0.20 g，綜合水平地震系數(shù)為0.05，則考慮地震荷載為0.05 W（W為自重）。

2.3 穩(wěn)定性計(jì)算方法

由于該隱伏邊坡為土質(zhì)邊坡，其滑動(dòng)破壞形式為沿坡體內(nèi)土體呈圓弧狀或似圓弧狀滑動(dòng)面向下滑動(dòng)，故本次穩(wěn)定性計(jì)算方法采用規(guī)范[6]推薦的圓弧滑動(dòng)法。

瑞典圓弧法使用圓弧滑裂面，該法假設(shè)條塊間的作用力對(duì)圓弧滑動(dòng)面的法向應(yīng)力分布無(wú)影響，僅考慮垂直力的作用，其抗滑力與下滑力之比為計(jì)算安全系數(shù)Fs：

其中，孔隙水壓力Nwi=γwhiwLicosαi；滲透壓力產(chǎn)生的平行于滑面的分力TDi：

滲透壓力產(chǎn)生的垂直于滑面的分力RDi：

式中：Wi為第i條塊的重量（kN/m）；γw為水的重度（kN/m3）；ci為第i條塊的內(nèi)聚力（kPa）；?i為第i條塊內(nèi)摩擦角（°）；Li為第i條塊滑面長(zhǎng)度（m）；αi為第i條塊地下水流向（°）；qi為作用于第i條塊頂面的附加荷載（kPa）；A為地震加速度；Ks為計(jì)算穩(wěn)定性系數(shù)。

2.4 計(jì)算模型的建立

對(duì)于該隱伏邊坡，本次計(jì)算根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地形和巖土工程勘察資料，并結(jié)合擬建棚戶區(qū)改造項(xiàng)目工程場(chǎng)地平面布置，選取該邊坡南段最危險(xiǎn)剖面作為本次穩(wěn)定性計(jì)算斷面，并經(jīng)過合理概化，具體計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算概化模型Fig.1 Generalized model for slope stability calculation

2.5 穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)的選取

本次穩(wěn)定性計(jì)算所用計(jì)算參數(shù)來自擬研究邊坡巖土工程勘察資料，其中回填土料（雜填土）物理力學(xué)參數(shù)結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)確定，具體穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)

2.6 穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

本文基于加拿大GeoStudio Slope/W 計(jì)算軟件，并采用瑞典圓弧法，對(duì)該隱伏邊坡按工況1、工況2 和工況3 三種運(yùn)行工況分別進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖2-4和表2所示。

表2 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

圖2 工況1下邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果Fig.2 Calculation results of slope stability under Condition 1

圖3 工況2下邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果Fig.3 Calculation results of slope stability under Condition 2

圖4 工況3下邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果Fig.4 Calculation results of slope stability under Condition 3

從上述計(jì)算結(jié)果可以看出：該隱伏邊坡在三種運(yùn)行工況下的穩(wěn)定性系數(shù)均小于規(guī)范要求的最小安全系數(shù)，說明其在坡頂工程荷載作用下，分別考慮降雨、地震荷載條件時(shí)均處于不穩(wěn)定狀態(tài)。若作為建設(shè)場(chǎng)地，在外部附加荷載影響下可能引發(fā)隱伏邊坡滑動(dòng)，從而造成建設(shè)場(chǎng)地隆起，進(jìn)而地基滑動(dòng)破壞，故該建設(shè)場(chǎng)地需要加固。

3 邊坡加固及其穩(wěn)定性分析

為了保證該隱伏邊坡所在棚戶區(qū)改造項(xiàng)目場(chǎng)地的安全穩(wěn)定，保障項(xiàng)目實(shí)施順利進(jìn)行，本研究采用抗滑樁對(duì)該邊坡進(jìn)行加固。抗滑樁采用鋼筋混凝土灌注樁，樁徑700 mm，樁長(zhǎng)25 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30，樁距6 m，共設(shè)3 排，排距7 m。抗滑樁加固后，邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果如圖5-7和表3所示。

表3 加固后邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

圖5 工況1下加固后邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果Fig.5 Calculation results of slope stability after reinforcement under Condition 1

圖6 工況2下加固后邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果Fig.6 Calculation results of slope stability after reinforcement under Condition 2

圖7 工況3下加固后邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果Fig.7 Calculation results of slope stability after reinforcement under Condition 3

從上述計(jì)算結(jié)果可以看出：該隱伏邊坡在實(shí)施抗滑樁加固后，在擬建建筑附加荷載作用下，考慮降雨、地震荷載條件時(shí)穩(wěn)定性系數(shù)與現(xiàn)狀穩(wěn)定性相比有顯著增加，三種運(yùn)行工況下穩(wěn)定性系數(shù)均大于規(guī)范要求的最小安全系數(shù)，是安全穩(wěn)定的，可見加固措施有效，邊坡加固后可以作為某棚戶區(qū)改造建設(shè)項(xiàng)目場(chǎng)地。

4 結(jié)論

在邊坡巖土工程勘察的基礎(chǔ)上，充分考慮該邊坡隱伏的特殊性，分析其上工程建設(shè)后所承擔(dān)的荷載類型，確定合理的計(jì)算工況，根據(jù)土質(zhì)邊坡的破壞模式選取最適宜的穩(wěn)定性計(jì)算方法，從而對(duì)場(chǎng)地現(xiàn)狀及其加固后隱伏邊坡進(jìn)行三種運(yùn)行工況下的穩(wěn)定性計(jì)算，并得出結(jié)論如下：

（1）該隱伏邊坡在在三種運(yùn)行工況下計(jì)算穩(wěn)定性系數(shù)均小于規(guī)范要求的最小安全系數(shù)，是不安全的，需要對(duì)其進(jìn)行加固。

（2）該隱伏邊坡在采用鋼筋混凝土抗滑樁加固后，其三種運(yùn)行工況下的穩(wěn)定性系數(shù)均大于規(guī)范要求的最小安全系數(shù)，是安全穩(wěn)定的，加固措施有效，適宜工程建設(shè)。