蘭州徐家灣某邊坡治理工程二次加固措施研究

陳秀清,王寶玉,魏金龍,閆 飛

(1.蘭州資源環境職業技術大學地質與珠寶學院,甘肅 蘭州 730022;2.甘肅智廣地質工程勘察設計有限公司,甘肅 蘭州 730010)

蘭州市地形狹長,是典型的山地-河谷城市,近年來由于氣候條件的變化以及人類活動的加劇,邊坡滑坡、崩塌等地質災害時有發生,蘭州已成為我國地質災害最為嚴重的省會城市之一[1-2]。采取有效的支護方式對邊坡進行加固成為邊坡治理工程的重中之重[3]。目前,針對邊坡和基坑穩定性問題,石鈺鋒等[4]應用數值模擬方法對緊鄰鐵路偏壓基坑的變形進行了系統研究;王啟云等[5]對臨近深基坑的邊坡變形進行了動態監測與分析;Chen等[6]對斜坡基巖上的基坑開挖變形進行了數值模擬分析;任東興等[7]基于ABAQUS研究了降雨入滲對于基坑邊坡穩定性的弱化機理;董輝等[8]通過室內人工強降雨對不同坡度下碎石土邊坡的變形特征進行了相關研究;Zhang等[9]調查研究了開挖邊坡變形破壞的觸發因素;Lei[10]針對人工開挖對黃土邊坡穩定性造成的影響進行了數值模擬研究;Kong等[11]在考慮地震荷載情況下分析了人工開挖對邊坡穩定性的影響。

但現有的研究成果主要是對邊坡和基坑的穩定性進行分析,對邊坡和基坑在支護工程實施后整體穩定性不足情況下的變形特征以及后期二次加固措施的研究較少。鑒于此,本文以蘭州市徐家灣項目X9邊坡支護及坡腳基坑工程為背景,通過對該邊坡變形的長期監測,對支護后的邊坡位移及支護效果進行了分析,并針對邊坡支護工程穩定性不足問題提出了二次加固的思路及措施,最后采用數值模擬方法對該邊坡治理工程二次加固措施的有效性進行了驗證,以期為類似邊坡治理工程提供參考方案。

1 工程概況

蘭州徐家灣邊坡治理工程位于蘭州市城關區黃河北岸徐家灣,X9邊坡位于徐家灣北側,為巖質邊坡,走向呈東—西向。經邊坡治理與下部基坑工程改造,現狀邊坡分為三級:最下部一級邊坡為工程建設開挖形成的最高約23 m的人工邊坡,一級邊坡平臺寬為10～15 m;二級邊坡為災害治理形成的人工邊坡,主要工程為抗滑樁,邊坡高約15 m;三級邊坡為自然斜坡。蘭州徐家灣X9邊坡總高為140 m,寬為232 m,坡度為30～50°,坡向為210°。

該邊坡無工程覆蓋區域出露的地層主要為變質巖,受風化作用以及金城關斷裂的影響,巖體破碎,節理裂隙發育,表層巖體產狀不明顯,下部中分化層產狀為175°∠43°,坡體中下部表面披覆有一層2 m厚的碎石土,坡腳低洼處為殘坡積土,邊坡前緣為前期邊坡和基坑治理工程,坡腳規劃有居民住宅樓。蘭州徐家灣某邊坡全貌,如圖1所示。

圖1 蘭州徐家灣某邊坡全貌Fig.1 Overall view of a slope in Xujiawan,Lanzhou

2 邊坡治理工程現有加固措施及效果分析

2.1 邊坡治理工程現有加固措施

本文選取蘭州徐家灣某邊坡治理工程K370截面進行計算分析,該截面處邊坡以及下部基坑已進行加固處理,已施作支護如圖2所示。其中,上部邊坡治理工程為抗滑樁加錨索支護,樁長為25 m,樁心距為6 m,嵌固深度為10 m,懸臂長度為15 m,樁斷面為2 m×3 m矩形;下部基坑總深度為23 m,分兩級支護,上段坡(二級坡)高為6 m,按永久工程考慮,采用錨索框架格構支護,格構間距為2.5 m,共布設5排錨索,下段坡高為16 m,采用錨索排樁加固,樁間布設1排3束ΦS15.2 mm鋼絞線預應力錨索,錨索長度為21～23 m。

圖2 蘭州徐家灣某邊坡治理工程既有支護結構示意圖 Fig.2 Existing supporting structure diagram of a slope treatment project in Xujiawan,Lanzhou

2014年5月該邊坡治理工程開始實施,同年6月基坑支護工程開工,2016年基坑支護工程側坡出現變形,同期上部邊坡支護抗滑樁出現變形,如圖3所示。

圖3 蘭州徐家灣某邊坡K370截面處抗滑樁外傾Fig.3 Extroversion of anti-slide piles at section K370 of a slope in Xujiawan,Lanzhou

該邊坡的變形主要表現為坡面坡積層、風化層的滑動和既有抗滑樁的位移變形,如圖4所示。基坑支護工程變形主要集中在上部錨索框架區域,表現為錨索大面積脫錨,下部錨索排樁段也存在部分脫錨、樁間土溜滑等現象,故對下部基坑采取了快速反壓的應急處置措施,反壓處置后對基坑支護工程變形進行了長期監測。

圖4 蘭州徐家灣某邊坡抗滑樁位移變化圖Fig.4 Variation diagram of anti-slide pile displacement of a slope in Xujiawan,Lanzhou

2.2 邊坡變形監測數據分析

基坑和邊坡支護工程出現變形后,采取了快速反壓的應急處理工程措施進行臨時處置,反壓處置后對邊坡和已實施的治理工程從2018年1月開始監測,對抗滑樁從2018年3月開始監測,分別對邊坡坡體的水平位移和垂直位移進行監測以及對部分抗滑樁的水平位移和垂直位移(沉降)進行監測,每個月采集數據進行分析,截至2020年12月,邊坡和抗滑樁變形已經監測約34個月。該邊坡坡體位移監測點平面位移量示意圖,如圖5所示。

注:位移量為2018年3月10日至2020年12月30日的累計位移量。圖5 蘭州徐家灣某邊坡坡體位移監測點平面位移 量示意圖Fig.5 Plane displacement diagram of displacement monitoring points of a slope in Xujiawan, Lanzhou

本文選取該邊坡部分典型抗滑樁及坡體位移監測曲線進行分析,如圖6和圖7所示。

圖6 蘭州徐家灣某邊坡典型抗滑樁樁頂位移監測曲線Fig.6 Typical anti-sliding pile displacement monitoring curves of a slope in Xujiawan,Lanzhou

由圖6可以看出:

1) 該邊坡各抗滑樁沉降變形速率在前期發展較快、后期逐漸趨于平穩。這是由于監測初期,邊坡整體已出現蠕動變形下滑,坡體下滑力較大,加之基坑內快速反壓回填的土方量較少且處于虛填狀態,不能提供足夠的抗滑力,致使邊坡蠕動變形持續;監測后期,基坑內的回填土方在自然沉降和邊坡下滑綜合作用下逐漸密實,加之根據變形趨勢后續增加了基坑內回填土方量,致使邊坡坡腳整體抗滑力增加,原始邊坡與坡腳反壓回填土形成整體,邊坡蠕動趨于穩定,其變形趨于緩慢。

2) 從抗滑樁最終沉降變形量來看,該邊坡K370截面處抗滑樁樁頂沉降量最大,最大沉降量為76.9 mm,后期抗滑樁樁頂沉降速率減緩至0.03 mm/d。

3) 該邊坡抗滑樁各抗滑樁樁頂水平位移監測曲線和沉降監測曲線類似,抗滑樁樁頂水平位移速率也表現為前期發展較快、后期逐漸趨于平穩的趨勢。

通過分析該邊坡部分典型坡體位移監測點位移監測曲線(圖7)可知:該邊坡坡體各監測點水平位移變形同樣經歷了初期發展迅速、后期逐漸趨于穩定的過程;從坡體各監測點最終沉降變形量來看,坡體S6監測點水平位移量最大,最大水平位移量為409.5 mm,后期坡體沉降速率減緩至1.75 mm/d;坡體各監測點豎向沉降整體較為穩定,豎向沉降發展一年后逐漸趨于穩定,最大沉降值為83.8 mm,后期坡體沉降速率減緩至0.17 mm/d。

在監測前期階段,該邊坡抗滑樁樁頂和坡體位移均出現大幅度變化,考慮可能原因為蘭州雨季時間主要集中在6～8月份,該時段雨水較多,為此本文統計了蘭州市2018年的降雨量,該年份降雨量直方圖如圖8所示。

圖8 蘭州市2018年降雨量直方圖Fig.8 Rainfall histogram of Lanzhou City in 2018

由圖8可以看出:蘭州市2018年7～9月份降雨量較大,對應于該邊坡抗滑樁樁頂位移和坡體位移監測結果的劇烈變化時期。

分析認為:雨水沿該邊坡坡體上密布的裂縫滲入坡體,加大了坡體重量,致使坡體下滑力增大,造成抗滑樁樁頂水平位移增長較快。該邊坡K369截面處抗滑樁樁頂水平位移量最大,最大水平位移量為309.2 mm,后期抗滑樁樁頂沉降速率減緩至0.07 mm/d。

2.3 邊坡治理效果分析

根據該邊坡典型抗滑樁位移監測結果可知,該邊坡經長時間蠕滑后,抗滑樁樁頂和坡體變形速率減慢并趨于收斂,但抗滑樁樁頂水平位移總量較大,不滿足《建筑邊坡工程技術規范》(GB 50330—2013)中第19.1.7條[13]的要求。

整體上來看,該邊坡抗滑樁樁頂和坡體變形速率減緩,但變形仍在繼續,應對其繼續進行監測。邊坡坡體、抗滑樁的變形屬于緩慢變形,應及時修補坡體周邊裂縫,以防雨水滲入,并加快施工進度,同時需要對該邊坡進行二次加固。

3 邊坡二次加固

3.1 邊坡二次加固思路

該段邊坡目前已經采取一定的反壓處置工程措施,但反壓規模和壓實度有限,通過分析邊坡變形監測結果可知,已有支護工程以及回填反壓措施雖然可以減緩邊坡坡體位移,但由于坡面臨地界線和前部擬建高層紅線的限制,后期基坑仍要開挖,因此不建議采取永久性回填反壓措施:加強反壓體寬度和反壓高度。

根據現場調查和監測數據,該邊坡經過長時間的變形,上部抗滑樁已經發生整體位移和傾斜,其最大位移量為42 cm,最大傾角為3°,根據邊坡現狀特征和變形過程,分析該邊坡變形過程中可能存在的3處潛在的滑裂面,如圖9所示。在基坑開挖至底標高后,該邊坡上部坡體及抗滑樁水平位移較大,錨索框架區域拉裂嚴重,出現崩塌,說明邊坡變形主要沿2號滑面;該邊坡下部排樁區域錨索脫錨,排樁出現小變形,推測邊坡3號滑面也存在滑裂可能,邊坡3號滑面位于抗滑樁嵌固端下部,抗滑樁基本失去支擋效果,因此需要對邊坡上部抗滑樁位移進行約束,并對邊坡下部基坑支護工程進行加固,以穩固上部抗滑樁嵌固端。

圖9 蘭州徐家灣某邊坡滑面示意圖Fig.9 Schematic diagram of the sliding surface of a slope in Xujiawan,Lanzhou

3.2 邊坡潛在滑面剩余下滑力計算

為保證該邊坡潛在滑面的穩定,選取自重、自重+暴雨、自重+地震3種工況,計算了該邊坡2號、3號潛在滑面的剩余下滑力。

傳遞系數法計算邊坡剩余下滑力的公式如下:

Ei=KTi+Ei-lφi-l-Ri

(1)

式中:Ei、Ei-l分別為第i條塊、第i-l條塊的滑坡推力(kN);K為邊坡安全系數;Ri為第i條塊的抗滑力(kN);φi-l為第i-1條塊的傳遞系數;Ti為第i條塊下滑力(kN)。

對2號潛在滑面按照永久邊坡考慮,對3號潛在滑面按照臨時邊坡考慮,分別計算該邊坡潛在滑面剩余下滑力,其計算結果如表1所示。

表1 蘭州徐家灣某邊坡潛在滑面的剩余下滑力計算結果

3.3 邊坡二次加固措施

上段邊坡現狀為錨索抗滑樁支護,建議采取鋼筋混凝土框架格構加錨索形式進行二次加固,該框架格構布設于既有抗滑樁外側,格構豎肋間距為2.6 m與3.4 m間隔分布,共布設3排橫梁,距既有抗滑樁樁頂距離分別為5.0、9.0、15.0 m,橫梁與格構豎肋交點處布設錨索,采用9束ΦS15.20 mm鋼絞線制作,設計預應力均為740 kN。

該邊坡上段邊坡二次加固工程剖面圖,如圖10所示。

圖10 蘭州徐家灣某邊坡上段邊坡二次加固工程剖面圖Fig.10 Sectional view of the secondary reinforcement project of the upper slope of a slope in Xujiawan,Lanzhou

該邊坡下段邊坡總高度為19.5 m,分2級治理。上部既有錨索框架格構區高度為10.9 m,采用十字梁錨索形式加固,十字梁布設于既有錨索框架框格中心,共布設5排錨索,距上部規劃消防通道標高分別為0.9、2.9、5.4、7.9、10.1 m,自上而下長度分別為34、32、30、28、26 m,最上部兩排錨索采用9束ΦS15.20 mm 鋼絞線制作,其余4排錨索采用7束ΦS15.20 mm 鋼絞線制作。上部兩排錨索設計預應力為740kN,中間兩排錨索設計預應力為560 kN,下部兩排錨索設計預應力為210 kN;下部既有排樁支護區高度為8.6 m,采用20a槽鋼腰梁+錨索形式加固,共布設兩排錨索,采用3束ΦS15.20 mm鋼絞線制作,距既有排樁樁頂分別為1.5m和5.0m,長度分別為23m和18m,設計預應力均為210 kN。

該邊坡下段邊坡二次加固工程剖面如圖11所示。

圖11 蘭州徐家灣某邊坡下段邊坡二次加固工程剖面圖Fig.11 Cross-sectional view of the secondary reinforcement project of the lower slope of a slope in Xujiawan,Lanzhou

3.4 邊坡二次加固措施驗算

對基坑標高以上部分,按照2號潛在滑面計算邊坡的剩余下滑力,對基坑標高以下部分,按照3號潛在滑面計算邊坡的剩余下滑力,據此計算出邊坡剩余下滑力的水平分力,并通過統計錨索間距、錨索排數等信息后,可計算出設計錨索軸向拉力,如表2所示。

表2 設計錨索軸向拉力驗算

4 邊坡治理工程二次加固效果數值模擬分析

4.1 數值模型建立

為了驗證該邊坡二次加固措施的有效性,本文采用有限元軟件Midas/GTS開展了相同工況下該邊坡治理工程二次加固效果的數值模擬,建立了邊坡支護體系有限元模型,地層土體采用各向同性莫爾庫倫模型,抗滑樁樁身采用平面應變單元,錨索采用植入式桁架單元。其中,抗滑樁樁長為25 m,嵌入全風化片巖地層深度為9.2 m;錨索長度均按照圖10和圖11設置。根據現場地勘資料,選取的該邊坡巖土體及樁單元物理力學參數見表3,建立的邊坡支護體系有限元計算模型見圖12。

表3 蘭州徐家灣某邊坡巖土體及樁單元物理力學參數

注:圖中虛線為邊坡已支護錨索,實線為邊坡二次加固錨索。圖12 蘭州徐家灣某邊坡邊坡支護體系有限元計算模型Fig.12 Finite element calculation model of support system of a slope in Xujiawan,Lanzhou

4.2 模擬計算結果與分析

4.2.1 邊坡穩定系數計算

鑒于強度折減法在邊坡穩定性分析方面有更好的適用性[12],本模型采用Midas/GTS并利用強度折減法對該邊坡穩定性進行定量評價,計算了邊坡的穩定系數,結果顯示該邊坡經二次加固后,邊坡穩定系數為1.37。根據《建筑邊坡工程技術規范》(GB 50330—2013)中第5.3.2條[13]的規定:在自然工況下,邊坡的穩定系數應大于1.35。由此可知該邊坡經過二次加固后,可滿足規范的要求。

4.2.2 邊坡土體最大剪應變分析

經有限元數值計算,可得二次加固后該邊坡土體最大剪應變云圖,如圖13所示。

注:圖中百分比表示該顏色所占面積在整個云圖中所占比例,下同。圖13 二次加固后蘭州徐家灣某邊坡土體最大剪切應變 云圖Fig.13 Cloud map of maximum shear strain of soil of a slope after secondary reinforcement in Xujiawan,Lanzhou

由圖13可知:由于基坑開挖導致本該從基坑底部排樁處剪出的滑面,在下部基坑經過錨索二次加固后,該邊坡土體剪切應變很小,說明經過二次加固處理后,錨索將淺層風化土層與較深層中風化片巖聯系在一起,使滑體不易滑動,邊坡穩定性增強,說明錨索的加固效果良好。

4.2.3 邊坡位移分析

蘭州徐家灣某邊坡反壓回填后與錨索加固后水平位移云圖的比較,如圖14和圖15所示。

圖14 反壓回填后蘭州徐家灣某邊坡水平位移云圖Fig.14 Cloud map of horizontal displacement of a slope after backfill in Xujiawan,Lanzhou

圖15 錨索加固后蘭州徐家灣某邊坡水平位移云圖Fig.15 Cloud map of horizontal displacement of a slope after anchor reinforcement in Xujiawan,Lanzhou

由圖14和圖15可以看出:錨索加固后該邊坡水平位移變形主要發生在碎石層和強風化片巖表層,由圖15中標記的部分特征點水平位移可知,邊坡水平位移主要發生在抗滑樁以上碎石土層,抗滑樁樁頂水平位移為37 mm,樁基嵌固端頂端地面處最大水平位移為7.6 mm,基坑內排樁頂部水平位移為6.6 mm,基本滿足《建筑邊坡工程技術規范》(GB 50330—2013)中第13.2.9條規定的要求;將采用反壓回填措施后邊坡水平變形的監測結果與反壓回填后邊坡水平位移云圖(反壓回填后實測抗滑樁樁頂水平位移為200 mm,數值模擬計算的抗滑樁樁頂水平位移為215 mm)進行比較可知,該錨索加固措施對于邊坡水平變形的影響顯著,可有效抑制邊坡的水平變形。

蘭州徐家灣某邊坡反壓回填后與錨索加固后豎向位移云圖的比較,如圖16和圖17所示。

圖16 反壓回填后蘭州徐家灣某邊坡豎向位移云圖Fig.16 Cloud map of vertical displacement of a slope after backfill in Xujiawan,Lanzhou

圖17 錨索加固后蘭州徐家灣某邊坡豎向位移云圖Fig.17 Cloud map of vertical displacement of a slope after anchor cable reinforcement in Xujiawan,Lanzhou

由圖16和圖17可以看出:錨索加固后該邊坡整體豎向位移較小,邊坡坡體和抗滑樁豎向位移均在50 mm左右,基坑側坡以及排樁區域豎向位移較小,均小于10 mm,滿足《建筑邊坡工程技術規范》(GB 50330—2013)中第19.1.7條和《建筑地基基礎設計規范》(GB 50007—2011)中第5.3.4條[14]規定的要求;將采用反壓回填措施后該邊坡豎向位移的監測結果與反壓回填后邊坡豎向位移云圖(反壓回填后實測坡體豎向沉降為75 mm左右,與數值模擬計算值73 mm結果較吻合)進行比較可知,該錨索加固措施對于邊坡豎向沉降的影響較為明顯,可有效控制邊坡的豎向變形。

經數值模型計算,該二次加固措施對邊坡的加固效果整體較好,可滿足該邊坡基坑開挖后允許變形的要求,且邊坡穩定性良好,在基坑開挖后可以進行基坑內主體工程的建設。

5 結 論

本文以蘭州市徐家灣某邊坡治理工程項目為依托,通過對該邊坡加固后位移監測數據進行分析,得出邊坡現有加固措施的加固效果,并在此基礎上,提出了二次加固措施以確保邊坡的長期穩定,最后采用數值模擬方法驗證該邊坡二次加固措施的有效性,得出如下結論:

1) 邊坡出現明顯變形后,經過反壓回填后坡體仍然會發生較長時間的變形,后期抗滑樁變形和邊坡坡體位移均趨向于穩定,但由于反壓規模和反壓土體壓實度有限,且后期該基坑需開挖進行建筑主體工程建設,反壓回填措施無法提供邊坡永久性支護,應在基坑開挖后繼續對該邊坡進行合理的二次加固。

2) 為了保證基坑開挖后不影響臨近邊坡的穩定性,提出了對抗滑樁部分采用十字梁錨索形式加固、下部基坑錨索框架格構區域增設錨索的二次加固措施,經數值模擬計算,該二次加固措施可以有效限制邊坡位移,增強基坑開挖后邊坡的穩定性。該方法可為類似邊坡加固提供參考。