關于高填方邊坡的地基處理方案對比分析

劉立鋒

中國成達工程有限公司 成都 610041

在山區化工裝置的場平設計中，經常會遇到高填方邊坡，如何保證高大邊坡的穩定，一直以來是岸土工程研究的熱點問題。當填方邊坡下地基土的力學性能較好時，邊坡的穩定可以滿足，可不做處理。當地基土的力學性能較好時，邊坡的整體穩定滿足不了要求時，需對邊坡及地基采用相關的加強措施以保證邊坡的整體穩定。邊坡的失穩主要原因是邊坡在自重和附加荷載作用下，因邊坡回填土及地基土的抗剪強度不足，在邊坡內部形成了一個滑動面，滑動面以上的土體整體滑出，具體見圖1所示。該滑動面的大小和位置隨土體的抗剪強度而變化，土體的抗剪強度越大，滑動面的位置越深，滑動面的長度越長，相應的邊坡穩定的安全系數越大。因此，對于邊坡穩定的加強措施就是增強滑動面周邊范圍內的土體的抗剪強度。增強的措施有多種，通過設置土工格柵加強回填土的強度；對于淺層滑面，可以通過強夯增加地基土的強度；對于深層滑面，可采用鉆孔灌注樁或高壓旋噴樁或碎石樁來進行深層地基的處理。

圖1 邊坡滑動面

1 邊坡穩定加固措施分析

對于邊坡穩定的加固措施有多種，但哪一種措施最合適，還是要根據邊坡具體的高度、回填土及地基土的力學性能進行具體分析。以下以某一項目的高填方邊坡為例，根據其場地的實際情況，擬采用土工格柵、鉆孔灌注樁以及高壓旋噴樁3種方式進行邊坡的加固，并通過有限元模型對邊坡的整體穩定性進行分析，對比各種加固措施對邊坡整體穩定性的影響效果，并根據分析結果給出最適用于本邊坡的具體加固措施的建議。

1.1 邊坡穩定分析條件

該邊坡的最高高度為35.5m，坡率為1：1.75，邊坡沿高度方向每8m設一馬道，馬道寬3m。具體斷面尺寸見圖2。

圖2 斷面尺寸圖

邊坡回填土及邊坡以下地基土的力學參數見表1。

表1 地基土的力學參數

1.2 邊坡穩定分析工況

在邊坡分析過程中，主要考慮2個設計狀況：正常使用設計狀況和地震設計狀況。其中，正常使用設計狀況包括自重和上部附加荷載70kN/m2，地震設計狀況除包含正常作用狀況下的荷載外，還要考慮五千年一遇的水平地震作用，即0.075g的水平地震力，這兩個工況也是一般邊坡穩定分析的主要工況。

1.3 邊坡穩定分析中采用的加固措施

在分析過程中，對于邊坡的加固措施，選用3種加固方式：①土工格柵，土工格柵間距為2.0m，土工格柵的長期強度為100kN/m；②鉆孔灌注樁，樁徑為1.5m，間距為3m，位于邊坡的下端；③高壓旋噴樁，樁徑為0.5m，間距為2m，位于邊坡底端自坡腳20m范圍內，旋噴樁的設計強度為5MPa。對于每一種加固措施，分別建立有限元模型進行分析，得到相應的邊坡穩定的安全系數。

1.4 有限元模型

本次分析采用PLAXIS-2D巖土有限元軟件進行分析，對于邊坡中的土體，采用15節點平面應變單元進行模擬，采用摩爾庫侖模型考慮土體的彈塑性，對于樁，采用板單元進行模板，對于土工格柵，采用土工格柵單元進行模擬。具體的有限元模型見圖3。

圖3 有限元模型

2 邊坡穩定分析結果

為得到不同加固措施對邊坡整體穩定的影響效果，對邊坡未加固情況下的整體穩定性進行了分析，具體結果如下：

2.1 邊坡未加固時的整體穩定結果

根據規范要求，邊坡的穩定計算需要考慮兩種設計狀況，分別為正常使用狀況和地震狀況，以下是兩種設計狀況下的分析結果：

2.1.1 正常使用狀況下的整體穩定

在正常使用狀況下，邊坡只受自重和上部附近加荷載的作用，該工況下的穩定系數Sf=1.371，變形圖及安全系數見圖4。

圖4 正常使用設計狀況下的安全系數

2.1.2 地震狀況下的整體穩定

在地震狀況下，邊坡除了受自重和上部附加荷載外，還承受五千年一遇地震荷載的作用，該工況下的穩定系數Sf=1.102，變形圖及安全系數見圖5。

圖5 地震設計狀況下的安全系數

如果上述分析得到的安全系數滿足桿關規范要求，可不進行邊坡加固處理；如不滿足，則需要加固處理。本項目的邊坡不滿足相關規范要求，需進行邊坡加固處理，以下是不同加固方式得到的整體穩定安全系數。

2.2 采用土工格柵加固后邊坡的整體穩定結果

對應于邊坡未設置加固措施的設計工況，采用加固措施后仍按兩種設計狀況給出結果，具體如下：

2.2.1 正常使用狀況下的整體穩定

根據有限元分析，使用土工格柵加固時正常使用設計狀態下的安全系數Sf=1.443，分析得到的變形圖及安全系數見圖6。

圖6 土工格柵加固時正常使用設計狀況下的安全系數

2.2.2 地震狀況下的整體穩定

根據有限元分析，使用土工格柵回固時地震設計狀態下的安全系數Sf=1.159，分析得到的變形圖及安全系數見圖7。

圖7 土工格柵加固時地震設計狀況下的安全系數

2.3 采用鉆孔灌注樁加固后邊坡的整體穩定結果

采用鉆孔灌注樁加固措施后按兩種設計狀況給出的分析結果，具體如下：

2.3.1 正常使用狀況下的整體穩定

根據有限元分析，采用鉆孔樁時正常使用設計狀態下的安全系數Sf=1.466，分析得到的變形圖及安全系數見圖8。

圖8 鉆孔灌注樁加固時正常使用設計狀況下的安全系數

2.3.2 地震狀況下的整體穩定

根據有限元分析，采用鉆孔樁時地震設計狀態下的安全系數Sf=1.18，分析得到的變形圖及安全系數見圖9。

圖9 鉆孔灌注樁加固時地震設計狀況下的安全系數

2.4 采用高壓旋噴樁加固后邊坡的整體穩定結果

采用高壓旋噴樁加固后按兩種設計狀況給出的分析結果，具體如下：

2.4.1 正常使用狀況下的整體穩定

根據有限元分析，采用鉆孔樁時正常使用設計狀態下的安全系數Sf=1.562，分析得到的變形圖及安全系數見圖10。

圖10 高壓旋噴樁加固時正常使用設計狀況下的安全系數

2.4.2 地震狀況下的整體穩定

根據有限元分析，采用鉆孔樁時地震設計狀態下的安全系數Sf=1.264，分析得到的變形圖及安全系數見圖11。

圖11 高壓旋噴樁加固時地震設計狀況下的安全系數

2.5 整體穩定結果匯總

對上述不同加固措施進行整體穩定分析，得出的結果進行匯總整理后得到表2。

表2 不同加固措施進行整體穩定分析匯總表

根據表2匯總結果，可得到不同加固措施下邊坡安全系數的百分比，見表3。

表3 固措施下邊坡安全系數的百分比

由表3匯總結果可知，對于該項目的邊坡來說，采用不同的加固措施均可提高邊坡的穩定性，但加固后的效果卻不同，其中，土工格柵加固效果一般，鉆孔灌注樁的效果較好，高壓旋噴樁的加固效果最好。

3 結語

由上述結果可知，采用高壓旋噴樁加固邊坡時，無論是在正常使用設計狀況還是在地震設計狀況下，邊坡整體穩定安全系數提高得最快，因此從技術方面，對該項目的邊坡采用高壓旋噴樁是最有效的加固措施，建議在設計中選用。當然，實際實施過程中還要考慮各種加固措施的經濟性和施工可行性。