南平某高邊坡設計與穩定性分析

林雪梅

(福建省建筑設計研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

隨著我國城鎮化進程的加快，土地資源日趨緊張。尤其是在多山地區進行工程建設，需要進行大規模切坡整平工作，從而形成了大量的人工高邊坡，當它發生滑動破壞時，往往給人們的生命財產造成巨大損失，帶來了嚴重的社會影響。因此，對高邊坡進行支護加固意義十分重大。而邊坡支護結構如何做到安全可靠、經濟合理、且與周圍自然環境相協調，是邊坡支護設計中的重點和難點。

本文以南平某高邊坡工程為例(該工程獲2017年全國優秀工程勘察設計二等獎)，結合景觀提出了合理可行的設計方案，并在常用理正軟件計算的基礎上，采用了有限元軟件Plaxis8.5進行了輔助對比分析，既提高了安全度，又優化了設計。該工程的順利實施為類似高邊坡工程的設計提供了實際參考價值。

1 工程概況

工程項目位于福建省南平市西溪路，場地南側與富屯溪隔國道相依，北側毗鄰山坡。該項目總用地面積約為29 644m2，總建筑面積約為146 695m2，由4棟28 ～31層的建筑物和1棟3層的裙房組成。根據建筑設計要求，場地整平需進行切坡，將形成人工挖方高邊坡。邊坡與建筑物之間的距離約為14m～20m，邊坡總長度為450m，高度為10m～46m，為巖土質混合高邊坡。邊坡高度較高，坡底為重要建筑物，破壞后果嚴重，邊坡安全等級為一級，重要性系數取1.1。邊坡與建筑物之間的關系如圖1所示。

圖1 邊坡與建筑物關系平面布置圖

2 工程地質條件

2.1 地形地貌

場地地貌屬剝蝕殘丘地貌，地形為斜坡。場地地勢不平，西北高、東南低，場地高程為黃海80m(坡腳)～200m(山頂標高)，因切坡，坡腳較陡，坡度60°～80°，中上部山坡自然坡度20°～35°。

2.2 地層巖性

①雜(素)填土：淺黃色、褐黃色、灰褐色，松散，稍濕，填齡約1年，局部為新近填土。該層厚度為0.20m～1.20m，平均厚度0.56m。

②-1含碎石坡積砂質粘土：褐黃色、灰黃色，稍濕，可塑～硬塑狀態。該層主要為坡積成因。厚度1.00m～6.30m，平均厚度2.17m。

②-2坡積粉質粘土：灰黃、褐黃、灰白等色，稍濕～飽和，可塑，局部硬塑。該層主要為坡積成因。厚度1.20m～5.50m，平均厚度為2.75m 。

③全風化粉砂巖：褐黃、淺紫紅等色，飽和，呈硬塑～堅硬。揭示厚度為1.60m～5.30m，平均厚度為3.38m。

④-1土狀強風化粉砂巖：褐黃、淺紫紅等色，稍濕～飽和，為粉砂巖風化而成。邊坡均有分布，厚度0.60m～11.30m，平均厚度為3.60m。

④-2碎塊狀強風化粉砂巖：褐黃、淺紫紅等色，稍濕～飽和，為粉砂巖風化，該層邊坡內均有揭示，揭示厚度為3.50m～20.50m，平均厚度為10.50m。

⑤中等風化粉砂巖：青灰、灰黃等色，稍濕～飽和，致密，較硬巖，巖體完整程度破碎～較完整，巖體基本質量等級Ⅳ～Ⅲ級，揭示厚度為0.80m～30.0m。

3 邊坡支護設計方案

該工程邊坡高度最大達到46m，屬于建筑挖方高邊坡；邊坡巖性為粉砂巖，強度較低；坡底距建筑物較近，破壞后果嚴重，給邊坡支護設計帶來了一定難度。根據該工程的地質條件、邊坡高度和場地使用條件，并結合景觀要求，綜合比選分析，邊坡支護設計方案采用預應力錨索框架梁結合分級放坡的支護形式。邊坡坡率為1∶0.5，每級邊坡高度為10m～12.5m，平臺寬度2m。立柱和橫梁截面尺寸為400mm×500mm，錨索錨固體直徑為150mm，采用壓力分散型錨索，錨索水平間距為3m。坡頂設置600mm×600mm截水溝，每級平臺和坡底設置400mm×400mm排水溝，坡面設置急流槽和軟式排水孔。框架梁之間采用三維網噴播草籽綠化。典型邊坡支護設計剖面如圖2所示。

圖2 典型邊坡支護設計剖面圖

4 數值模擬對比分析

由于該邊坡高度大，破壞后果很嚴重，為了保證邊坡安全，在按傳統極限平衡法(理正巖土軟件)計算的基礎上，采用了有限元軟件Plaxis對邊坡進行了數值模擬計算，并采用強度折減系數法計算邊坡的安全系數，通過對不同切坡坡率(1∶0.3、1∶0.5、1∶0.8)計算結果的對比分析，在保證邊坡安全穩定的前提下優化設計。同時，和理正巖土軟件計算結果進行對比，綜合評估了邊坡支護后的穩定性，確保了邊坡支護結構體系的安全，既做到了經濟合理，又提高了設計安全度。

4.1 有限元計算模型

有限元計算模型采用二維平面應變模型，土體采用15節點二階三角形實體單元模擬，錨桿自由段采用桿單元模擬，錨固段采用土工格柵單元模擬。有限元計算模型如圖3所示。

圖3 有限元計算模型

4.2 計算參數

土體本構模型采用摩爾—庫倫模型，計算參數如表1所示。錨桿錨固段軸向剛度取EA=1×105kN/m, 錨桿自由段軸向剛度取EA=2×105kN。

表1 土體計算參數

4.3 計算結果

4.3.1坡率為1∶0.3情況下的邊坡破壞模式及安全系數由于切坡坡率較陡，在其它條件相同的前提下，邊坡潛在滑動面如圖4所示，滑動面為圓弧形，與錨索自由段呈對應關系，滑動面底端剪出口位于土巖交界面(第一排錨索位置)。計算得出的安全系數為1.27，小于《建筑邊坡工程技術規范》(GB50330-2013)中一級邊坡規定值1.35。表明采用1∶0.3坡率的支護方案安全性不滿足規范要求，該方案不可行。

圖4 坡率為1:0.3時邊坡潛在滑動面(FS=1.27)

4.3.2坡率為1∶0.5情況下的邊坡破壞模式及安全系數

邊坡潛在滑動面如圖5所示，滑動面基本呈圓弧形，滑動面底端剪出口位于第四排錨索位置，相對1∶0.3坡率下的滑弧較小。計算得出的安全系數為1.45，大于《建筑邊坡工程技術規范》(GB50330-2013)中一級邊坡規定值1.35，滿足設計要求。表明1∶0.5坡率的支護設計方案是合理可行的。

圖5 坡率為1∶0.5時邊坡潛在滑動面(FS=1.45)

4.3.3坡率為1∶0.8情況下的邊坡破壞模式及安全系數

邊坡潛在滑動面如圖6所示，滑動面呈圓弧形，與錨索自由段完全對應，滑動面底端剪出口與坡率為1∶0.5的剪出口一致，都位于第四排錨索位置。計算得出的安全系數為1.55，表明1∶0.8坡率的支護設計方案安全性滿足設計要求。

圖6 坡率為1∶0.8時邊坡潛在滑動面(FS=1.55)

4.3.4對比分析

從有限元計算結果可以看出：①不論采用哪一種切坡坡率，邊坡的滑動面都為圓弧形，滑動面與錨索自由段位置基本對應。②坡率越陡，滑動面越大；坡率越緩，滑動面越小。③坡率越陡，安全系數越小；坡率越緩，安全系數越大。

1∶0.3坡率支護方案計算安全系數小于1.35，不滿足規范要求，該方案不可行。1∶0.5和1∶0.8坡率支護方案計算安全系數大于1.35，安全性均滿足要求，但從經濟性角度考慮，1∶0.8坡率的切坡高度高，達49m，邊坡開挖土方量大，支護結構工程量多，經濟性較差。綜合來看，1∶0.5坡率的邊坡支護方案在滿足規范要求的前提下，安全可靠、經濟合理，為最優的支護設計方案。且采用理正巖土軟件計算安全系數為1.411，與有限元計算安全系數1.45相近，也表明了數值計算的準確性和合理性，和理正巖土軟件的相互驗證也提高了設計安全度。

5 監測結果

由于該邊坡高度大，坡底為高層建筑物，破壞后果嚴重。為了保證邊坡的安全，必須對邊坡支護結構及周邊環境進行監測，并采取信息化施工方法。本次監測共埋設了81個水平位移和沉降監測點，采用專業監測棱鏡，監測儀器采用了目前精度最高的自動測量型全站儀。該全站儀能實現自動照準、自動觀測、自動記錄等自動化技術手段，減少人為誤差的影響，保證觀測的精度指標。監測周期為從邊坡施工至邊坡竣工后兩年。表2為各段邊坡最大變形值。

表2 邊坡最大變形值 mm

監測結果表明，在邊坡施工和運營期間，邊坡累計水平位移最大值為17.28mm，累計沉降最大值為20.64mm，且大部分變形都發生在邊坡施工期間。邊坡竣工后，支護結構變形基本穩定，變形值滿足規范和設計要求，表明該邊坡支護工程安全可靠，支護設計方案是成功可行的。

圖7為邊坡竣工后實景，框架梁之間的坡面已長滿草木，既防止了坡面水土流失，又綠化了邊坡。平臺設置了欄桿，以供小區居民休閑散步之用。人工邊坡與周圍自然環境相互協調，在保證邊坡安全的前提下做到了自然和諧。

圖7 邊坡支護竣工后實景

6 結語

雖然高邊坡工程已發展幾十年了，但隨著經濟社會的發展，對邊坡工程的要求也越來越高。如何在保證邊坡安全的前提下，既使支護結構做到經濟合理，又能與周邊環境相協調，是邊坡支護設計中的難點。本文結合南平某高邊坡的設計和分析，提出如下幾點建議：

(1)監測結果顯示，邊坡變形穩定，該邊坡目前處于安全狀態，表明該工程采用預應力錨索框架梁支護形式是成功可行的。

(2)采用有限元軟件對邊坡支護設計方案進行對比分析，既提高了設計安全度，又達到優化設計的目的，是一種可行有效的輔助分析手段。

(3)在框架梁之間采用三維網噴播草籽，既防止了雨水沖刷，又綠化了坡面，使邊坡與周圍自然環境相協調，實現了綠色巖土的概念。

參考文獻

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