填方邊坡加高失穩原因分析及加固

李鵬凌

(福建省閩武長城巖土工程有限公司 福建福州 350013)

0 引言

1 工程概況

某邊坡工程，邊坡長度約100m，位于溝谷地段為填方邊坡，邊坡高度約13m。邊坡巖土層自上而下分別為：①填土：褐黃、灰褐等色，松散，稍濕～濕，堆填年限約18年；其成分以原山體爆破開挖平整土和粘性土為主，含大量碎石屑、塊石和少量植物根莖等；②全風化凝灰巖：灰黃、褐黃色；很濕～飽和，原巖結構已破壞，呈散體狀，長石高嶺土化；③強風化凝灰巖：褐黃,灰黃色;飽和;含氧化鐵,高嶺土，原巖結構基本破壞,巖芯呈散體狀。

該邊坡早期已采用漿砌石擋土墻進行支護，擋土墻頂寬度為1.5m，擋土墻底寬度約為5.5m，基礎持力層為強風化凝灰巖，擋墻設有排水管，邊坡無拱起、變形等不良現象。

由于坡頂擬建廠房，根據規劃總平，該邊坡需要加高約9.5m。業主委托一設計單位對該邊坡進行支護設計，設計采用在已建漿砌擋土墻頂加設高為5.0m扶壁式擋土墻；扶壁式擋土墻頂設置壓頂梁，壓頂梁設25m長的鋼絞線(5Φs 15.2)與錨墩相連，錨墩的截面尺寸為1200m(高)×1000m(長)×800m(寬)，采用預埋式施工，抗拉強度設計值為300kN，錨墩預埋于填土中。扶壁式擋土墻頂設一寬度3m平臺，平臺上部填土按1∶1.50坡率進行自然放坡，坡面進行植草綠化。原邊坡設計剖面圖如圖1所示。

圖1 原邊坡支護設計剖面圖

施工單位根據此設計方案進行施工，扶壁式擋土墻及錨墩、鋼絞線施工后20d，立即對墻后填土進行分層夯實回填。當回填土填至超過扶壁式擋土墻頂約2m時，根據監測結果，扶壁式擋土墻、舊擋墻均出現較大變形，監測值已超過預警值；扶壁式擋墻、填土均出現開裂、舊擋土墻中部鼓出。監測單位發出預警，施工單位立即應急搶險，進行開挖卸載措施，將新回填土全部挖除。根據監測報告，邊坡變形已得到初步控制。

2 邊坡失穩分析

2.1 定性分析

對邊坡后期由于坡頂廠房建設而加高后的邊坡支護設計方案進行初步分析，原邊坡支護設計方案存在以下4個問題：

(1)將扶壁式擋土墻直接置于已建漿砌石擋土墻，兩個不同性質結構之間未采用任何手段進行連接，不能協同工作，其結構安全存在隱患；且扶壁式擋土墻大部分底板置于填土上，地基承載力無法滿足要求，扶壁式擋土墻受力后，易產生不均勻沉降。

上位機監控中心是利用LabVIEW8.2編寫的人機界面[8]。從遠端傳輸回來的茶園參數信息如大氣溫度、濕度，土壤溫度、含水量以及光照強度等能直觀地、實時地顯示在界面上。該軟件首先對端口進行監聽，當有數據到來時，讀取端口數據，對采集的數據進行處理并同已設定好的上、下限值進行比較，如果超出設定值，則產生相應的報警信號。管理員通過對數據的讀取，綜合比較，判斷遠端茶樹的生長環境是否存在異常，最后讓實施者采取相應的補救措施。具體監控中心人機界面如圖4所示，程序框圖如圖5所示。數據傳回監控中心同時又將數據存入數據庫中，便于查詢歷史數據。具體數據庫程序框圖如圖6所示。

(2)錨墩置于新填土上，自身穩定性無法保證。

(3)舊擋墻之上增加9.5m高填土，已大大超過其原有的負荷。

(4)扶壁式擋墻僅布置兩排長0.5m泄水孔，排水不通暢。

2.2 定量分析

根據勘察單位提供的巖土工程勘察報告，場地至上而下巖土層參數分別如下：①素填土：重度γ=17.5kN/m3,粘聚力c=10.0kPa,內摩擦角Φ=18°，土體與錨固體極限粘結強度標準值frbk=20kPa；②全風化凝灰巖：重度γ=20.0kN/m3,粘聚力c=25.0kPa,內摩擦角Φ=25°,土體與錨固體極限粘結強度標準值frbk=80kPa，基底摩擦系數u=0.30，承載力特征值fak=300kPa；③強風化凝灰巖：重度γ=20.5kN/m3,粘聚力c=30.0kPa,內摩擦角Φ=30°,土體與錨固體極限粘結強度標準值frbk=140kPa,基底摩擦系數μ=0.40，承載力特征值fak=450kPa。

對該邊坡支護方案進行驗算，采用如下驗算方式：①對扶壁式擋土墻進行驗算，驗算采用理正巖土計算軟件中扶壁式擋土墻模塊。經軟件驗算，抗滑移安全系數為0.76,安全系數小于規范要求。②對邊坡進行整體穩定性分析，驗算采用理正巖土計算軟件中邊坡穩定性分析墻模塊，經軟件驗算，設計錨墩在滑動面內，設計的預應力錨墩未能發揮作用，邊坡整體穩定性安全系數計算結果為0.83，邊坡安全系數遠遠小于規范一級邊坡的要求，邊坡處于不穩定狀態，證明該設計方案存在問題。

綜上，扶壁式擋墻抗滑移及邊坡整體穩定性不滿足要求，最終導致邊坡變形、扶壁式擋墻變形開裂，舊擋墻鼓出。

3 加固措施

針對該邊坡，需要進行加固治理。經過對建筑總平圖進行仔細研究，發現原設計距離邊坡坡頂邊線13m范圍為廠區景觀綠化工程，景觀綠化工程以內為廠區道路，如若將原設計總平的景觀設計成斜坡，將大大減少填方邊坡土壓力，支護難度將大大減少，造價也相應減少；同時，對斜坡進行綠化，同樣也可滿足景觀功能上的要求。

針對該情況，與業主及建筑總平設計單位進行溝通，業主與設計單位一致同意對原總平景觀平臺進行放坡，并對邊坡重新進行景觀設計。最終，根據場地地形條件，于原擋土墻坡頂設置一寬度為8m的大平臺，平臺以上采用1∶1.60自然放坡，坡面進行景觀綠化。

放坡后，再對邊坡采用理正巖土計算軟件中的重力式擋土墻模塊進行驗算，坡頂荷載按照20kPa考慮。經軟件驗算，擋土墻墻身截面壓應力為492kPa<2000kPa,拉應力為25kPa<270kPa，剪應力為27kPa<110kPa,皆滿足要求，地基承載力Pmax=462kPa<540kPa,滿足要求，抗滑移穩定性安全系數為1.22，不滿足要求；抗傾覆穩定性安全系數1.52,不滿足要求；整體穩定性安全系數1.23，不滿足要求；該邊坡擋墻需要進一步加固。

邊坡擋墻加固考慮2個方案：

①采用錨索框架梁對已建擋土墻進行加固。該方案錨索需穿過擋土墻，施工難度較大，墻后填土層較厚，錨索難以進入錨固地層，且當年填土中混有大量石塊，成孔難度極大，造價較高；加之，在填土中錨索注漿量難以控制，施工質量難以保證。

②考慮到舊擋土墻前尚有較大范圍的空地，可采用舊擋土墻前增加毛石混凝土對已建擋墻進行加厚反壓。這樣既增大了抗滑移能力，又提高了擋土墻強度。該施工方案較為簡便，施工工期短，可靠性高，質量容易得到保證，且造價相對低廉。

經過比選，決定采用毛石混凝土對原有擋墻進行加固的方案。最終設計方案如下：

①已建扶壁式擋土墻如若繼續留在擋墻頂，將成為安全隱患，因此需拆除已建扶壁式擋土墻。

②新擋墻基礎持力層為全風化凝灰巖，為提高地基承載力安全系數，采用注漿加固，注漿孔兩排，注漿孔間距為1.5m,注漿管為鋼管，管長分別2.5m及3.5m,注漿材料采用水泥、粉煤灰及水。

③待基礎加固達到設計強度要求后，即在已建擋墻外設置頂寬1.8m,底寬3.5m，高8.0m，埋深0.8m的毛石混凝土擋墻作為坡腳反壓，新建反壓擋墻緊貼已建舊擋墻。

對該設計方案進行驗算，計算方式如下：

(1)采用理正巖土計算軟件擋墻擋土墻計算模塊對舊擋墻進行驗算。根據驗算結果可得到擋墻庫倫主動土壓力值、作用點高度、及作用方向等，而后手動計算新增反壓的毛石混凝土擋墻提供的抗滑移力f=μG1(G1為反壓毛石混凝土的重力)。根據以上參數，代入建筑邊坡工程設計規范中的公式11.2.3-1進行計算，可得出擋墻抗滑移安全系數為1.45[1]。

(2)根據理正計算軟件，可得出庫倫主動土壓力參數。手動計算新增反壓毛石混凝土擋墻提供的力矩可分為兩種：①基地摩擦力提供力矩為μG1l1(l1為墻趾至反壓體底面的垂直的距離)；②反壓體的重力提供力矩G1l2(l2為墻趾至反壓體重心力的垂直距離)。將以上的參數代入建筑邊坡工程技術規范中的公式11.2.4-1進行計算，抗傾覆安全系數為1.73[1]。

(3)采用理正巖土計算軟件擋土墻設計模塊進行穩定性驗算。先建立舊擋墻邊坡的計算模型，而后根據手動計算毛石混凝土反壓體提供的摩擦力[2],并假設其為集中力，將該集中力代入計算模型中。經軟件驗算，邊坡整體穩定性安全系數為1.38。綜上計算結果，經重新加固設計后的邊坡安全系數滿足規范要求。毛石混凝土反壓體在施工中需要注意，應分段開挖，不可整個斷面開挖，防止由于坡腳新擋墻全斷面開挖導致已建擋墻失穩破壞。

(4)坡體增設深層排水管，坡頂截水溝與坡頂的道路排水系統一起考慮，擋墻頂的平臺，底設置排水溝，整個邊坡形成一有效的排水系統。邊坡重新支護設計方案剖面如圖2所示。

該加固方案通過了專家論證。目前，該邊坡加固方案已按該施工方案完成施工，工程造價遠遠低于業主原先的預算，產生較好的經濟效益。根據邊坡監測報告，邊坡坡頂最大水平位移為1.8mm,邊坡處于穩定狀態，證明該方案的可行性。

圖2 重新支護設計方案剖面圖

4 結論

(1)該填方邊坡加高時，原來設計方案在舊擋墻上增設扶壁式擋土墻結合預應力錨索進行支護，邊坡穩定性驗算不能規范滿足要求，最終導致邊坡失穩，所幸監測發現及時，并及時采取卸載措施，避免了擋土墻出現倒塌破壞的嚴重事故。

(2)進行填方邊坡加高時，一定要綜合考慮，采用嚴謹的態度，嚴格按照設計規范要求進行設計，注重每個細節，對邊坡穩定性、擋土墻強度、抗傾覆、抗滑移安全系數進行驗算，方能避免邊坡支護設計的失誤。

(3)該填方邊坡加固首先通過放坡卸載方式，大大減少了邊坡支護難度及成本，再采用新建擋墻作為坡腳反壓、對坡體進行排水等綜合治理措施。目前邊坡已完成加固，該方案施工簡單，整個施工工期較短。根據監測成果，邊坡穩定，邊坡加固取得了良好效果，同時工程造價相對低廉。