松散棄渣場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性分析及加固方案設(shè)計(jì)分析

苗勝豪， 金正源

(中國(guó)港灣工程有限責(zé)任公司，北京 100027)

山區(qū)高速公路隧道建設(shè)中，受公路選線、地形地貌以及生態(tài)環(huán)境等條件的限制，橋隧比高，不可避免地產(chǎn)生大量棄渣[1-2]。棄渣場(chǎng)邊坡的主要堆積物為松散土體、碎石等，具有非飽和、欠密實(shí)，多孔隙、強(qiáng)度較低等特點(diǎn)。在降雨尤其是暴雨、特大暴雨的誘發(fā)下，容易形成滑坡、泥石流等次生災(zāi)害及生態(tài)環(huán)境破壞，對(duì)其下方建筑物、公用設(shè)施以及居民的生命財(cái)產(chǎn)安全等存在巨大威脅。因此，有必要對(duì)棄渣場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估，并提出加固措施建議。

目前，針對(duì)棄渣場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性，學(xué)者們已經(jīng)進(jìn)行了大量研究工作。劉建偉等[3]測(cè)定了棄渣場(chǎng)坡面不同坡位棄渣的容重、含水量、飽和導(dǎo)水率等物理力學(xué)指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，土體粘滯系數(shù)C的變化與棄渣場(chǎng)坡面形成過程關(guān)系密切，飽和導(dǎo)水率和細(xì)粒物質(zhì)含量對(duì)棄渣場(chǎng)坡面土體穩(wěn)定性具有重要影響；羅雷等[4]針對(duì)棄渣場(chǎng)的堆渣坡面及擋渣墻的設(shè)計(jì)進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，并指出當(dāng)抗滑、抗傾覆和抗塌陷三方面滿足穩(wěn)定性要求，擋渣墻才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；毛雪松等[5]研究了在滲流條件下棄渣場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性，結(jié)果表明，降雨條件下棄渣內(nèi)部土體孔壓的變化較表層土體存在滯后效應(yīng)，雨后一段時(shí)間內(nèi)坡體內(nèi)水分還在繼續(xù)下滲，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)在降雨停止時(shí)也非最低，雨后邊坡穩(wěn)定系數(shù)由于坡體內(nèi)雨水的下滲還會(huì)繼續(xù)下降，一段時(shí)間后才開始逐漸增加。

本次研究基于哥倫比亞路網(wǎng)工程Mar2公路的棄渣場(chǎng)邊坡，采用Geo-slope軟件對(duì)渣場(chǎng)邊坡在不同工況下的穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算與分析。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)該渣場(chǎng)邊坡提出了工程加固設(shè)計(jì)方案，并對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了穩(wěn)定性驗(yàn)算。以期為同類研究問題提供參考和借鑒。

1 工程概況

研究區(qū)域—渣場(chǎng)邊坡所在地屬構(gòu)造剝蝕丘陵-低山地貌區(qū)。山體相對(duì)高差100～300 m，除沖溝兩側(cè)附近基巖裸露部分坡角稍大外(約35°)，邊坡自然坡角最大值為25°左右，地表水和地下水較貧乏，邊坡中上部以灌木叢為主，邊坡中下部植被相對(duì)茂密。

沖溝兩側(cè)附近基巖直接出露，為中元古界武當(dāng)群片巖，山體穩(wěn)定性好，巖層產(chǎn)狀310°∠70°，傾角較陡，且從傾向組合關(guān)系來看，基巖與邊坡呈反向關(guān)系。據(jù)地勘報(bào)告所述，未發(fā)現(xiàn)滑坡、泥石流等不良地質(zhì)情況。山間沖溝第四系覆蓋層最大厚度小于3 m，多為含礫粉質(zhì)黏土、含礫粉土及碎石土。圖1為邊坡工程地質(zhì)剖面。綜上，工程區(qū)地質(zhì)條件較好，巖層產(chǎn)狀對(duì)邊坡穩(wěn)定較為有利，無厚層松散堆積物，棄渣場(chǎng)邊坡穩(wěn)定主要受控于棄渣堆積體和覆蓋層相互作用。

圖1 棄渣場(chǎng)邊坡工程地質(zhì)剖面

該邊坡棄渣場(chǎng)邊坡形成于隧道開挖過程中的持續(xù)堆載，系按臨時(shí)邊坡進(jìn)行邊坡堆載設(shè)計(jì)，施工期邊坡穩(wěn)定良好，且持續(xù)4年無變形破壞跡象；施工結(jié)束后，該邊坡的性質(zhì)由臨時(shí)邊坡變?yōu)橛谰眠吰拢虼诵鑼?duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并按照永久邊坡的安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行必要的加固設(shè)計(jì)。

2 棄渣場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 邊坡穩(wěn)定性分析基本原理

極限平衡法最早由瑞典人彼得森在1916年提出，是邊坡穩(wěn)定性分析的重要方法之一[6]。極限平衡分析的方法很多，工程中常用的有簡(jiǎn)化Bishop法、泰勒法、費(fèi)倫紐斯法、傳遞系數(shù)法等。各種分析方法的假定條件和適用范圍各不相同，但基本思路是一致的。

本文采用簡(jiǎn)化Bishop法[7]對(duì)某松散棄渣場(chǎng)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。簡(jiǎn)化Bishop法是一種適合用于均質(zhì)黏性土及大型碎石堆土等邊坡，破壞形式為弧形的邊坡穩(wěn)定性分析方法。由于其計(jì)算的安全系數(shù)更符合實(shí)際，所以在工程中被廣泛使用。簡(jiǎn)化畢肖普法計(jì)算公式如下。

式中：ci為分塊滑動(dòng)面上的粘聚力(kPa)；φi為滑動(dòng)巖塊的內(nèi)摩擦角(°)；i為分塊滑動(dòng)面與水平方向的夾角(°)；Wi為分塊的重力作用(kN)；Qi為分塊上的地面荷載作用(kN)。

2.2 計(jì)算模型的建立

2.2.1 邊坡分級(jí)

按照本項(xiàng)目招標(biāo)文件中技術(shù)指標(biāo)部分約定，邊坡穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)，其穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)滿足表1中相應(yīng)數(shù)據(jù)的要求。

表1 路塹邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)

注：正常工況，邊坡處于天然狀態(tài)下的工況；非正常工況Ⅰ，邊坡處于暴雨或連續(xù)降雨下的工況。

參考類似工程經(jīng)驗(yàn)，正常工況時(shí)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)取1.20，非正常工況Ⅰ邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)取1.10。

2.2.2 計(jì)算剖面的選取

本文采用Geo-slope軟件對(duì)渣場(chǎng)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。選取渣場(chǎng)現(xiàn)狀邊坡的典型剖面，如圖2所示。根據(jù)工程地質(zhì)勘察資料，該棄渣場(chǎng)邊坡的坡率為1∶0.75，坡長(zhǎng)58 m，高差43 m。地層由上向下依次為棄渣層、第四系覆蓋層，強(qiáng)風(fēng)化層基巖、中風(fēng)化層基巖。

圖2 棄渣場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算剖面

2.2.3 計(jì)算工況

基于上述選擇的計(jì)算剖面，分析了削坡前邊坡的穩(wěn)定性。另外，結(jié)合削坡后的情況，考慮了無地下水、有地下水、6 h強(qiáng)降雨及連續(xù)降雨四種工況，并對(duì)相應(yīng)工況下邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

2.2.4 物理力學(xué)參數(shù)的選取

為了準(zhǔn)確獲得滑坡體滑坡推力和穩(wěn)定性系數(shù)，本次土體參數(shù)參考地區(qū)內(nèi)同類滑坡物理力學(xué)參數(shù)值、相似滑坡經(jīng)驗(yàn)值，以及室內(nèi)土工試驗(yàn)綜合確定(表2)。棄渣層的飽水狀態(tài)主要為地表入滲導(dǎo)致。覆蓋層的飽水狀態(tài)可能由地下水位抬升或地表入滲導(dǎo)致。

表2 物理力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

2.3 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果及分析

基于上述渣場(chǎng)邊坡的計(jì)算模型，采用Geo-slope軟件中Slope/W模塊計(jì)算得到不同工況下的整體穩(wěn)定性結(jié)果(表3)。

表3 不同工況下計(jì)算剖面的安全系數(shù)計(jì)算成果

由表3可知，4種工況計(jì)算結(jié)果為：

(1)不考慮地下水和降雨作用等不利因素為正常工況，計(jì)算剖面安全系數(shù)為1.272，滿足招標(biāo)文件中技術(shù)指標(biāo)部分約定。

(2)考慮地下水不考慮降雨作用為正常工況，計(jì)算剖面安全系數(shù)為1.165，未達(dá)到1.20的穩(wěn)定安全系數(shù)，不滿足招標(biāo)文件中技術(shù)指標(biāo)部分約定。

(3)考慮地下水和6 h暴雨共同作用為非正常工況I，計(jì)算剖面安全系數(shù)為1.059，未達(dá)到1.10的穩(wěn)定安全系數(shù)，不滿足招標(biāo)文件中技術(shù)指標(biāo)部分約定。

(4)考慮地下水和7 d連續(xù)降雨共同作用為非正常工況I，計(jì)算剖面安全系數(shù)為1.039，未達(dá)到1.10的穩(wěn)定安全系數(shù)，不滿足招標(biāo)文件中技術(shù)指標(biāo)部分約定。

綜上所述，當(dāng)前渣場(chǎng)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)不滿足規(guī)范的要求，安全余度不高，需進(jìn)一步采取工程措施進(jìn)行加固。

3 棄渣場(chǎng)邊坡加固方案設(shè)計(jì)

基于工程地質(zhì)勘察資料及招標(biāo)文件中技術(shù)指標(biāo)要求，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，擋土墻作為前期臨時(shí)邊坡的支擋結(jié)構(gòu)，已經(jīng)起到重要的支擋作用。現(xiàn)邊坡由臨時(shí)邊坡變更為永久邊坡，安全系數(shù)需適當(dāng)提高，但不宜對(duì)既有的擋土墻結(jié)構(gòu)做過多擾動(dòng)。于是結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地形特征，提出在擋土墻前被動(dòng)土壓力區(qū)打設(shè)鋼軌樁以及沿墻身打設(shè)錨桿兩種加固方案。

3.1 鋼軌樁加固方案

從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果來看，擋土墻墻腳處沒有較為平緩的平臺(tái)，不具備良好的施工平臺(tái)；另墻腳堆填的部分土體為當(dāng)時(shí)修建擋土墻時(shí)，基礎(chǔ)開挖堆填的部分虛土，沒有牢固的被動(dòng)受力區(qū)，且從擋土墻的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定來看，抗滑移穩(wěn)定性是控制因素。綜合以上因素，在墻腳外側(cè)采用鋼軌樁的方案進(jìn)行加固。

鋼軌樁具有尺寸較小，施工機(jī)具相對(duì)小型化、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，鉆孔尺寸小，采用跳樁法施工，對(duì)邊坡和擋土墻結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)較小。同時(shí)，由于鋼軌質(zhì)量有統(tǒng)一完善的技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，其施工質(zhì)量便于控制，施工流程也較為簡(jiǎn)單。加固方案設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖如圖3。

圖3 鋼軌樁加固方案設(shè)計(jì)

鉆機(jī)成孔后，下放鋼軌并在其四周灌混凝土，完成樁體的施工。本次加固擬采用軌長(zhǎng)12.5 m的P50型鋼軌，主要技術(shù)參數(shù)如下：重量51.15 kg/m，軌高152 mm，軌頭寬度70 mm，軌底寬度132 mm，軌腹厚度155 mm，斷面面積65.8 cm2，高度方向慣性矩Ix=2 037 cm4，截面模量W1=287.2 cm3。另外，取允許拉應(yīng)力[]=240 MPa，允許剪應(yīng)力[]=120 MPa。依據(jù)上述參數(shù)對(duì)鋼軌樁的承載能力進(jìn)行驗(yàn)算，計(jì)算結(jié)果見表4。結(jié)合“2.3節(jié)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果及分析”，在正常工況下，加固后邊坡安全系數(shù)達(dá)到1.225，較加固前有一定提升，可滿足招標(biāo)文件中技術(shù)指標(biāo)的要求；在2種非正常工況I下，加固后邊坡安全系數(shù)分別達(dá)到1.185和1.163，亦能夠較好的滿足招標(biāo)文件中技術(shù)指標(biāo)的要求。

表4 不同工況下邊坡加固前后穩(wěn)定系數(shù)統(tǒng)計(jì)

考慮到本加固方案的控制因素為鋼軌樁拉應(yīng)力，故在實(shí)際施工過程中，可采用兩排樁錯(cuò)開的梅花形布置方案，兩排樁樁距1.5 m，同時(shí)考慮地形因素，距離擋土墻較遠(yuǎn)的一排樁順著山勢(shì)，樁頂較與后一排降低0.5 m，可保證相同的嵌固深度和懸臂段長(zhǎng)度。此外，對(duì)于樁頂，采用現(xiàn)澆冠梁進(jìn)行連接，有利于提升加固體整體剛度和受力拱效應(yīng)的發(fā)揮，更有利于被動(dòng)區(qū)巖土體強(qiáng)度的發(fā)揮。

3.2 肋板加錨桿方案

錨桿支護(hù)具有主動(dòng)加固巖土體，有效地控制并協(xié)調(diào)巖土體變形的優(yōu)點(diǎn)，因而在工程中使用較為廣泛。按照本項(xiàng)目招標(biāo)文件中相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求進(jìn)行錨桿設(shè)計(jì)，在垂直于擋墻走向的剖面上，采用2根φ28 mm的HRB400普通螺紋鋼筋，在與墻頂距離1.0 m、3.0 m處分別布置錨桿；錨桿間距2 m，對(duì)擋墻及下伏棄渣層、覆蓋層和基巖進(jìn)行錨固。錨桿加固方案設(shè)計(jì)見圖4。

圖4 錨桿加固方案設(shè)計(jì)

基于上述加固方案，采用Geo-slope軟件對(duì)不同工況下的渣場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果見表5。由表可知，在正常工況下，加固后邊坡安全系數(shù)達(dá)到1.261，較加固前有一定提升，可滿足招標(biāo)文件中技術(shù)指標(biāo)的要求；在2種非正常工況I下，加固后邊坡安全系數(shù)分別達(dá)到1.223和1.166，亦能夠較好的滿足項(xiàng)目招標(biāo)文件中相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求。

表5 不同工況下邊坡加固前后穩(wěn)定系數(shù)統(tǒng)計(jì)

3.3 兩種加固方案的對(duì)比分析

從鋼軌樁加固方案和肋板加錨桿方案的加固效果來看，均能夠滿足招標(biāo)文件技術(shù)部分對(duì)于永久邊坡安全系數(shù)的要求。兩種方案的加固機(jī)理及優(yōu)缺點(diǎn)分別作如下說明：

(1)鋼軌樁加固方案：小尺寸鋼軌樁布設(shè)在擋土墻前被動(dòng)土壓力區(qū)，較好地改善了被動(dòng)土壓力區(qū)的受力性能，且通過跳孔施工，對(duì)周邊擾動(dòng)較小。作為柔性樁，可較好地適應(yīng)邊坡變形，并持續(xù)提供抗力，另：按照?qǐng)D3的設(shè)計(jì)圖，鋼軌樁呈前后兩排交錯(cuò)布設(shè)，并通過連梁將鋼軌樁和擋土墻連為一體，有效增加了支護(hù)體剛度，并有助于充分發(fā)揮支護(hù)結(jié)構(gòu)的拱效應(yīng)，這一點(diǎn)在二維穩(wěn)定計(jì)算中無法考慮，且作為安全儲(chǔ)備考慮。

(2)肋板加錨桿方案：該方案的加固機(jī)理在于直接增加擋土墻的抗力，但從受力模式來看偏于被動(dòng)，即若邊坡不發(fā)生變形，錨桿基本難以發(fā)揮出支護(hù)效果。考慮到擋土墻為漿砌石結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)性較差，雖增加了肋板將所有錨頭進(jìn)行串聯(lián)，以便于整體受力的協(xié)調(diào)和發(fā)揮結(jié)構(gòu)的拱效應(yīng)，但相較于鋼軌樁方案中的整體連系梁，略微偏于單薄。另外，錨桿的失效具有突發(fā)性，即超出極限抗拔力即立刻失效，存在連鎖反應(yīng)導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。

另外，鋼軌樁的質(zhì)量控制相對(duì)錨桿更加容易，材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)明確；而錨桿施工存在諸多隱蔽工程，主要表現(xiàn)在錨固段長(zhǎng)度及灌漿質(zhì)量是否能夠完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。因此，在兩種加固方案加固效果基本相同的情況下，推薦采用鋼軌樁加固方案。

4 結(jié)論

(1)本文采用Geo-slope軟件對(duì)渣場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。計(jì)算結(jié)果顯示，4種工況下，邊坡的安全系數(shù)分別為1.272、1.165、1.059、1.039，均不滿足招標(biāo)文件中技術(shù)指標(biāo)的要求，因此需要采取工程措施進(jìn)行加固。

(2)基于工程地質(zhì)勘察資料及相關(guān)規(guī)范文件，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，建議采用擋土墻墻腳打鋼軌樁或沿墻身打錨桿兩種加固方案。采用鋼軌樁加固方案，在正常工況及非正常工況下，加固后邊坡安全系數(shù)分別達(dá)到1.225、1.185和1.163；采用肋板加錨桿方案，在正常工況及非正常工況下，加固后邊坡安全系數(shù)1.261、1.223和1.166；兩種加固方案均能滿足邊坡安全穩(wěn)定的要求。通過比較分析，推薦采用鋼軌樁加固方案。

(3)作為松散型邊坡，水是誘發(fā)邊坡變形失穩(wěn)的關(guān)鍵因素，對(duì)此，在實(shí)際設(shè)計(jì)中還應(yīng)考慮實(shí)際邊坡周邊匯水面積的分布，適當(dāng)增加截排水溝，避免降水入滲對(duì)邊坡的不利影響。