廠區(qū)挖方邊坡穩(wěn)定性分析及支護措施研究

劉宇鑌

（中核華辰工程管理有限公司，福建 莆田 351100）

1 引言

隨著工程建設(shè)的規(guī)模和范圍日益增大，在丘陵地區(qū)修建廠房已經(jīng)極為常見。在廠房建設(shè)中，需要對邊坡穩(wěn)定性問題進行處理，其中，大部分需要對邊坡進行挖方處理，極易使原本穩(wěn)定的邊坡變得不穩(wěn)定，導(dǎo)致工程事故的發(fā)生，因此，對廠區(qū)挖方邊坡穩(wěn)定性及支護措施進行研究具有極為重要的意義，諸多研究人員對此高度重視[1-4]。李振東等[5]采用Geo-Studio軟件建立挖方高邊坡模型，通過對3種不同挖方施工方案進行數(shù)值模擬，分析挖方高邊坡的變形破壞特征和穩(wěn)定性，探究不同放坡坡率對挖方高邊坡穩(wěn)定性的影響；樊煉等[6]以路塹邊坡的工程地質(zhì)條件，采用FLAC3D強度折減法和剛體極限平衡法對路塹邊坡開挖過程的穩(wěn)定性進行了綜合研究；屠義偉[7]總結(jié)出適合我國山區(qū)高速公路挖方邊坡的安全防護和穩(wěn)定性評價技術(shù)。

綜上所述可以看出，目前已有較多邊坡開挖穩(wěn)定性的研究，但對于擬建廠區(qū)的挖方邊坡穩(wěn)定性研究較少。鑒于以上思考，本文以擬建明溪縣明源水廠及魚塘溪生態(tài)水系綜合治理工程（廠區(qū)部分）為工程對象，對關(guān)鍵挖方邊坡進行穩(wěn)定性分析及支護措施研究，以期為今后類似工程提供參考和借鑒。

2 工程概況

擬建明溪縣明源水廠及漁塘溪生態(tài)水系綜合治理工程（廠區(qū)部分）位于三明市明溪縣雪峰鎮(zhèn)城關(guān)中學(xué)西北側(cè)。本項目為3×104m3/d規(guī)模凈水廠工程，市政工程重要性等級為二級，場地復(fù)雜程度等級為二級，巖土條件復(fù)雜程度等級為二級，市政工程勘察等級為乙級。

2.1 場地位置及地形地貌

勘察場地位于三明市明溪縣雪峰鎮(zhèn)城關(guān)中學(xué)西北側(cè)，為丘陵地貌。鉆機進尺時場地尚未平整，場地為山坡林地，地形起伏大，山坡坡度約15°～40°，北高南低。場地范圍內(nèi)最高點在場地北側(cè)為439.41 m，最低點在西南側(cè)廠區(qū)入口處，標(biāo)高為390.54 m；場地北側(cè)和西側(cè)有大量小型墳?zāi)梗谶w移。

場地地勢較陡，北高南低，現(xiàn)有地面標(biāo)高約為390.54～427.80 m，按場地設(shè)計室外整平標(biāo)高平整后，場地西南角尚須回填0～15.00 m，平整回填后將形成最高約15.00 m的人工填土陡坎，在北側(cè)形成高約10～35 m的人工開挖邊坡，坡度約為30°～45°。

2.2 場地巖土性質(zhì)及其均勻性

根據(jù)鉆探資料，在鉆孔控制深度范圍內(nèi)，表部土層為人工填土，中下部為坡殘積成因類型土層，底部為基巖風(fēng)化帶。按其成因、力學(xué)強度不同可分為6層，現(xiàn)自上而下描述如下：

1）素填土層①：淺灰色，松散，稍濕；以黏性土及碎石為主，大部分混含碎、植物根系及塊石，土層性質(zhì)不均勻，堆填時間約10年，局部尚未完成自重固結(jié)。該層僅分布于場地內(nèi)的部分地段（共有10個鉆孔揭示），層厚0.60～4.90 m，層面標(biāo)高341.86～404.91 m，層底標(biāo)高341.26～404.11 m。重型動力觸探試驗實測錘擊數(shù)范圍值2.0～3.0，標(biāo)準(zhǔn)值2.2；重型動力觸探試驗修正錘擊數(shù)范圍值2.0～3.0，標(biāo)準(zhǔn)值2.2。

2）坡積黏性土層③：淺黃色等，稍濕，可塑～硬塑。含少量粉細砂及角礫，土層性質(zhì)較均勻。稍有光滑，韌性和干強度高，無搖震反應(yīng)。該層分布于場地內(nèi)的絕大部分地段（共有51個鉆孔揭示），層厚1.30～16.70 m，層面埋深0.00～4.90 m，層面標(biāo)高341.26～439.41 m，層底標(biāo)高333.56～437.61 m，層面坡度一般5～10%，局部＞15%。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗實測錘擊數(shù)范圍值7.0～24.0，標(biāo)準(zhǔn)值12.3，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗修正錘擊數(shù)范圍值6.9～17.4，標(biāo)準(zhǔn)值11.1。

3）砂巖殘積黏性土層③：黃色等，稍濕，可塑～硬塑。為砂巖風(fēng)化殘留物，主要礦物成分為燧石和長石，次要成分為云母，但長石已完全風(fēng)化成次生礦物。土層性質(zhì)較均勻，砂礫含量少于5%；巖芯刀切面稍粗糙，稍有光澤，韌性和干強度中等～低，無搖震反應(yīng)，遇水易軟化。該層分布于場地內(nèi)的部分地段（共有20個鉆孔揭示），層厚3.30～13.10 m，層面埋深0～5.30 m，層面標(biāo)高400.29～437.61 m，層底標(biāo)高394.86～430.71 m。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗實測錘擊數(shù)范圍值9.0～27.0，標(biāo)準(zhǔn)值14.9；標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗修正錘擊數(shù)范圍值8.0～23.0，標(biāo)準(zhǔn)值13.0。

4）全風(fēng)化砂巖④：黃褐色、褐黃色，密實，粉砂狀結(jié)構(gòu)，巖體構(gòu)造類型為散體狀；原巖結(jié)構(gòu)基本破壞，但尚可辨認，有殘余結(jié)構(gòu)強度；主要成份為燧石和長石，礦物成分顯著變化，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ級，巖體無洞穴、臨空面及軟弱夾層等。該層分布于場地內(nèi)的大部分地段（共有42個鉆孔揭示），層厚1.50～19.40 m，層面埋深1.70～17.70 m，層面標(biāo)高378.78～427.11 m，層底標(biāo)高372.58～423.51 m。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗實測錘擊數(shù)范圍值31.0～47.0，標(biāo)準(zhǔn)值35.6；標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗修正錘擊數(shù)范圍值22.5～34.6，標(biāo)準(zhǔn)值27.6。

5）砂土狀強風(fēng)化砂巖⑤：黃褐色、褐黃色，密實，砂狀結(jié)構(gòu)，巖體構(gòu)造類型為散體狀；原巖結(jié)構(gòu)大部分破壞，主要成份為燧石和長石，礦物成份顯著變化，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ級，巖體無洞穴、臨空面及軟弱夾層等。該層分布于場地內(nèi)的部分地段（共有38個鉆孔揭示），層厚2.00～30.70 m，層面埋深3.60～25.90 m，層面標(biāo)高372.58～430.71 m，層底標(biāo)高363.68～416.11 m。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗實測錘擊數(shù)范圍值51.0～82.0，標(biāo)準(zhǔn)值為57.4；標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗修正錘擊數(shù)范圍值35.7～57.4，標(biāo)準(zhǔn)值為41.1。

6）碎塊狀強風(fēng)化砂巖⑥：灰黃色，稍硬，砂狀結(jié)構(gòu)，巖體構(gòu)造類型為碎裂狀；原巖結(jié)構(gòu)大部分破壞，主要成分為燧石和長石，礦物成分顯著變化。由于部分鉆孔孔深較淺，該層只有38個孔揭示，揭露層厚0.70～33.0 m，層面埋深1.30～38.70 m，層面標(biāo)高371.56～425.36 m。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗反彈。

地基基礎(chǔ)設(shè)計參數(shù)建議見表1。

表1 地基基礎(chǔ)設(shè)計參數(shù)建議表

2.3 水文地質(zhì)條件

場地位于福建省西北部，北緯26°08′～26°39′，東經(jīng)116°47′～117°35′。總面積1 708.6 km2。屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，溫濕適中，地形以丘陵為主，山川秀麗，景色迷人。境內(nèi)有海拔1 000 m以上高山25座，最高的圣水巖為1 561.4 m。山地和丘陵面積占總面積的91.91%，小平原面積占6.98%，水面占1.11%。耕地面積178 462.37畝（約118.97 km2），水域面積28 262.3畝（約18.84 km2）。

明溪縣地表水系較發(fā)育，但廠區(qū)場地內(nèi)及管道沿線未見地表水系。本地區(qū)降雨充沛，大氣降水和地表水入滲是本地區(qū)地下水的主要補給來源，其補給程度受降雨量、降雨強度、含水層表面入滲程度等條件控制。

場地內(nèi)的地下水類型為賦存于各含水層中的孔隙及裂隙潛水，各含水層間具水力聯(lián)系。各含水層中的地下水主要接受大氣降水滲補給及地下水側(cè)向徑流補給，主要以地下水徑流形式向地勢較低一帶排泄及以地面蒸發(fā)形式排泄。素填土層性質(zhì)不均勻，尤其是黏粒含量、充填方式差異較大，使得該層的孔隙大小、連通性變化較大，往往沿大孔隙呈不規(guī)則管狀集中式出水，為各向異性含水層，綜合透水性中等，富水性一般；坡積黏性土層和砂巖殘積黏性土層透水性弱，富水性較小；全風(fēng)化巖層、砂土狀強風(fēng)化巖層裂隙孔隙率低，碎塊狀強風(fēng)化巖層孔隙、裂隙發(fā)育，故各風(fēng)化巖層綜合透水性中等。由于各含水層聯(lián)合厚度大，且以中等透水巖土層為主，故場地內(nèi)各含水層綜合透水性中等、富水性中等。但由于風(fēng)化巖層裂隙發(fā)育的異向性和不均勻性，不排除在局部地段風(fēng)化巖層中出現(xiàn)地下水涌水量較大的情況。

本次勘察在鉆孔深度范圍內(nèi)未觀測到地下水位，但由于周邊場地正在回填平整中，在一定時期后場地地下水位有可能會上升，上升的幅度取決于周邊的地勢和地表水的下滲補給程度。據(jù)調(diào)查，地下水位季節(jié)性變化幅度約3～5 m。

擬建配水管道沿線歷史最高地下水位標(biāo)高約341.00 m，近3～5年最高地下水位標(biāo)高約341.00 m。擬建配水管道沿線今后最高地下水位標(biāo)高可取相應(yīng)地面標(biāo)高下0.50 m。

擬建場地（廠區(qū)部分）地勢較高內(nèi)無地表水且鉆孔深度內(nèi)未揭露地下水，據(jù)調(diào)查，本勘察場地范圍內(nèi)歷史最高地下水位標(biāo)高約377.00 m，近3～5年最高地下水位標(biāo)高約377.00 m。

2.4 場地穩(wěn)定性及適宜性

1）擬建場地抗震設(shè)防烈度為Ⅵ度，根據(jù)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查資料及建筑場地周邊的水文、工程地質(zhì)勘察成果和本次勘察結(jié)果，場地內(nèi)及其附近無活動的斷裂帶通過，未發(fā)現(xiàn)地裂縫等，可不考慮砂土液化及軟土震陷問題，屬構(gòu)造穩(wěn)定場地。

2）場地地貌較簡單，目前未發(fā)現(xiàn)滑坡、崩塌、泥石流、地面沉降等不良地質(zhì)作用；場地整平后，場地東南部將回填有一定厚度的填土層場地西南角尚須回填0～15.00 m，平整回填后將形成最高約15.00 m的人工填土陡坎，在北側(cè)形成高約10～35 m的人工開挖邊坡，坡度約為30°～45°。場地地貌較簡單，目前未發(fā)現(xiàn)滑坡、崩塌、泥石流、地面沉降等不良地質(zhì)作用；擬建場地分布有一定厚度的填土層，本建筑場地抗震屬不利地段，本建筑場地穩(wěn)定性差，工程建設(shè)適宜性差。在對基槽范圍內(nèi)的填土層進行相應(yīng)處理后，對人工開挖或回填陡坎或邊坡進行支護后，場地穩(wěn)定性尚可，適宜擬建建構(gòu)筑物的建設(shè)。

3 邊坡形態(tài)與滑動破壞形式

本場地位于山腰處，場地起伏較大，北側(cè)山坡坡度約30°～40°，山坡上主要分布坡積黏性土層和各種風(fēng)化巖土層。邊坡切坡修整后，在北側(cè)形成高約10～35 m的開挖邊坡，設(shè)計坡度約30°～45°、長度約150 m，邊坡坡頂標(biāo)高約416.00～439.4 m，坡腳標(biāo)高約406 m。

土質(zhì)邊坡為圓弧滑動破壞，本邊坡穩(wěn)定性分析采用圓弧滑動條分法計算邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。整個山體巖石未發(fā)現(xiàn)大的構(gòu)造，對邊坡穩(wěn)定影響不大。根據(jù)周邊資料，巖石一般發(fā)育高傾角裂隙，其傾角一般大于邊坡天然坡度，因此，基巖一般較為穩(wěn)定；如果巖石發(fā)生滑動，巖石滑動面一般近似于直線形（沿節(jié)理裂隙面滑動），當(dāng)坡角小于節(jié)理傾角時，破裂面為追蹤節(jié)理面滑動呈鋸齒狀（近似弧形），也可采用圓弧滑動條分法計算邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。

4 邊坡穩(wěn)定性計算與分析

4.1 計算方式

采用簡化畢肖普法驗算邊坡穩(wěn)定性，對場地邊坡潛在滑動圓弧位置通過計算搜索尋找。圓弧形滑面的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)可按式（1）~式（3）計算：

式中，F(xiàn)s為邊坡穩(wěn)定性系數(shù)；ci為第i計算條塊滑面的黏聚力，kPa；φi為第i計算條塊滑面內(nèi)摩擦角，（°）；li為第i計算條塊滑面長度，m；θi為第i計算條塊滑面傾角，（°），滑面傾向與滑動方向相同時取正值，滑面傾向與滑動方向相反時取負值；Ui為第i計算條塊滑面單位寬度總水壓力，kN/m；Gi為第i計算條塊單位寬度自重，kN/m；Gbi為第i計算條塊單位寬度豎向附加荷載，kN/m，方向指向下方時取正值，指向上方時取負值；mθi為第i計算條塊單位寬度豎向荷載，kN/m；Qi為第i計算條塊單位寬度水平荷載，kN/m，方向指向坡外時取正值，指向坡內(nèi)時取負值；hwi、hw,i-1為第i及第i-1計算條塊滑面前端水頭高度，m；γw為水的重度，取10 kN/m3；i為計算條塊號，從后方起編；n為條塊數(shù)量。

4.2 代表性剖面計算

選取有代表性的11-11′和12-12′兩條邊坡剖面穩(wěn)定性驗算結(jié)果詳見表2、圖1、圖2。由于勘察期邊坡地段尚未削坡回填平整，本驗算僅考慮邊坡削坡后的工況，未考慮后期坡頂回填、建筑物建設(shè)及設(shè)備貨物等荷載。

圖1 11-11′剖面邊坡穩(wěn)定性驗算圖

表2 主要邊坡剖面穩(wěn)定性驗算結(jié)果

圖2 12-12′剖面邊坡穩(wěn)定性驗算圖

從以上計算結(jié)果分析：在天然狀態(tài)下，即A條件下，邊坡整體穩(wěn)定性系數(shù)Fs=0.784～0.861，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。在飽和狀態(tài)下，即B條件下，邊坡整體穩(wěn)定性系數(shù)Fs=0.663～0.667，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。同時，根據(jù)計算結(jié)果，人工削坡后揭露的整個邊坡存在滑動的危險，最危險滑裂在坡腳出露。根據(jù)國標(biāo)GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》，進行邊坡穩(wěn)定性評價時，采用圓弧滑動法計算，對于一級永久邊坡，一般工況下其邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)不應(yīng)小于1.35，地震工況下其邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)不應(yīng)小于1.15，否則應(yīng)對邊坡進行處理。因此，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)達不到規(guī)范要求，設(shè)計單位應(yīng)在上部荷載確定后，對邊坡穩(wěn)定性應(yīng)進行詳細的驗算，并進行支護設(shè)計或加固處理。

5 邊坡有限元分析

5.1 邊坡支護方案

根據(jù)建筑總平面布置圖，場地按室外地面及路面設(shè)計標(biāo)高平整后，廠區(qū)北側(cè)形成一條10～35 m的開挖邊坡，設(shè)計坡度約30°～45°、長度約150 m，邊坡坡頂標(biāo)高約416.00～439.4 m，坡腳標(biāo)高約406 m，坡腳南側(cè)外為排水池、濾池、濾池設(shè)備間及變配電室、混合井、網(wǎng)格絮凝池及平流沉淀池等建構(gòu)筑物。組成坡體的巖土層以坡積黏性土層、砂巖殘積黏性土層、全風(fēng)化砂巖層、砂土狀強風(fēng)化砂巖為主。計算典型邊坡：長約150 m，高約10.00～35.00 m，設(shè)計坡度約30°～45°，坡腳標(biāo)高約為406.00 m，坡頂最高標(biāo)高約439.41 m，擬采用重力式擋墻結(jié)合板肋式或格構(gòu)式錨桿（或錨索）擋墻進行支護，支擋結(jié)構(gòu)最大墻下荷載約160 kN/m，擬采用淺基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深約1.00 m。

5.2 有限元計算模型及結(jié)果分析

利用PHASE2有限元軟件，按照二維平面問題建立了加固分析有限元模型，模型由3種材料組成，按照空間次序從上往下依次為坡積黏性土層、砂巖殘積黏性土層、全風(fēng)化砂巖層、砂土狀強風(fēng)化砂巖。采用3Noded Triangles單元模擬各巖土層，網(wǎng)格劃分后，共計17 336個單元，8 905個節(jié)點。對滑坡左側(cè)、右側(cè)邊界施加水平向約束，對底界面施加雙向約束，并對模型施加初始重力場，方向朝下，邊坡計算模型及開挖支護后模型網(wǎng)格劃分如圖3所示。經(jīng)計算，加固后邊坡關(guān)鍵云圖如圖4所示。

圖3 邊坡計算模型及開挖支護后模型網(wǎng)格劃分

圖4 加固后邊坡關(guān)鍵云圖

根據(jù)以上分析，可以得出結(jié)論：采用板肋式或格構(gòu)式錨桿（或錨索）擋墻支護左側(cè)邊坡完全滿足邊坡穩(wěn)定性要求，甚至存在足夠的安全裕度。對于右側(cè)邊坡，利用完整可以不用支護，其自身也可以穩(wěn)定，但為滿足規(guī)范要求可直接采用構(gòu)造措施進行防護即可，無須格構(gòu)錨固；對于左側(cè)邊坡，由于安全系數(shù)達到2.41，遠遠高于規(guī)范要求，支護穩(wěn)定性得以滿足。綜上所述，該方案支護可行。

6 結(jié)論

1）研究區(qū)內(nèi)無對工程建設(shè)不利地質(zhì)活動發(fā)生，屬穩(wěn)定區(qū)域，適宜工程建設(shè)活動。

2）根據(jù)廠區(qū)工程地質(zhì)特性，采用簡化畢肖普法驗算邊坡穩(wěn)定性，對場地邊坡潛在滑動圓弧位置通過計算搜索尋找，對比天然狀態(tài)和飽和狀態(tài)邊坡穩(wěn)定性發(fā)現(xiàn)2種狀態(tài)下邊坡均處于不穩(wěn)定狀態(tài)。同時，根據(jù)計算結(jié)果，人工削坡后揭露的整個邊坡存在滑動的危險，最危險滑裂在坡腳出露，應(yīng)在上部荷載確定后，對邊坡穩(wěn)定性應(yīng)進行詳細的驗算，并進行支護設(shè)計或加固處理。

3）根據(jù)建筑總平面布置圖，對典型關(guān)鍵邊坡進行支護設(shè)計并進行有限元分析，經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)采用板肋式或格構(gòu)式錨桿（或錨索）擋墻支護邊坡完全滿足邊坡穩(wěn)定性要求，支護方案可行，為今后類似工程提供參考和借鑒。