基于穩(wěn)定性分析的臨海邊坡加固設(shè)計(jì)

付艷青，唐建政，陳朝偉

(1.濟(jì)南市勘察測(cè)繪研究院，山東 濟(jì)南 250101；2.山東建和土木工程咨詢有限公司，山東 濟(jì)南 250101)

在實(shí)際的邊坡工程中，當(dāng)邊坡整體穩(wěn)定性不足時(shí)，為了保證邊坡及其坡頂建筑物的安全，往往需要對(duì)邊坡進(jìn)行加固處理，以提高邊坡穩(wěn)定性。常見的邊坡加固方法有坡面防護(hù)、坡頂注漿加固、錨桿(索)、微型樁加固以及擋墻等。其中，微型樁加固法因其施工方便、工期短、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)在基礎(chǔ)加固、托換工程和邊坡加固中得到廣泛應(yīng)用[1- 4]。國(guó)內(nèi)許多的學(xué)者及工程人員對(duì)微型抗滑樁進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究和工程實(shí)踐[5- 8]。Cantoni等[9]提出了網(wǎng)狀微型樁在斜坡工程中的加固設(shè)計(jì)方法；孫書偉等[10]對(duì)微型樁群加固土坡的抗滑力開展系統(tǒng)研究，并對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)影響進(jìn)行分析；胡毅夫等[11]通過模型試驗(yàn)，研究了微型抗滑樁雙排單樁與組合樁在加固邊坡時(shí)的抗滑特性。GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》[12]等對(duì)邊坡的穩(wěn)定性研究提出了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和原則。文章通過對(duì)邊坡穩(wěn)定性的分析，結(jié)合地質(zhì)條件和周邊環(huán)境，提出了微型群樁加固方法，提高了巖體邊坡的整體穩(wěn)定性。

1 工程概況

擬建工程為2層建筑物，框架結(jié)構(gòu)，擬采用獨(dú)立基礎(chǔ)，局部采用樁基礎(chǔ)，坐落于陡崖邊坡坡頂之上，其東側(cè)、北側(cè)與西側(cè)均臨海，如圖1所示，邊坡高度約為10～15m，場(chǎng)地所處地貌類型為丘陵坡殘積地貌單元。坡面巖石一般為全風(fēng)化～強(qiáng)風(fēng)化大理巖，巖體破碎，邊坡坡面傾角一般為70°～90°，局部坡度較緩處堆積第四系松散殘坡積物；局部坡腳因海浪長(zhǎng)期沖蝕形成空洞。為保證建筑物的安全使用，需對(duì)邊坡進(jìn)行加固處理。

圖1 擬建工程平面圖示意圖

2 巖層分布情況及邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 巖層分布情況

該邊坡巖石為較軟巖，主要發(fā)育三組節(jié)理，其中第一組節(jié)理產(chǎn)狀286°∠50°，平均間距為15～30cm；第二組節(jié)理產(chǎn)狀152°∠85°，平均間距為10～20cm；第三組節(jié)理產(chǎn)狀55°∠82°，平均間距為15～25cm。邊坡巖體級(jí)別整體屬于破碎巖體，巖體級(jí)別整體確定為V級(jí)。具體巖層分布情況見表1。

2.2 邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)GB 50330—2013第5.2.3條，采用圓弧滑動(dòng)法計(jì)算該巖體邊坡穩(wěn)定性[8]，計(jì)算考慮坡頂荷載時(shí)不同區(qū)段巖體邊坡穩(wěn)定性的安全系數(shù)。由表2可以看出，除了邊坡坡度較大的FG段和HA段外，其余區(qū)段的巖體邊坡整體穩(wěn)定性安全系數(shù)都不滿足上述規(guī)范對(duì)一級(jí)邊坡的要求，且CD段的巖體邊坡整體穩(wěn)定性安全系數(shù)小于1，因此當(dāng)建筑物荷載作用后，該巖體邊坡可能處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

表1 各區(qū)段巖層分布情況

表2 巖體邊坡穩(wěn)定性計(jì)算分析結(jié)果

3 加固設(shè)計(jì)方案分析

綜合考慮場(chǎng)地條件和地質(zhì)條件，若擬建物建于該邊坡上方，該邊坡將處于不穩(wěn)定狀態(tài)，故該邊坡加固原則在于提高邊坡整體穩(wěn)定性，保證擬建物的安全使用。

3.1 加固方案的選擇

3.1.1注漿加固方案

該場(chǎng)地東側(cè)和北側(cè)，可采用注漿加固方案，在自場(chǎng)地邊界至建筑物方向距離6m范圍內(nèi)注漿。注漿孔在地面上呈梅花形布置，注漿孔自場(chǎng)地地面向下垂直鉆進(jìn)。該段巖體破碎，通過注入水泥漿液，充填巖土體裂隙，從而達(dá)到提高巖土體強(qiáng)度的目的。

由于注漿漿液的流動(dòng)方向的可控性差，注漿過程中容易出現(xiàn)串漿和漏漿現(xiàn)象，加之場(chǎng)地臨近海域，邊坡底部存在海水養(yǎng)殖場(chǎng)，注漿施工可能會(huì)對(duì)附近海域環(huán)境及養(yǎng)殖造成影響。

3.1.2坡面錨固+防護(hù)網(wǎng)方案

擬建場(chǎng)地可采用坡面錨固方案，通過錨桿嵌入穩(wěn)定巖層，達(dá)到邊坡加固的作用；通過鋼絲格柵SNS主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)對(duì)暴露巖石表面進(jìn)行噴涂，防止暴露巖石滾落，如圖2所示，。

圖2 坡面錨固方案示意圖

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件及地層情況，由于該方案水平錨桿施工難度大，海水會(huì)對(duì)錨桿產(chǎn)生銹蝕及SNS防護(hù)網(wǎng)會(huì)對(duì)海岸自然景觀造成影響，故該方案可行性低。

3.1.3微型樁加固方案

微型樁加固方案是利用微型樁樁體的抗滑能力，同時(shí)通過在微型樁頂部設(shè)置鋼筋混凝土承臺(tái)把所有樁體聯(lián)系在一起，從而發(fā)揮群樁的抗滑作用，結(jié)合巖土體本身性能以及樁體和巖土體之間的共同作用，抵抗邊坡下滑力，提高邊坡穩(wěn)定性，起到了邊坡加固的作用，如圖3所示。

圖3 微型群樁加固示意圖

微型樁直徑一般小于300mm，通過鉆孔、壓力注漿等工藝施工的小直徑灌注樁，一般呈網(wǎng)狀或樹根狀分布，多用于托換加固、邊坡加固工程中，微型樁用于該邊坡加固有以下優(yōu)勢(shì)：

(1)微型樁通過樁頂承臺(tái)可以形成空間整體結(jié)構(gòu)，并與樁間土體一起形成復(fù)合型擋土墻以支擋其后巖土體。相對(duì)坡面錨固和花管注漿，微型群樁整體結(jié)構(gòu)剛度較大，邊坡變形相對(duì)較小[13]。

(2)微型樁施工條件限制性小，施工過程中不受地下障礙物的影響；需要的施工寬度較小，對(duì)于不需要開挖土方的工程，可以在坡頂現(xiàn)狀施工，施工速度較快。

微型樁施工方便，既保證了該巖體邊坡的安全又保護(hù)了海岸的自然環(huán)境，說明該方案可行；局部海蝕溶洞可采用堵洞方案，封堵洞口時(shí)，在洞口外增加一道200mm厚的擋土墻(防止海水灌入及跑漿)，洞內(nèi)采用毛石充填，灌漿料澆注。

3.2 微型樁加固設(shè)計(jì)分析

微型抗滑樁通過兩個(gè)方面為邊坡提供抗滑力：首先是利用樁體自身的抗剪強(qiáng)度抵抗邊坡下滑；其次是當(dāng)樁體發(fā)生彎曲變形時(shí)，通過樁體的抗彎能力阻止邊坡變形。

3.2.1微型樁內(nèi)力計(jì)算

文中邊坡巖體大部分為中風(fēng)化大理巖，局部存在豎向破碎帶和全風(fēng)化巖，巖體剛度相對(duì)較大，而對(duì)于較密實(shí)且具有較大剛度的滑坡體，滑坡下滑推力可按矩形分布處理[14]。

微型樁通過上部承臺(tái)將群樁連系成整體(如圖4所示)，上部承臺(tái)按剛性體考慮，群樁樁頂處位移相等，將微型樁組合結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為平面剛架結(jié)構(gòu)[15]，即當(dāng)滑坡推力q作用于樁1時(shí)，通過上部承臺(tái)將荷載傳遞到樁2、樁3和樁4，暫不考慮樁間土的作用，微型樁錨固段按固定端考慮，則微型樁組合結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖5所示，最后按照橫向約束的彈性地基梁法計(jì)算樁身內(nèi)力。

假設(shè)滑坡推力為Q(kN/m)，作用在樁上的滑坡推力為F，按均布荷載考慮，則F=QL/H，將其平均分布到4排樁上，即q=F/4。將微型樁組合結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)化為平面剛架結(jié)構(gòu)，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖6所示。

其中，P=qH/2，則作用在樁1上的荷載為均布荷載q和集中力P/4二者疊加，樁1受力變形和內(nèi)力圖如圖7所示；同理，作用在樁2、3、4上的荷載為集中力P/4，得出4排樁內(nèi)力圖(如圖8所示)。

圖4 微型樁組合樁體抗滑示意圖

圖5 微型群樁(4排樁)計(jì)算模型

圖6 組合樁結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖

圖7 樁1受力與彎矩示意圖

圖8 微型樁組合樁體內(nèi)力示意圖

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖，可求出承臺(tái)和樁體的軸力，這些參數(shù)為設(shè)計(jì)上部承臺(tái)和樁體提供了依據(jù)。

3.2.2微型樁抗剪計(jì)算

微型抗滑樁抗剪強(qiáng)度分為樁體自身抗剪強(qiáng)度和樁土組合體自重在滑面上提供的抗滑力[16]。

(1)樁體自身抗剪強(qiáng)度按下式計(jì)算：

F1=n[τ]As

(1)

式中，n—微型樁數(shù)量；[τ]—微型樁鋼筋抗剪強(qiáng)度；As—鋼筋的截面積。

(2)樁土組合體沿滑面方向單位長(zhǎng)度的抗滑力可按下式計(jì)算：

F2=Gcosαtanφ+cl

(2)

式中，G—沿滑面方向單位長(zhǎng)度樁土混合體的自重；α—滑面的傾角；φ為滑面的內(nèi)摩擦角；c—滑面的黏聚力；l—滑面長(zhǎng)度。

3.2.3微型群樁計(jì)算參數(shù)

通過以上內(nèi)力分析，確定微型樁樁徑為250mm，樁長(zhǎng)15m(進(jìn)入坡底至少4m)，4排微型樁，排距2m，微型樁主體為直徑127mm鍍鋅鋼管(壁厚6mm)，灌注水泥砂漿。

3.2.4巖體邊坡整體穩(wěn)定性計(jì)算分析

不同區(qū)段巖體邊坡穩(wěn)定性的安全系數(shù)見表3，由表3可以看出，各區(qū)段的巖體邊坡整體穩(wěn)定性安全系數(shù)都滿足規(guī)范對(duì)一級(jí)邊坡的要求，因此經(jīng)過采用微型群樁加固方案處理后的該巖體邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)論

在邊坡加固工程中，通過微型群樁和巖土體共同作用提供抗滑力平衡邊坡，進(jìn)而提高邊坡的整體穩(wěn)定性。其中，微型樁在邊坡加固中主要起到以下三個(gè)作用：

(1)抗彎作用

微型樁通過上部承臺(tái)將群樁連系成整體，當(dāng)樁體發(fā)生彎曲變形時(shí)，通過樁體的抗彎能力阻止邊坡變形，平衡邊坡下滑力，提高了邊坡的整體穩(wěn)定性。

(2)抗剪作用

微型樁嵌入滑裂面以下一定深度的較硬巖土層中，通過樁身材料自身的抗剪強(qiáng)度，阻止滑移體下滑，起到抗滑作用，增強(qiáng)邊坡的整體穩(wěn)定。，同時(shí)，通過注漿加固周邊巖土體，使得松散土體及較破碎巖石力學(xué)性能提高，進(jìn)而加大了群樁與土體的抗滑能力。

(3)樁-土復(fù)合體

微型樁通過加固周邊土體，提高巖土體力學(xué)性能，與上部承臺(tái)連接，形成有機(jī)整體，共同承擔(dān)外部荷載，依靠微型樁與樁周土體的剛度和強(qiáng)度約束土體變形，為邊坡加固提供抗滑力，提高了邊坡整體穩(wěn)定性。

經(jīng)研究表明，采用微型樁組合結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化計(jì)算模型，在實(shí)踐應(yīng)用中安全、經(jīng)濟(jì)、合理。