坡頂帶臨空建筑高邊坡切腳滑坡?lián)岆U(xiǎn)加固技術(shù)★

傅 翔，黃 平，陳柏林，彭海游，黃祥超

(1.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶 400074； 2.重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院，重慶 401120)

0 引言

基坑開(kāi)挖、切坡等過(guò)程中易對(duì)周?chē)延薪ㄖ案哌吰略斐蓴_動(dòng)，造成已有建筑開(kāi)裂、變形及高邊坡滑坡，嚴(yán)重危及周?chē)用裆?cái)產(chǎn)安全。及時(shí)進(jìn)行工程治理和搶險(xiǎn)加固尤為重要，預(yù)應(yīng)力錨索、錨桿技術(shù)已廣泛應(yīng)用于我國(guó)鐵路、航運(yùn)、公路等領(lǐng)域的邊坡?lián)岆U(xiǎn)加固工程[1]，如南昆鐵路八渡車(chē)站大體積滑坡采用長(zhǎng)錨索對(duì)其治理加固[2]；為提高穩(wěn)定性，三峽船閘兩側(cè)高邊坡、錦屏二級(jí)水電站高邊坡布置了不同預(yù)應(yīng)力的錨索[3-4]。目前對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索的研究逐步深入，研究者從動(dòng)力計(jì)算方法、錨索-巖土體耦合作用、新型錨索性能優(yōu)化、預(yù)緊力選用等方面開(kāi)展了相關(guān)研究[5-9]，此外許多學(xué)者從工程角度出發(fā)，對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索在邊坡治理中的運(yùn)用進(jìn)行了分析和研究[10-18]。基于此，本次應(yīng)急搶險(xiǎn)加固采用預(yù)應(yīng)力錨索加固方案，結(jié)合FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，對(duì)坡頂帶臨空建筑高邊坡切角滑坡?lián)岆U(xiǎn)加固技術(shù)進(jìn)行研究，為其他坡頂帶臨空建筑高邊坡切腳滑坡?lián)岆U(xiǎn)加固提供參考。

1 工程背景

如圖1所示，由于擬建場(chǎng)地對(duì)斜坡進(jìn)行分階削坡，坡腳進(jìn)行基坑開(kāi)挖，導(dǎo)致某住宅樓部分樓層出現(xiàn)不同程度的地面和墻體開(kāi)裂，嚴(yán)重影響了居民的正常生活，威脅到居民的生命和財(cái)產(chǎn)安全，需對(duì)其進(jìn)行應(yīng)急加固設(shè)計(jì)。該住宅樓為框架結(jié)構(gòu)，采用樁基礎(chǔ)，分3個(gè)單元，共有10層，總建筑面積約7 400 m2。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查未發(fā)現(xiàn)已治理的格構(gòu)錨桿擋墻有明顯變形，斜坡目前整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，因此本次設(shè)計(jì)主要目的是控制斜坡變形。邊坡變形區(qū)域長(zhǎng)約149 m，寬約56 m，坡頂高程297 m～299 m，坡底高程214 m～221 m，相對(duì)高差約80 m，為巖質(zhì)高邊坡。工程區(qū)域地表主要為人工素填土，下部為泥灰?guī)r。

2 前期監(jiān)測(cè)及支護(hù)方案確定

為了實(shí)時(shí)了解工程區(qū)變形情況，前期進(jìn)行了應(yīng)急監(jiān)測(cè)工作，共布置14個(gè)地表位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)、6個(gè)深部位移監(jiān)測(cè)孔、14個(gè)裂縫監(jiān)測(cè)點(diǎn)和15個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，布置位置如圖2所示。

從監(jiān)測(cè)反饋的信息來(lái)看，目前變形區(qū)的變形具有以下特征：地表變形較強(qiáng)烈，影響地基持力層的深部位移變化幅度相對(duì)較小；地表位移變化幅度較大和裂縫開(kāi)展較大的點(diǎn)主要集中在附屬建筑與主體建筑搭接處，如天橋與主體建筑連接處、搭建的廁所與主體建筑連接處。

該斜坡為巖質(zhì)斜坡，錨固條件較好，預(yù)應(yīng)力錨索施加預(yù)加力之后，能有效控制斜坡變形，施工過(guò)程中對(duì)坡體擾動(dòng)較小，經(jīng)濟(jì)性較好，可與已建格構(gòu)錨桿擋墻協(xié)調(diào)受力，是治理巖質(zhì)高切坡最常用的手段，可作為本次應(yīng)急搶險(xiǎn)設(shè)計(jì)方案。

3 預(yù)應(yīng)力錨索預(yù)應(yīng)力取值分析

3.1 三維模型建立

采用FLAC3D數(shù)值模擬分析軟件建立三維模型如圖3所示，模型總計(jì)單元146 184，節(jié)點(diǎn)155 567，結(jié)構(gòu)構(gòu)件1 445，結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)1 942。計(jì)算工況分為天然狀態(tài)、邊坡開(kāi)挖以及錨索支護(hù)。

模型中巖土體本構(gòu)關(guān)系采用摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型，建筑物、擋土墻及格構(gòu)護(hù)坡均采用實(shí)體單元，樁基礎(chǔ)采用樁結(jié)構(gòu)單元，錨桿、錨索采用錨桿結(jié)構(gòu)單元。模型兩側(cè)約束X方向的位移，前后約束Y方向的位移，底面約束Z方向的位移，地表為自由面。本邊坡變形破壞過(guò)程中地下水的作用不明顯，僅考慮重力。結(jié)合工程類(lèi)比法，模型采用巖土體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示，樁基未考慮剪力和法向內(nèi)聚力，其物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表1 各項(xiàng)參數(shù)取值

表2 樁結(jié)構(gòu)單元參數(shù)

3.2 開(kāi)挖卸載

沿圖1所示剖面進(jìn)行切片、透視等處理，從圖4可知建筑物及斜坡體存在向斜坡外側(cè)的位移速率，方向沿巖土界面向斜坡外側(cè)。建筑物底部土體存在塑性集中區(qū)，樁基礎(chǔ)部位產(chǎn)生局部塑性破壞。

3.3 不同預(yù)應(yīng)力下塑性區(qū)大小分析

共選擇預(yù)應(yīng)力為400 kN，600 kN，800 kN，1 000 kN，1 200 kN，1 400 kN等6個(gè)工況進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得到不同預(yù)應(yīng)力下邊坡塑性區(qū)面積圖(見(jiàn)圖5)。

發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力為400 kN時(shí)，建筑物基礎(chǔ)底部及斜坡體處有較大面積塑性區(qū)，但比開(kāi)挖卸載未支護(hù)時(shí)的塑性區(qū)面積小得多，說(shuō)明預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)發(fā)揮了一定的作用。隨著預(yù)應(yīng)力增加，錨索支護(hù)效力增強(qiáng)，塑性區(qū)面積減少。當(dāng)預(yù)應(yīng)力為600 kN～1 200 kN時(shí)，塑性區(qū)大致總是出現(xiàn)位于建筑物基礎(chǔ)邊緣以及底部6 m～8 m處，這主要是由于地基土已經(jīng)處于彈塑性變形階段，基礎(chǔ)邊緣首先達(dá)到極限平衡狀態(tài)后，因而率先出現(xiàn)剪切破壞的特征。但剪切破壞區(qū)并未延伸至地面形成連續(xù)滑動(dòng)面，同時(shí)底部會(huì)有沉降與壓力變化率最大的點(diǎn)存在。

3.4 不同預(yù)應(yīng)力下位移矢量分析

分別計(jì)算得到預(yù)應(yīng)力為400 kN，600 kN，800 kN，1 000 kN，1 200 kN，1 400 kN等6個(gè)工況位移矢量圖。

通過(guò)位移矢量分析預(yù)應(yīng)力的增加對(duì)周邊巖土的錨固約束效果。預(yù)應(yīng)力400 kN，600 kN兩種情況下，明顯的表現(xiàn)出約束力從錨索施加上方的淺層地表部位開(kāi)始，沿坡形逐步向坡頂發(fā)展演化的過(guò)程。當(dāng)預(yù)應(yīng)力增加到800 kN～1 200 kN時(shí)，建筑物下方的格構(gòu)在預(yù)應(yīng)力作用下有向外崩裂的趨勢(shì)，而建筑物前的重力式擋土墻則由內(nèi)傾覆轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛲鈨A覆。在1 000 kN預(yù)應(yīng)力作用下，建筑物與擋土墻的穩(wěn)定性表現(xiàn)更好。當(dāng)施加1 400 kN的預(yù)應(yīng)力，則產(chǎn)生建筑物沿水平向外推趨勢(shì)。

預(yù)應(yīng)力大于1 000 kN以后，塑性區(qū)面積減少有限，且1 000 kN預(yù)應(yīng)力作用下，建筑物與擋土墻的穩(wěn)定性表現(xiàn)更好，綜合考慮，采用預(yù)應(yīng)力1 000 kN的設(shè)計(jì)方案。

4 應(yīng)急搶險(xiǎn)加固方案

根據(jù)變形區(qū)的形態(tài)與坡頂建筑物變形控制的相互關(guān)系，防治工程采用預(yù)應(yīng)力錨索+格構(gòu)面板支護(hù)+地表排水體系+M10砂漿封閉裂縫相結(jié)合的方案進(jìn)行治理，根據(jù)監(jiān)測(cè)情況適時(shí)調(diào)整，加強(qiáng)施工期間的地質(zhì)驗(yàn)槽工作，實(shí)施動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和信息化施工。預(yù)應(yīng)力錨索布置區(qū)域長(zhǎng)約65 m，沿230 m～275 m高程布置，共布置182根錨索，錨索間距2.5 m×5.0 m，錨索采用10束1×7φs15.2鋼絞線，自由段孔徑為150 mm，錨固段擴(kuò)孔至250 mm，錨索全長(zhǎng)40 m，錨固段長(zhǎng)10.0 m；面板厚250 mm，采用C30混凝土澆筑，原設(shè)計(jì)采用格構(gòu)式錨桿擋墻支護(hù)段，截面尺寸2.2 m×2.2 m，原設(shè)計(jì)采用重力式擋墻段，截面尺寸1.2 m×1.2 m，面板保護(hù)層厚度采用25 mm；坡體裂隙采用M10水泥砂漿常壓注漿封閉。

搶險(xiǎn)加固完成后，后續(xù)監(jiān)測(cè)顯示原本變形強(qiáng)烈的地表，變形幅度減小，幾乎無(wú)變形；深部無(wú)繼續(xù)變形；房屋等建筑物裂縫無(wú)進(jìn)一步擴(kuò)張，搶險(xiǎn)后工程區(qū)全貌如圖6所示。

5 結(jié)論

1)在巖質(zhì)高邊坡?lián)岆U(xiǎn)加固工程中，工期緊任務(wù)重，需考慮經(jīng)濟(jì)適用性等條件，預(yù)應(yīng)力錨索可作為首選支護(hù)方案。2)提出基于巖土體塑性區(qū)面積和位移矢量變化趨勢(shì)的預(yù)應(yīng)力取值方法，可通過(guò)有限差分法反演高邊坡應(yīng)急加固預(yù)應(yīng)力錨索合理預(yù)應(yīng)力取值。3)根據(jù)高邊坡變形區(qū)形態(tài)與坡頂建筑物變形控制的相互關(guān)系，總結(jié)出預(yù)應(yīng)力錨索+格構(gòu)面板支護(hù)+地表排水+M10砂漿封閉裂縫相結(jié)合的應(yīng)急搶險(xiǎn)加固方案。后續(xù)監(jiān)測(cè)顯示搶險(xiǎn)加固效果好，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。