考慮地震作用工況的建筑邊坡穩(wěn)定性核算案例分析

廖昉，周康斌，郭微

（1中機(jī)中聯(lián)工程有限公司，重慶 400039；2重慶市勘測院重慶市巖土工程技術(shù)研究中心，重慶 400020）

0 引言

新版 《建筑邊坡技術(shù)工程規(guī)范GB50330-2013》（本文簡稱《建邊》）于2013年11月01日發(fā)布，2014年06月01日執(zhí)行，本次規(guī)范調(diào)整邊坡的穩(wěn)定性計算方法，在進(jìn)行折線形滑動面穩(wěn)定性計算時，由老版的傳遞系數(shù)顯式解法改為傳遞系數(shù)隱式解法。傳遞系數(shù)隱式解法也是現(xiàn)行《公路路基設(shè)計規(guī)范JTGD30-2004》的推薦計算方法。之前已有的工程經(jīng)驗和研究表明，傳遞系數(shù)顯式解法在穩(wěn)定性計算中無法處理中間計算條塊推力產(chǎn)生負(fù)值的情況，即上條塊是無法對下條塊產(chǎn)生拉力的，在出現(xiàn)負(fù)值的情況后，顯式解法得到的最終結(jié)果會有較大的誤差，大大減小最終計算出的剩余下滑力，對最終的支擋設(shè)計指導(dǎo)造成不合理的情況。而隱式解法的穩(wěn)定系數(shù)是每條條塊單獨計算的，能夠?qū)⑼屏Ξa(chǎn)生負(fù)值的條塊推力設(shè)置為零來避免負(fù)值推力往下傳遞。最終的穩(wěn)定性計算結(jié)構(gòu)，新版規(guī)范的調(diào)整后隱式法更為合理[1-2]。

新版《建邊》的穩(wěn)定性評價中還新加入了在地震工況下的穩(wěn)定性計算公式，很好的結(jié)合了傳遞系數(shù)隱式解法進(jìn)行計算，在每個條塊的計算中考慮地震帶來的水平力。在山地建筑中，特別是對地震較敏感的地段進(jìn)行補(bǔ)充地震工況下的穩(wěn)定性驗算是非常有必要了，彌補(bǔ)了之前老版規(guī)范的不足[3-4]。

1 傳遞系數(shù)法基本理論

1.1 傳遞系數(shù)法

邊坡失穩(wěn)一般是沿坡體內(nèi)的軟弱結(jié)構(gòu)面滑動，滑動面往往不規(guī)則。在這種情況下，常根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果，將滑動面轉(zhuǎn)化為折面，采用傳遞系數(shù)法來驗算邊坡的穩(wěn)定性。這種方法是根據(jù)邊坡滑動時滑動條塊上的平衡條件，沿邊坡傾斜方向從上往下逐一求出上一條塊對下一條塊的推力，以最后一個條塊的推力來判斷邊坡的穩(wěn)定性。

圖1 折線形滑面邊坡傳遞系數(shù)法計算簡圖

條塊i中心有重力作用Gi，其底面傾角為θi在條塊右側(cè)面上作用有一（i-1）條塊的不平衡推力Pi-1，（i-1）條塊滑面的傾角為θi-1，在左側(cè)面上作用有一（i+1）條塊對其的反作用力Pi（即i條塊的推力），（i+1）條塊滑面的傾角為θ(i+1)，。底部作用有法向反力Ni和切向反力Ti。根據(jù)平衡條件得：

式中：Pn為第n條塊單位寬度剩余下滑力（kN/m）；Pi為第i計算條塊與第（i+1）計算條塊單位寬度剩余下滑力（kN/m）；當(dāng)Pi<0（i

在具體求解時需要試算，即先假定一穩(wěn)定系數(shù)Fs，從邊坡頂部第1塊算起，求出它的推力P(i-1)，作為第1條塊給第2條塊的推力。再計算第2塊在原有荷載和P(i-1)的作用下的不平衡推力Pi。如此計算到最后一塊，如果該條塊在原有荷載及不平衡推力P(n-1)作用下，求得其穩(wěn)定系數(shù)為Fs（即該塊的不平衡推力Pn為零），則即Fs為所求的穩(wěn)定系數(shù)。如果不滿足，可根據(jù)Fn小于零或大于零適當(dāng)增減原定的Fs值，重新計算，直至條件滿足為止。如果中間某一條塊產(chǎn)生的推力Pi<0則將Pi設(shè)置為0，本次的推力不做累計往下傳遞，從而避免了推力為負(fù)值的情況[1-2]。

1.2 地震作用的計算

對塌滑區(qū)內(nèi)無重要建（構(gòu)）筑物的邊坡采用剛體極限平衡法和靜力數(shù)值計算法計算穩(wěn)定性時，滑體、條塊或單元的地震作用可簡化為一個作用于滑體、條塊或單元重心處、指向坡外（滑動方向）的水平靜力，其值應(yīng)按式（1）和（2）計算：

式中：Qe、Qei為滑體、第i計算條塊或單元單位寬度地震力（kN/m）；G、Gi為滑體、第i計算條塊或單元單位寬度自重（含坡頂建（構(gòu)）筑物作用）（kN/m）；αw為邊坡綜合水平地震系數(shù)，由所在地區(qū)地震基本烈度按《建邊》表5.2.6確定[3]。

2 工程實例

2.1 工程簡介

某工程為擬建綜合住宅小區(qū)，位于貴州省畢節(jié)市七星關(guān)區(qū)畢陽大道。場地地貌單元為巖溶谷地地貌；場地地形起伏大，標(biāo)高1523.56～1567.71m，高差44.15m。因小區(qū)建筑功能需要，對前部進(jìn)行開挖形成人工邊坡，坡腳擬建下部裙房上部塔樓的綜合樓，并且在第二臺階上需要修建25層住宅建筑（剪力墻結(jié)構(gòu)，采用樁基礎(chǔ)），因形成后的邊坡對抗震敏感，在進(jìn)行穩(wěn)定性計算時需要地震力參與計算，確保邊坡穩(wěn)定和建筑物的安全。根據(jù)地勘報告，該工程邊坡安全等級均為一級。

工程所在場地內(nèi)無斷層構(gòu)造通過，巖層呈單斜構(gòu)造。出露地層有第四系耕土（0.30～0.60m）、下伏基巖為三疊系安順組中風(fēng)化白云巖（T1a），傾向324o，傾角46o。該邊坡以巖質(zhì)邊坡為主，為巖土結(jié)合邊坡。淺表為土層，土層與基巖層接觸面，呈折面，為最可能的滑動面，且順向坡沿外傾層面滑移。據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料，場地地下水類型主要為耕土和紅粘土中的上層滯水和巖溶裂隙水，場地地下水埋藏較深，附近無環(huán)境水流入，主要為大氣降水補(bǔ)給的地下水逕流區(qū)，水文地質(zhì)條件簡單。工程典型剖面，如圖2所示。

圖2 典型工程剖面圖

2.2 滑坡機(jī)理分析及參數(shù)的確定

穩(wěn)定性計算中必須首先確定邊坡的潛在滑動面，根據(jù)地勘報告結(jié)論及相關(guān)資料分析，該工程的潛在滑動面為土巖分界面，從典型剖面圖圖2可知土層層面外傾，且土體沿巖層接觸面結(jié)合較弱，在坡腳開挖后，原有坡腳巖土反力被釋放掉，必定發(fā)生順層滑動，在層面處形成潛在剪出口。

滑動層主要為紅粘土（QeL+dl），粘性較好，捻面細(xì)膩、光滑，厚5.20～11.20m，重度為16.90kN/m3，粘聚力為35.8kPa，內(nèi)摩擦角為10.5o;其下為強(qiáng)風(fēng)化至弱風(fēng)化白云巖（T1a），巖芯呈砂狀、碎塊狀，厚0.30～0.80m，重度為23.50kN/m3，粘聚力為50kPa；內(nèi)摩擦角20O?；瑒用娴恼尘哿?0kPa，內(nèi)摩擦角為12.5°。

畢節(jié)市抗震設(shè)防烈度為6度，該工程建筑與邊坡結(jié)合較緊密，根據(jù)邊坡方案專家論證會意見，并根據(jù)《建邊》新增第7章“坡頂有重要建（構(gòu)）筑物的邊坡工程”中的相關(guān)內(nèi)容，在邊坡穩(wěn)定性計算中需要考慮建筑物基礎(chǔ)對邊坡產(chǎn)生的不利影響。前側(cè)裙房和塔樓與邊坡及邊坡支擋結(jié)構(gòu)脫縫處理，不影響邊坡。而后側(cè)塔樓整體落在邊坡上，塔樓設(shè)計采用樁基礎(chǔ)，豎向荷載通過樁身直接專遞到滑動面以下穩(wěn)定基巖中，避免了垂直荷載直接作用到邊坡潛在塌滑體上，但由地震力產(chǎn)生的水平荷載依然會通過基礎(chǔ)傳遞到滑體上。地勘報告對該工程建筑的場地的認(rèn)定為抗震不利地段，按論證會專家意見及依照《建筑抗震設(shè)計規(guī)范GB5001-2010》4.1.8條，在進(jìn)行塔樓結(jié)構(gòu)體計算的時候?qū)Φ卣鹩绊懴禂?shù)放大1.6倍進(jìn)行計算。抗震設(shè)防三水準(zhǔn)的設(shè)計目標(biāo)為“小震不壞、中震可修、大震不倒”。邊坡的穩(wěn)定性應(yīng)保證建筑主體在大震情況下不倒塌，因此邊坡必須承受住建筑主體在大震時傳來的基底剪力。按專項論證會意見，在計算邊坡體的地震力影響時，按原設(shè)防烈度提高一度7度采用。

2.3 穩(wěn)定性計算

穩(wěn)定性計算采用《建邊》中附錄A的傳遞系數(shù)法隱式解法，條塊劃分按圖3所示。地震力影響按《建邊》中5.2.6-1式計算，綜合水平地震系數(shù)αw按《建邊》中表5.2.6 7度（0.10g）對應(yīng)取0.025。該項目中，邊坡與建筑同步設(shè)計，在穩(wěn)定性計算中，第9條塊會承受建筑基礎(chǔ)傳來的水平基底剪力，上部建筑基礎(chǔ)布置圖見圖4，根據(jù)結(jié)構(gòu)已通過結(jié)構(gòu)計算，得到SATWE大震（罕遇地震）下得到的基底剪力附加到水平力進(jìn)行計算。基底剪力產(chǎn)生的單位寬度水平荷載為80kN/m。

支護(hù)結(jié)構(gòu)采用樁板擋墻加預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行支護(hù)，錨索間距4×4m，每根錨索張拉設(shè)計值770kN。在計算穩(wěn)定性時僅考慮預(yù)應(yīng)力錨索富余拉力對穩(wěn)定產(chǎn)生的幫助。根據(jù)《建邊》錨索公式反算得到支護(hù)結(jié)構(gòu)對最后一個滑塊產(chǎn)生的抗滑力為558kN/m。

無支護(hù)條件下的穩(wěn)定系數(shù)通過《建邊》附錄A公式根據(jù)本文上一節(jié)所提到的方法反復(fù)回帶試算，當(dāng)最后一個滑塊剩余下滑力為0的穩(wěn)定系數(shù)為坡體的穩(wěn)定系數(shù)Fs。支護(hù)條件下穩(wěn)定性系數(shù)根據(jù) 《建筑邊坡工程鑒定與加固技術(shù)規(guī)范GB50843-2013》進(jìn)行計算，帶入錨索產(chǎn)生的抵抗力R0=558kN/m，得到支護(hù)條件下的穩(wěn)定系數(shù)。

圖3 條塊劃分示意圖

2.4 計算結(jié)果（表1）

表1 穩(wěn)定系數(shù)結(jié)果

該工程因為前部建筑物基坑開挖會形成非常不利的潛在剪出口，通過穩(wěn)定性計算可以得到一般工況下的穩(wěn)定性系數(shù)Fs為0.61＜1，其狀態(tài)非常不穩(wěn)定；在地震工況下情況更壞，穩(wěn)定系數(shù)僅為0.56。在支護(hù)后穩(wěn)定系數(shù)均滿足滿足規(guī)范要求（一般工況下一級邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.35，地震工況下1.15）。

4 結(jié)論與建議

圖4 上部建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)平面布置圖

本文結(jié)合工程實例，根據(jù)新《建邊》穩(wěn)定性計算公式，在地震工況與支護(hù)條件下計算出穩(wěn)定性系數(shù)。根據(jù)計算結(jié)果可以得到以下結(jié)論：

（1）采用傳遞系數(shù)隱式解法進(jìn)行穩(wěn)定性計算，在計算中可以有效處理滑塊為負(fù)值的情況，從而得到更為可靠的穩(wěn)定性系數(shù)與剩余下滑力；

（2）地震工況下的穩(wěn)定性系數(shù)為0.56，相比一般工況的穩(wěn)定系數(shù)0.61降低明顯，地震所帶來的不利影響應(yīng)在支護(hù)設(shè)計中予以考慮。但在支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計時，地震工況下的穩(wěn)定性系數(shù)不宜取得過高，事必會造成造價大幅增加。

（3）本文對建造在邊坡上的建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行大震工況下的計算，得出基底剪力產(chǎn)生的單位寬度水平荷載為80kN，其值對邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果影響明顯，在支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計時考慮該作用的影響。

[1]周海清，劉東升，陳正漢，等.基于傳遞系數(shù)法的滑面指標(biāo)反算方法的研究[J].地下空間與工程學(xué)報，2010（6）：1161-1167.

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[3]GB50330-2013建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

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