基于穩(wěn)定性分析的臨海邊坡加固設計

付艷青，唐建政，陳朝偉

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

在實際的邊坡工程中，當邊坡整體穩(wěn)定性不足時，為了保證邊坡及其坡頂建筑物的安全，往往需要對邊坡進行加固處理，以提高邊坡穩(wěn)定性。常見的邊坡加固方法有坡面防護、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、造價低等優(yōu)點在基礎加固、托換工程和邊坡加固中得到廣泛應用[1- 4]。國內(nèi)許多的學者及工程人員對微型抗滑樁進行了大量的試驗研究和工程實踐[5- 8]。Cantoni等[9]提出了網(wǎng)狀微型樁在斜坡工程中的加固設計方法；孫書偉等[10]對微型樁群加固土坡的抗滑力開展系統(tǒng)研究，并對設計參數(shù)影響進行分析；胡毅夫等[11]通過模型試驗，研究了微型抗滑樁雙排單樁與組合樁在加固邊坡時的抗滑特性。GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》[12]等對邊坡的穩(wěn)定性研究提出了技術(shù)標準和原則。文章通過對邊坡穩(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)，擬采用獨立基礎，局部采用樁基礎，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化～強風化大理巖，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；局部坡腳因海浪長期沖蝕形成空洞。為保證建筑物的安全使用，需對邊坡進行加固處理。

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。邊坡巖體級別整體屬于破碎巖體，巖體級別整體確定為V級。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，采用圓弧滑動法計算該巖體邊坡穩(wěn)定性[8]，計算考慮坡頂荷載時不同區(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)范對一級邊坡的要求，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)定性計算分析結(jié)果

3 加固設計方案分析

綜合考慮場地條件和地質(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

該場地東側(cè)和北側(cè)，可采用注漿加固方案，在自場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，注漿孔自場地地面向下垂直鉆進。該段巖體破碎，通過注入水泥漿液，充填巖土體裂隙，從而達到提高巖土體強度的目的。

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

3.1.2坡面錨固+防護網(wǎng)方案

擬建場地可采用坡面錨固方案，通過錨桿嵌入穩(wěn)定巖層，達到邊坡加固的作用；通過鋼絲格柵SNS主動防護網(wǎng)對暴露巖石表面進行噴涂，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)場條件及地層情況，由于該方案水平錨桿施工難度大，海水會對錨桿產(chǎn)生銹蝕及SNS防護網(wǎng)會對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，同時通過在微型樁頂部設置鋼筋混凝土承臺把所有樁體聯(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：

(1)微型樁通過樁頂承臺可以形成空間整體結(jié)構(gòu)，并與樁間土體一起形成復合型擋土墻以支擋其后巖土體。相對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，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 微型樁加固設計分析

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

3.2.1微型樁內(nèi)力計算

文中邊坡巖體大部分為中風化大理巖，局部存在豎向破碎帶和全風化巖，巖體剛度相對較大，而對于較密實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將群樁連系成整體(如圖4所示)，上部承臺按剛性體考慮，群樁樁頂處位移相等，將微型樁組合結(jié)構(gòu)簡化為平面剛架結(jié)構(gòu)[15]，即當滑坡推力q作用于樁1時，通過上部承臺將荷載傳遞到樁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)計算模型如圖5所示，最后按照橫向約束的彈性地基梁法計算樁身內(nèi)力。

假設滑坡推力為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)計算簡化為平面剛架結(jié)構(gòu)，計算簡圖如圖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)計算模型

圖6 組合樁結(jié)構(gòu)計算簡圖

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，可求出承臺和樁體的軸力，這些參數(shù)為設計上部承臺和樁體提供了依據(jù)。

3.2.2微型樁抗剪計算

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

(1)樁體自身抗剪強度按下式計算：

F1=n[τ]As

(1)

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

(2)樁土組合體沿滑面方向單位長度的抗滑力可按下式計算：

F2=Gcosαtanφ+cl

(2)

式中，G—沿滑面方向單位長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—滑面長度。

3.2.3微型群樁計算參數(shù)

通過以上內(nèi)力分析，確定微型樁樁徑為250mm，樁長15m(進入坡底至少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)范對一級邊坡的要求，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作用：

(1)抗彎作用

微型樁通過上部承臺將群樁連系成整體，當樁體發(fā)生彎曲變形時，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度，阻止滑移體下滑，起到抗滑作用，增強邊坡的整體穩(wěn)定。，同時，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性能提高，進而加大了群樁與土體的抗滑能力。

(3)樁-土復合體

微型樁通過加固周邊土體，提高巖土體力學性能，與上部承臺連接，形成有機整體，共同承擔外部荷載，依靠微型樁與樁周土體的剛度和強度約束土體變形，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)的簡化計算模型，在實踐應用中安全、經(jīng)濟、合理。