考虑地震作用工况的建筑边坡稳定性核算案例分析

2015-09-13廖昉周康斌郭微

重庆建筑 2015年1期

廖昉，周康斌，郭微

（1中机中联工程有限公司，重庆 400039；2重庆市勘测院重庆市岩土工程技术研究中心，重庆 400020）

0 引言

新版《建筑边坡技术工程规范GB50330-2013》（本文简称《建边》）于2013年11月01日发布，2014年06月01日执行，本次规范调整边坡的稳定性计算方法，在进行折线形滑动面稳定性计算时，由老版的传递系数显式解法改为传递系数隐式解法。传递系数隐式解法也是现行《公路路基设计规范JTGD30-2004》的推荐计算方法。之前已有的工程经验和研究表明，传递系数显式解法在稳定性计算中无法处理中间计算条块推力产生负值的情况，即上条块是无法对下条块产生拉力的，在出现负值的情况后，显式解法得到的最终结果会有较大的误差，大大减小最终计算出的剩余下滑力，对最终的支挡设计指导造成不合理的情况。而隐式解法的稳定系数是每条条块单独计算的，能够将推力产生负值的条块推力设置为零来避免负值推力往下传递。最终的稳定性计算结构，新版规范的调整后隐式法更为合理[1-2]。

新版《建边》的稳定性评价中还新加入了在地震工况下的稳定性计算公式，很好的结合了传递系数隐式解法进行计算，在每个条块的计算中考虑地震带来的水平力。在山地建筑中，特别是对地震较敏感的地段进行补充地震工况下的稳定性验算是非常有必要了，弥补了之前老版规范的不足[3-4]。

1 传递系数法基本理论

1.1 传递系数法

边坡失稳一般是沿坡体内的软弱结构面滑动，滑动面往往不规则。在这种情况下，常根据地质勘察结果，将滑动面转化为折面，采用传递系数法来验算边坡的稳定性。这种方法是根据边坡滑动时滑动条块上的平衡条件，沿边坡倾斜方向从上往下逐一求出上一条块对下一条块的推力，以最后一个条块的推力来判断边坡的稳定性。

图1 折线形滑面边坡传递系数法计算简图

条块i中心有重力作用Gi，其底面倾角为θi在条块右侧面上作用有一（i-1）条块的不平衡推力Pi-1，（i-1）条块滑面的倾角为θi-1，在左侧面上作用有一（i+1）条块对其的反作用力Pi（即i条块的推力），（i+1）条块滑面的倾角为θ(i+1)，。底部作用有法向反力Ni和切向反力Ti。根据平衡条件得：

式中：Pn为第n条块单位宽度剩余下滑力（kN/m）；Pi为第i计算条块与第（i+1）计算条块单位宽度剩余下滑力（kN/m）；当Pi<0（i

在具体求解时需要试算，即先假定一稳定系数Fs，从边坡顶部第1块算起，求出它的推力P(i-1)，作为第1条块给第2条块的推力。再计算第2块在原有荷载和P(i-1)的作用下的不平衡推力Pi。如此计算到最后一块，如果该条块在原有荷载及不平衡推力P(n-1)作用下，求得其稳定系数为Fs（即该块的不平衡推力Pn为零），则即Fs为所求的稳定系数。如果不满足，可根据Fn小于零或大于零适当增减原定的Fs值，重新计算，直至条件满足为止。如果中间某一条块产生的推力Pi<0则将Pi设置为0，本次的推力不做累计往下传递，从而避免了推力为负值的情况[1-2]。

1.2 地震作用的计算

对塌滑区内无重要建（构）筑物的边坡采用刚体极限平衡法和静力数值计算法计算稳定性时，滑体、条块或单元的地震作用可简化为一个作用于滑体、条块或单元重心处、指向坡外（滑动方向）的水平静力，其值应按式（1）和（2）计算：

式中：Qe、Qei为滑体、第i计算条块或单元单位宽度地震力（kN/m）；G、Gi为滑体、第i计算条块或单元单位宽度自重（含坡顶建（构）筑物作用）（kN/m）；αw为边坡综合水平地震系数，由所在地区地震基本烈度按《建边》表5.2.6确定[3]。

2 工程实例

2.1 工程简介

某工程为拟建综合住宅小区，位于贵州省毕节市七星关区毕阳大道。场地地貌单元为岩溶谷地地貌；场地地形起伏大，标高1523.56～1567.71m，高差44.15m。因小区建筑功能需要，对前部进行开挖形成人工边坡，坡脚拟建下部裙房上部塔楼的综合楼，并且在第二台阶上需要修建25层住宅建筑（剪力墙结构，采用桩基础），因形成后的边坡对抗震敏感，在进行稳定性计算时需要地震力参与计算，确保边坡稳定和建筑物的安全。根据地勘报告，该工程边坡安全等级均为一级。

工程所在场地内无断层构造通过，岩层呈单斜构造。出露地层有第四系耕土（0.30～0.60m）、下伏基岩为三叠系安顺组中风化白云岩（T1a），倾向324o，倾角46o。该边坡以岩质边坡为主，为岩土结合边坡。浅表为土层，土层与基岩层接触面，呈折面，为最可能的滑动面，且顺向坡沿外倾层面滑移。据区域水文地质资料，场地地下水类型主要为耕土和红粘土中的上层滞水和岩溶裂隙水，场地地下水埋藏较深，附近无环境水流入，主要为大气降水补给的地下水迳流区，水文地质条件简单。工程典型剖面，如图2所示。

图2 典型工程剖面图

2.2 滑坡机理分析及参数的确定

稳定性计算中必须首先确定边坡的潜在滑动面，根据地勘报告结论及相关资料分析，该工程的潜在滑动面为土岩分界面，从典型剖面图图2可知土层层面外倾，且土体沿岩层接触面结合较弱，在坡脚开挖后，原有坡脚岩土反力被释放掉，必定发生顺层滑动，在层面处形成潜在剪出口。

滑动层主要为红粘土（QeL+dl），粘性较好，捻面细腻、光滑，厚5.20～11.20m，重度为16.90kN/m3，粘聚力为35.8kPa，内摩擦角为10.5o;其下为强风化至弱风化白云岩（T1a），岩芯呈砂状、碎块状，厚0.30～0.80m，重度为23.50kN/m3，粘聚力为50kPa；内摩擦角20O。滑动面的粘聚力为20kPa，内摩擦角为12.5°。

毕节市抗震设防烈度为6度，该工程建筑与边坡结合较紧密，根据边坡方案专家论证会意见，并根据《建边》新增第7章“坡顶有重要建（构）筑物的边坡工程”中的相关内容，在边坡稳定性计算中需要考虑建筑物基础对边坡产生的不利影响。前侧裙房和塔楼与边坡及边坡支挡结构脱缝处理，不影响边坡。而后侧塔楼整体落在边坡上，塔楼设计采用桩基础，竖向荷载通过桩身直接专递到滑动面以下稳定基岩中，避免了垂直荷载直接作用到边坡潜在塌滑体上，但由地震力产生的水平荷载依然会通过基础传递到滑体上。地勘报告对该工程建筑的场地的认定为抗震不利地段，按论证会专家意见及依照《建筑抗震设计规范GB5001-2010》4.1.8条，在进行塔楼结构体计算的时候对地震影响系数放大1.6倍进行计算。抗震设防三水准的设计目标为“小震不坏、中震可修、大震不倒”。边坡的稳定性应保证建筑主体在大震情况下不倒塌，因此边坡必须承受住建筑主体在大震时传来的基底剪力。按专项论证会意见，在计算边坡体的地震力影响时，按原设防烈度提高一度7度采用。

2.3 稳定性计算

稳定性计算采用《建边》中附录A的传递系数法隐式解法，条块划分按图3所示。地震力影响按《建边》中5.2.6-1式计算，综合水平地震系数αw按《建边》中表5.2.6 7度（0.10g）对应取0.025。该项目中，边坡与建筑同步设计，在稳定性计算中，第9条块会承受建筑基础传来的水平基底剪力，上部建筑基础布置图见图4，根据结构已通过结构计算，得到SATWE大震（罕遇地震）下得到的基底剪力附加到水平力进行计算。基底剪力产生的单位宽度水平荷载为80kN/m。

支护结构采用桩板挡墙加预应力锚索进行支护，锚索间距4×4m，每根锚索张拉设计值770kN。在计算稳定性时仅考虑预应力锚索富余拉力对稳定产生的帮助。根据《建边》锚索公式反算得到支护结构对最后一个滑块产生的抗滑力为558kN/m。

无支护条件下的稳定系数通过《建边》附录A公式根据本文上一节所提到的方法反复回带试算，当最后一个滑块剩余下滑力为0的稳定系数为坡体的稳定系数Fs。支护条件下稳定性系数根据《建筑边坡工程鉴定与加固技术规范GB50843-2013》进行计算，带入锚索产生的抵抗力R0=558kN/m，得到支护条件下的稳定系数。