某住宅区高边坡稳定性分析与支护设计

2018-07-11葛泉

中国石油大学胜利学院学报 2018年2期

葛　泉

(中国石油大学胜利学院后勤保障处,山东东营 257000)

一直以来边坡稳定性问题都是岩土工程研究领域中一项重要内容。它涉及公路、铁路、矿山、水电等诸多工程领域,能否正确评价边坡的稳定性直接关系到工程建设资金的使用效率和人民的财产生命安全[1]。当岩质边坡的高度大于30 m时就形成了一般意义上的高边坡,这种类型的边坡由于高度等因素会对其边坡稳定性造成重要影响。尤其是在建筑场区或住宅区周围形成的高边坡,一旦稳定性得不到有效保障,产生变形或者崩塌,对周围建筑物安全及人民的生命财产安全都会形成潜在的威胁和危害。因此,针对住宅区高边坡进行稳定性分析,设计边坡支护方案,对保障人民生命财产安全和周围建筑物安全具有重要意义。郑颖人、赵尚毅(2004年)将有限元强度折减法应用于均质土坡与岩质边坡[2],曾亚武、田伟明(2005年)将极限平衡方法与有限元数值计算方法结合起来分析边坡稳定性[3],巨能攀等(2009年)基于过程模拟与控制进行边坡稳定性分析后进行支护优化设计[4],余寿全等(2017年)在稳定性评价的基础上采用“预应力锚索+锚筋桩+钢筋混凝土挡墙”的支护方案[5]。但对于住宅区高边坡的支护,尚无非常成熟完备的解决方案,仍需根据其工程地质特征在稳定性分析的基础上优化设计。本文以烟台某建筑住宅区挖方高边坡为例,通过对其地质条件和岩土特征进行深入研究,采用相应的计算方法对高边坡进行稳定性分析评价,并在此基础上提出具有针对性地边坡支护设计方法,为其他相似的高边坡支护设计与施工提供参考和借鉴。

1　工程概况

烟台市地处山东半岛东北部,地形为低山丘陵区,山丘起伏和缓,沟壑纵横交错。山地和丘陵面积占全市总面积的76%,比重较大。随着经济和城镇化发展,城市由平原地带向山区丘陵地带延伸延展,不可避免的对山区丘陵地带的土地资源进一步开发利用,因此而产生的建筑场区和住宅区的高边坡数量越来越多,规模也越来越高,越来越陡。

烟台某房地产公司拟在烟台市芝罘区建造某住宅区工程,因工程建设需要,在场区南侧形成挖方永久性边坡。边坡北侧为规划拟建高层住宅和幼儿园,边坡与区内建筑之间间隔区内规划路一条,路宽7.0 m,路线以挖方的形式通过。

该边坡呈圆弧形,长度180 m,高度18 m,建筑边坡类型为岩质边坡,岩体类型为IV类,按照《建筑边坡工程技术规范》(GB50330-2013)[6]和本边坡的重要性,边坡工程安全等级为二级。

本场区地形起伏较大,场地地势呈南高北低、西高东低,坡向朝南,坡度55°,坡高约18.0 m,坡比为1∶0.8。

1.1　工程地质条件

场地地貌单元为丘陵。场地内地层结构较简单,局部含第四系土层多为素填土,基岩为主,下伏基岩主要为古元古界粉子山群岗嵛组二段(Pt1fG2)变粒岩,局部穿插有云母片岩、花岗岩等。场区东部岩层层理产状为278°∠54°,西部岩层产状为350°∠42°。结构面倾角多为54°和42°,节理裂隙发育。各层情况如下:

(1)全风化变粒岩。灰绿色,岩体构造、结构已经基本破坏,其中主要的矿物成分有黑云母、石英、长石、角闪石,本层岩石风化成砂土状。场区较普遍分布。厚度:1.20～12.20 m,平均4.01 m。

(2)强风化变粒岩。灰褐色,粒状变晶结构,块状构造,其中主要的矿物成分有黑云母、石英、角闪石、长石,节理裂隙较为发育,RQD=0。局部夹石英碎块。岩石坚硬程度为极软岩,岩体破碎,岩体基本质量等级为Ⅴ级。场区较普遍分布。厚度:0.80～20.00 m,平均8.88 m。

(3)中风化变粒岩。灰褐色,粒状变晶结构,块状构造,其中主要的矿物成分有石英、长石、黑云母,节理裂隙较为发育,岩芯多呈短柱状,RQD=30～70,风化裂隙较发育。属软岩,较完整,岩体基本质量等级为IV级。场区较普遍分布。厚度:0.90～24.00 m,平均8.48 m。

1.2　地下水条件

勘察期间,勘察深度范围内各钻孔未见地下水稳定水位。考虑到本工程位于山坡下,场地内有冲沟通过,在雨季,场地内不排除有季节性地下水存在。

1.3　区域地质构造及地震

勘察过程中,对场地内出露岩体进行现场踏勘,暂未发现有断裂分布。综合地质构造资料,场地内无全新活动断裂通过,根据地震台观测及历史记载,区域自建立地震网至今没有五级以上地震发生,场区相对稳定。

2　边坡稳定性分析

边坡稳定性分析是边坡支护设计的前提,目前可以采用的方法主要有极限平衡法、强度折减法、数值模拟法等。鉴于此建筑住宅区高边坡独特的地质条件和岩土性质,边坡变形破坏模式的复杂机理,应采用有效的计算方法评价其边坡稳定性,并有针对性地对高边坡进行加固支护。

2.1　边坡计算剖面

选取最不利情况剖面为边坡计算剖面,边坡几何特征如图1所示。

图1　计算剖面

2.2　力学参数

根据本工程的《岩土工程勘察报告》,结合邻近工程的施工经验,岩层的岩土参数选用见表1。

表1　边坡力学参数选用

2.3　稳定性计算

影响边坡稳定性的因素很多,包括岩体结构面产状、裂隙发育情况、地下水作用、荷载作用、岩体的抗剪强度、地震作用等。本工程主要考虑边坡在自然状态下的稳定性问题。利用极限平衡法及莫尔——库伦准则进行分析,计算岩体边坡的稳定安全系数[7-10]。岩体边坡的稳定安全系数按下式计算,计算结果k=1.03。

(1)

Ni=Gicosθi.

(2)

Ti=Gisinθi.

(3)

Ri=Nitanφi+cili.

(4)

式中,k为边坡稳定安全系数;Gi为第i条块滑体单位宽度上的滑体重力,kN/m;Ni为第i条块滑体重力在垂直于结构面方向的分力,kN/m;Ri为第i条块滑体平行于结构面方向的抗滑力,kN/m;Ti为第i条块滑体在结构面上的下滑力,kN/m;ci为第i条块滑体结构面上的黏结强度标准值,kPa;θi为第i计算条块滑体结构面的倾角,(°);li为第i计算条块滑体滑动面的长度,m;φi为第i计算条块滑体结构面的内摩擦角,(°)。

按照《建筑边坡工程技术规范》(GB50330——2013)中规定的边坡稳定性状态划分,边坡稳定性状态可根据边坡稳定性系数按表2确定[11-13]。

表2　边坡稳定状态划分表

该边坡自然状态下稳定安全系数为1.03,处于欠稳定状态。由于规划道路及小区住宅建设,挖方量较大,该边坡与场区规划道路距离相隔较近,必然引起边坡体内应力的重新调整,在一定程度上打破原有的岩体力学平衡状态,使得边坡处于更加不稳定状态,亟需采取支护措施。

3　边坡防护设计

3.1　支护方案

在山区岩石边坡工程中,岩石边坡支护和加固方法的研究是边坡治理工程的重点。目前国内成熟的边坡支护方法较多,例如重力式挡土墙、桩板式挡墙、锚杆(索)支护、格构式锚杆挡墙、坡率法等,适用于不同的边坡环境条件和边坡安全等级[14-17]。

本边坡为岩质边坡,风化严重,属Ⅴ—Ⅳ类岩体,岩体不完整—较完整。结构面倾角多为54°和42°,节理裂隙发育,该边坡为欠稳定边坡,按照工程建设要求,该边坡支护工程采用永久性结构支护设计方案。该边坡安全等级为二级,采用动态设计法和信息化施工。

根据边坡高度、工程地质条件以及周边环境特点,采用岩石锚喷支护方案。该方案技术先进,安全可靠,经济合理,能够确保边坡稳定,以及边坡使用期限内周边建筑物、道路及地下设施安全[18-19]。由于自身明显的优势和特点,岩石锚喷支护一直是山区高边坡常用的支护方法,并在实际工程实践中得到了非常广泛的应用[20]。具体支护方案如下:

(1)锚杆采用全黏结钢筋锚杆,长度12 m,间距2.0 m,行列式排列。实际工程中,考虑到锚杆耐久性和对岩土体加固效应等因素,锚杆实际锚固长度可适当加长。锚杆倾角宜为15°～25°。

(2)坡面均采用C20混凝土挂网喷面,钢网喷射混凝土面板厚150 mm,双网配筋,网筋采用Φ6.5@250×250钢筋网片,边坡总长度约180.0 m。支护设计断面图见图2所示。