某山区城市道路路堑高边坡加固方案研究
2018-11-09李晨
李 晨
(中恒工程设计院有限公司,四川 成都 610000)
0 引言
山区城市人多地少,土地资源极其宝贵,因此,在城市发展的过程中,为了增加土地供应,不可避免地会出现“向山丘要土地”的举措,其市政道路也随之出现了一批深挖方、高填方等在平原城市中罕见的情况。虽然随着设计理论和技术设备的不断进步,设计工作计算过程简化、速率加快、计算精度大大提高,但在实际施工验证中还是出现了一些问题,往往引起设计方案变更,资金投入加大,甚至导致边坡出现滑移、垮塌等情况,给业主的管理、施工的进度和工程的安全带来了一定的隐患。其中的原因虽然是多方面的,但设计方案科学与否、勘察工作是否严谨也是造成以上问题的重要原因,有必要对其进行深入研究。
1 工程概况和地质结构
1.1 工程概况
本道路总体成东西走向,全长约1 km,红线宽度30 m,道路等级为主干路,设计时速40 km/h,交通等级为重交通。
该市政道路挖方边坡属岩质边坡,最高大于30 m,为高边坡。原设计采用分级放坡形式处理,每8 m一级,坡率从底部往上依次为1:0.75、1:1、……1:1,每级之间设置2 m宽平台。具体见图1。
1.2 边坡滑移情况简介
施工期间,在道路K0+620右侧坡顶部位,出现了长度约5.00 m,高度约3.00 m,体量大约14 m3的滑塌体;在K0+770右侧标高565.24 m第一阶平台部位,出现了长约9.00 m,高约3.00 m,体量约50 m3的滑塌体;另在发生滑塌的坡面部位有长度、宽度不等的裂隙分布,存在继续产生滑塌的可能,见图2、图3。
1.3 区域地质构造
本项目所在地构造带产生于侏罗系、白垩系地层中,表现为舒缓宽展的褶皱,断裂极少,呈现由北东逐渐向东面偏转的弧形褶皱,总的趋势为北东东向。
由于该边坡地理位置相对较高,整体南西高北东低,属浅丘斜坡地貌。暴雨时,局部雨水汇集,在坡顶局部地段有冲刷现象,对坡顶岩土体的稳定有一定的影响。
1.4 边坡岩体结构特征和物理力学性质参数
场地地层由上至下依次是粉质粘土、泥质粉砂岩夹粉砂质泥岩。具体构特征如下:
粉质粘土①(Q4dl):主要在场地内的坡顶及坡脚前沿斜坡地段分布。褐黄色,湿,可塑。干强度较高,韧性较好。层厚1.00~2.70 m。该层物理力学性质一般,是中压缩性土,有一定承载力,分布较稳定。
泥质粉砂岩夹粉砂质泥岩②:呈紫红色,为泥质、粉砂质结构,薄~中厚层状构造,强风化带以下层理清晰,产状185°∠5°。根据风化程度,可将其划分为强风化层②1和中风化层②2。
图1 一般路基设计图
图2 滑移位置
图3 边坡横断面图
原道路详勘提供的各岩土物理力学指标值见表1。
表1 岩土主要物理力学指标值
2 边坡滑移现象及稳定性分析
2.1 采用圆弧滑动法进行边坡稳定性分析试算
圆弧滑动法是道路边坡最常用的稳定性分析方法。在详勘阶段,勘察单位只提供了岩土体自身的抗剪强度参数,此参数也只能应用于圆弧滑动法,因此先用圆弧滑动法进行试算,见图4。
图4 圆弧滑动法稳定性分析原理图
采用圆弧滑动法计算,抗滑力矩MR和滑动力矩MS之比,即为该岩坡的稳定安全系数FS:
采用简化Bishop法,使用理正岩土计算程序对边坡进行稳定性验证计算。选取边坡最高的30.5 m处,具体岩土层参数选取表1中的数据。
根据计算,本边坡在一般工况下的滑动安全系数为6.939,地震工况下安全系数为6.631。根据规范[1],该道路为主干路,其稳定安全系数正常工况取1.30,地震工况取1.10。按此方法计算,本边坡稳定性系数满足规范,是稳定的。
2.2 圆弧滑动法存在的问题
鉴于边坡发生失稳破坏的实际情况,可看出圆弧滑动法计算结果与实际情况不同。具体原因分析如下:
(1)计算模型选择。由于绝大多数城市道路工程所在区域均位于相对平坦的地形区,填挖方量相对不大,边坡高度较低,且绝大部分都为土质边坡,用圆弧滑动模型进行分析计算是合理的。而这往往导致缺乏经验的设计人员产生惯性思维,将其应用至所有项目设计计算中。而从滑塌现场可以看出,滑塌体均位于岩质边坡,滑动面基本呈直线或折线,因此对整个边坡简单地采用圆弧滑动法进行计算是不合理的。
(2)计算参数选取。选用圆弧滑动法进行分析时,其抗滑力的主要来源是岩土体自身的抗剪强度(粘聚力、内摩擦角)。本项目岩体自身的抗剪强度较强,使得安全系数偏大。而根据实际情况可看出,边坡垮塌滑动面和潜在裂隙均位于岩石结构面,因此对此部位作稳定性分析计算时应当选用岩层结构面抗剪强度值,方能得到符合实际的结果。
2.3 边坡稳定性重新计算
2.3.1 稳定性分析方法及计算参数的选取
根据上文分析,结合地质情况,可首先对边坡采用赤平极射投影法作定性分析,再使用平面滑动解析法进行定量计算[2]。为此,应要求勘察单位进行补充勘察,提供赤平投影图和岩石结构面抗剪强度相关参数。
根据补充勘察报告的结果,本边坡稳定性分析的相关参数见表2。
表2 补充勘察岩土主要物理力学指标值
2.3.2 赤平投影图分析
根据该调查点的赤平极射投影图(见图5)解析:该边坡坡面产状193°∠46°,岩层层理面产状175°∠5°,为顺向坡,岩体呈薄层~厚层状构造;节理面④、⑤、⑥、⑦倾角较大,接近竖直,裂面较平直,无充填,张开0.1~0.3 cm,裂隙间距15~50 cm,属硬性结构面,结合差,可见发育长度3~5 m。右侧边坡层理、节理的交点位于边坡线同侧,节理与层理之间的交点均位于边坡弧线外侧,即节理裂隙与层理的组合交线倾角较边坡面倾角缓,极易沿组合线滑动,属于不稳定边坡。
图5 赤平极射投影图
2.3.3 定量计算
边坡平面滑动稳定性分析(极限平衡法),计算简图见图6。基本参数见表3。
图6 计算简图(单位:mm)
表3 基本参数选取表
根据计算,本边坡在一般工况下的滑动安全系数为1.214,地震工况下安全系数为1.027。根据规范,边坡不满足规范规定的安全系数,是欠稳定的。
3 边坡加固方案分析与比选
3.1 方案一——坡率法
拟将边坡四级边坡坡率放缓为 1∶1、1∶1.25、1∶1.25、1∶1.5。采用平面滑动法,考虑正常工况和地震工况两种工况,选取边坡最高、最不利的位置进行稳定性分析计算。根据计算,一般工况下的滑动安全系数为1.336,地震工况下安全系数为1.110。
由此可见,坡率调整后,在天然工况和地震工况下均满足相关安全系数要求[1]。因此,采用坡率法可使稳定性系数满足规范,技术上是可行的。
3.2 方案二——抗滑桩
抗滑桩具备施工安全性高,土石方开挖少,对滑体变形及稳定性影响小,在施工过程中可同步验证地勘资料,发现隐患可以及时处理等优势。根据本项目边坡地质情况,可作为比选方案之一。
根据计算,本方案可如下设置:
墙身尺寸:桩总长:16.000 m;嵌入深度:8.000 m;截面形状:方桩桩宽:1.500 m;桩高:2.000 m;桩间距:3.000 m。
具体设计简图见图7。
图7 抗滑桩方案设计简图
根据计算,抗滑桩方案的各项安全系数和指标满足相关规范,技术上可行。
3.3 方案三——锚杆框格支护
本方案是在清除滑坡体后采取锚杆+坡面格构进行边坡治理。具体可如下设置:
水平间距:3 m;竖向间距:3 m;锚杆长度:5~18 m;格构截面尺寸:0.3 m×0.3 m。具体设计简图见图8。
图8 锚杆框格方案设计简图(单位:mm)
根据计算,锚杆框格设计方案的各项安全系数和指标满足相关规范要求,技术上是可行的。
3.4 方案比选
根据计算,以上三种方案在技术上都可以提高边坡稳定性,但应结合城市道路特点进行综合比选,见表4。
表4 方案比选表
作为城市道路工程边坡治理方案,在选取时应当着重遵循契合上位规划、减少征地拆迁、提升城市景观、减少环境破坏等原则。根据这些原则以及表4的对比可以看出:
(1)坡率法虽然施工简便、造价最低,但突破用地红线,侵占大量非道路用地,与规划冲突,其对植被的破坏和弃土堆填导致了严重的环境破坏,因此不具有可行性。
(2)抗滑桩技术上可行,但投资巨大,竣工后景观效果较差,不适用于本次城市道路工程,因此也不具备可行性。
(3)锚杆框格方案造价适中,不侵占额外用地,新增土方量最小,且框格间采用植物防护后,景观效果可以接受。
综合以上论证分析,采纳方案三作为推荐方案。
3.5 验证计算与实施效果
采用锚杆框格结合综合支挡加固措施后,用理正软件进行验证计算,得出一般工况安全系数为1.387,地震工况安全系数为1.196,加固治理后的边坡稳定性系数满足规范[1]。目前,工程已按设计方案完成主体施工,边坡状况良好,坡体稳定。
4 结论
(1)边坡稳定性分析应当选取正确的计算方法和岩土力学参数。对于岩质边坡,应当采用平面或折线滑动法进行计算,并选取岩体结构面抗剪强度进行计算。
(2)对于城市道路边坡支挡防护工程,在方案比选时应当综合考虑规划契合度、土地占用、城市景观效果以及环境影响等多方面因素,不能仅仅依据技术因素和投资造价进行判断。
(3)边坡治理应当遵循综合治理的思路和措施,通盘考虑支挡结构、边坡排水、坡面防护等内容。