某高填方边坡在勘察阶段的稳定性分析

刘忠铅 刘 岩

(1.中航勘察设计研究院有限公司，北京 100098；2.中兵勘察设计研究院有限公司，北京 100053)

0 引言

随着我国经济建设的不断发展，开挖山体产生的弃渣堆填而成的高大填方边坡也随之增多，在这种边坡上新建建筑物时，不仅要考虑建筑物地基土的承载力和沉降，还要考虑填方边坡的整体稳定性。边坡的稳定是建筑物地基稳定的前提条件，因此，在勘察阶段，选取具有针对性的分析方法对边坡进行稳定性分析，并提出可行的边坡防护方法以及地基基础形式建议显得更加重要。在填方边坡稳定性分析研究方面，何成兵[1]、江 平[2]、陈金明等[3]从填方边坡的变形角度进行了稳定性研究；王志强等[4]、赵建军等[5]、邓凯伦等[6]对降雨条件下边坡的稳定性进行了重点分析；薛 桦[7]、杨志民[8]对地震作用下的边坡稳定性进行了研究；黎佳初[9]、何 潘[10]、谢佳能[11]等则分别从设计和施工角度对边坡的稳定性进行了研究。前人均从自己的研究角度，分别采用极限平衡法或者有限元法建立不同的数值分析模型，对不同作用机制下的边坡稳定性影响进行了评价。

本文将在勘察阶段对所研究的高填方边坡模型分别选取不同的潜在滑动面进行分析，以极限平衡法为基础，重点针对建筑物地基土受力状态进行分析，从而根据分析结果与现场实际环境条件提出合理的边坡防护以及地基基础建议。

1 工程概况

1.1 场地现状

拟建场地位于河北省与北京市西北交界的山区，现场地貌属中低山区的山麓斜坡地带，原为山区林地、斜坡、沟谷，现为人工堆积形成的平地、斜坡。受隧道开挖弃渣的影响，场地现状为堆渣场地(顶部已整平)，在渣堆边缘形成高约20 m、坡度35°的人工边坡；边坡顶部为隧道施工平台，搭建有临时办公区、加工棚等，另有各种施工机械、设备零散堆放，边坡下部为施工便道。拟在边坡顶部平台上新建一处隧道附属建筑，基础长约32 m，宽约16 m，其基础外边线距离边坡上口约14 m，地基承载力要求180 kPa。本次所研究边坡的具体情况见图1。

图1 边坡现状

1.2 工程地质条件

拟建场地表层以块石素填土为主，其主要构成物为隧道开挖产生的洞渣，下部为坡洪积碎石土、粉质黏土等，底部为燕山期花岗岩。拟建场地内地层分布情况以及建筑物位置见图2。

根据勘察资料，各土层物理力学计算参数见表1。

表1 各土层物理力学计算参数表

拟建场地场地类别为II类，抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.20g，设计地震分组为第二组。

根据勘察资料，拟建场地地下水水位季节性变化较大，非降雨条件下块石素填土层内基本不含水，根据勘察期间揭露的各地层含水情况，填土①层及碎石土②层(含粉质黏土②2层)含水量较小，碎石土③层底部含水量较大，可见本场地内地下水稳定水位埋藏较深，因此，边坡稳定性分析时不考虑地下水的影响。

2 稳定性分析方法

由于填土层回填时间较短，且回填方式为抛填，具有结构松散、均匀性差、欠固结等特征，自身发生滑动的可能性较大，另外填土层与原状碎石土之间接触面为一未经人工处理的接触面，存在坡体沿接触面发生整体滑移的可能，因此，该边坡存在两种可能的滑动方式：一是沿填土层底面发生滑动，其潜在滑动面可视为折线形滑动面；二是填土体自身发生滑动，其潜在滑动面可按圆弧形滑动面考虑。

目前《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330-2013)(以下简称“边坡规范”)涉及到的边坡稳定性计算方法主要以极限平衡法为主。对于圆弧形滑动面，简化毕肖普法准确性较高，已得到了国内外的公认。对于折线形滑面，摩根斯坦-普莱斯法是一种严格的条分法，计算精度很高，是国际上通常采用的一种计算方法。

在边坡稳定性分析中，本文选用简化毕肖普法对块石素填土内部的圆弧形潜在滑动面进行稳定性计算，选用摩根斯坦-普莱斯法对填土层底面的折线形滑动面进行稳定性计算。

3 稳定性分析

由于建筑物设计要求地基承载力不小于180 kPa，因此，在边坡稳定性分析时将其折算为竖直方向的均布荷载。根据现场地层以及荷载分布情况建立分析模型(见图3)。

图3 边坡稳定性分析模型图

3.1 填土层底面滑动

如图3所示，假设边坡体沿填土层底面发生滑动，以该底面作为折线形潜在滑动面建立计算模型，采用摩根斯坦-普莱斯法进行稳定性计算。

本文针对该计算模型在一般工况、地震工况和暴雨工况条件下分别进行了计算，并得到了各工况条件下的最不稳定潜在滑动面和所对应的安全系数，其中一般工况计算简图见图4，地震工况计算简图见图5，暴雨工况计算简图见图6。

图4 折线形潜在滑动面一般工况计算简图

图5 折线形潜在滑动面地震工况计算简图

图6 折线形潜在滑动面暴雨工况计算简图

从图4中可以看出，在一般工况下边坡潜在滑动面上口位于建筑物与山体中间，沿填土及粉质黏土底面至边坡坡脚，其安全系数2.031，边坡处于稳定状态；从图5中可以看出，在地震工况下边坡潜在滑动面上口位于建筑物与山体中间，沿填土底面以粉质黏土内部至边坡坡脚，其安全系数为1.396，边坡处于稳定状态；从图6中可以看出，在暴雨工况下边坡潜在滑动面上口位于建筑物与山体中间，沿填土及粉质黏土底面至边坡坡脚，其安全系数为1.527，边坡处于稳定状态。

3.2 填土层内部滑动

假设边坡土体沿圆弧形滑动面发生滑动，采用简化毕肖普法进行稳定性分析。为了分析建筑物地基土发生滑动的规律，本次采用指定潜在滑动面上口的方式，从边坡上口线起沿山体方向每2 m搜索并计算一次最危险潜在滑动面，在一般工况、地震工况和暴雨工况下分别计算各潜在滑动面的安全系数以及受力情况，各潜在滑动面在不同工况下安全系数计算结果见图7。

图7 不同工况下安全系数计算结果

如图7所示，在各种工况下，潜在滑动面上口距离边坡上口越远，安全系数越大。根据边坡规范中对于永久性一级边坡稳定安全系数Fst的规定，一般工况下Fst取值1.35，地震工况和暴雨工况下Fst取值1.15。一般工况下，边坡处于基本稳定—稳定的状态，建筑物基础范围内土体处于稳定状态；地震工况下，边坡处于欠稳定—稳定的状态，建筑物基础范围内土体处于基本稳定—稳定状态；暴雨工况下，边坡处于不稳定—稳定的状态，建筑物基础范围内靠近边坡一侧土体处于不稳定状态。

4 计算结果分析

根据两种假设条件下不同工况的计算结果，边坡土体在各种工况下都基本不会沿填土层底面发生折线形滑动；在边坡土体沿圆弧形滑动面发生滑动的假设条件下，一般工况和地震工况下边坡发生滑动的可能性较小，但在暴雨工况下，边坡土体发生滑动的可能性较大，并且建筑物基础下部土体也处于不稳定状态，因此，本文仅对边坡土体发生圆弧形滑动假设条件下暴雨工况的计算结果进行分析。

以填土层内部潜在圆弧形滑动面为假设滑动面，在暴雨工况下安全系数为0.845～1.540；当其上口线位于建筑物基础以外靠近边坡一侧时，安全系数为0.845～0.984，边坡土体易发生滑动；当其上口线位于建筑物基础范围内时，安全系数为0.995～1.252，其低值发生在建筑物基础靠近边坡一侧，该部分土体易发生滑动；当其上口线位于建筑物基础以外靠近山体一侧时，安全系数大于1.210，边坡土体不易发生滑动。由此可见，在暴雨工况下，建筑物基础下部土体易发生失稳，从而直接造成建筑物被破坏。

因此，在边坡上部修建建筑物，要保证建筑物地基土的稳定性，首先需要保证边坡体的稳定，边坡防护结构需提供足够的抵抗力抵消边坡体滑动时产生的剩余下滑力。暴雨工况下，根据计算结果确定距离边坡上口24 m范围为易滑段，则边坡易滑段各潜在滑动面受力状态见图8，剩余下滑力计算结果见图9。

图8 边坡易滑段受力状态

图9 边坡易滑段剩余下滑力

从图8和图9中可以看出，各潜在滑动面上口线距离边坡上口越远，下滑力和抗滑力同步增大，剩余下滑力在距边坡上口4 m处(建筑物基础以外)达到最大值，为209.205 kN，所对应的下滑力为2294.739 kN，抗滑力为2085.534 kN，因此，边坡支护结构要使边坡在暴雨工况下达到稳定状态，需提供至少2294.739×1.15-2085.534=553.416(kN)的抵抗力，同时由于边坡高度较大，需采用分段组合防护的方式。根据周边地形地貌条件以及现场实际地质情况，建议采用下部扶壁式挡墙+上部钢筋混凝土格构干砌石护坡，或下部悬臂式挡墙、注浆回填后上部采用浆砌石护坡等护坡方式。

在保证边坡稳定的前提下，由于建筑物地基土为未完成固结的人工填土，后期发生变形的可能性很大，因此需要采用大直径嵌岩桩，将建筑物荷载通过基础桩直接传递到稳定基岩，抵消地基沉降带来的不利影响，同时大直径桩也可以抵消一部分水平应力，以抵抗人工填土固结过程中产生的各向蠕变应力。

由于大直径嵌岩桩的作用，抵消了建筑物荷载对边坡的影响，在不考虑荷载的条件下，计算暴雨工况下边坡各潜在滑动面上口线所对应的安全系数计算结果见图10，剩余下滑力结算结果见图11。

图11 暴雨工况下不考虑荷载条件剩余下滑力

从图10和图11可以看出，在不考虑荷载的条件下，建筑物基础范围内不存在不稳定滑动面，其剩余下滑力最大值仍然出现在距边坡上口4 m处且数值不变，即基础以外靠近边坡一侧受力状态不受建筑物荷载影响。

5 结论

在山区填方体上修建建筑物是一个综合性问题，尤其是在填土未完成自重固结的情况下，要以边坡的整体稳定为前提条件，结合适当的地基基础方案，以此来保证建筑物使用期间的安全稳定。

针对本文中的建筑物，从勘察的角度建议采用下部扶壁式挡墙+上部钢筋混凝土格构干砌石护坡，或下部悬臂式挡墙、注浆回填后上部采用浆砌石护坡等方式对边坡进行防护，建筑物基础采用大直径嵌岩桩桩基础。