山地建筑与建筑结构相结合的边坡支护设计优化

高文工

(福建省建筑设计研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

随着山区人民生活水平的提高，经济及工程技术的发展，省内山地住宅、交通、铁路、工厂等建筑越来越多[1]，为保证场地稳定性及提高场地空间利用率，山地建筑中边坡支护至关重要。基于支护工程具有安全风险大、不确定性影响因素多、工程造价高、与周边建筑景观不协调等特点[2]，本文以福州市闽侯县一山地项目为例，介绍了与建筑结构设计相结合对边坡支护工程优化设计思路与措施。

1 边坡工程概况

1.1 边坡位置

拟建项目位于福州市闽侯县竹岐乡竹西村316国道旁，场地东北侧为闽江，场地建设东北侧红线位置为景观绿化平台，设计标高为黄海64.5 m，原状标高为黄海49.0 m，垂直高差约15.5 m，为保护闽江水源需进行边坡支护。边坡位于如图1所示的岩用地红线位置。

图1 边坡工程分布图

1.2 地形地貌

该场地位于闽侯县竹岐乡竹西村浮岛山，地貌单元为丘陵小山地貌单元。该项目边坡位置原状为V字形冲沟，水流汇入闽江，因场地整平将该冲沟回填，回填土最深约25 m。

1.3 工程地质条件

场地上部地层以杂(素)填土、坡积粉质粘土、残积粘性土等为主，为人工堆积、坡积、残积成因。杂(素)填土大部分为新近填土，属较高压缩性、弱～中等透水性土层，力学强度差，承载能力低，成分较复杂，均匀性差；坡积粉质黏土、残积粘性土为中等压缩性土的微～弱透水性地层，厚度较薄，分布不均匀，稳定性差，均匀性差。场地中部地层以全风化斑岩、砂土状强风化斑岩为主，为风化成因，全风化斑岩、砂土状强风化斑岩层一般强度随深度增加而增长，分布不稳定，局部缺失，稳定性差，均匀性差。场地下部地层以碎块状强风化斑岩、中等风化斑岩为主。其中：碎块状强风化斑岩岩层面起伏较大，分布不均匀，岩层强度较高，强度随深度增加而增长，工程地质性能良好，整体稳定性较好，但是均匀性较差；中等风化斑岩，岩层强度高，基本上为不可压缩性地层，稳定性好，但层面坡度变化较大，均匀性较差(典型地质剖面如图2所示)。从图2中可知，该项目地形陡峭、地质条件复杂，局部地层中存在中风风化核，对后期工程施工存在不利影响。

图2 典型地质剖面图

场地位于剥蚀残山，地势较高，对该工程产生影响的汇水面积约101 200 m2，场地地势依山形变化总体呈西高东低，局部西南侧地势呈东高西低，现有场地中平地的排水坡度一般为2°～10°，斜坡的排水坡度一般为25°～50°，局部陡坡处为70°～83°，地表水及地下水由地势高处向低处径流排泄，排水较通畅，流向闽江内，排水长度约120 m～180 m。场地内大部分地段植被均已被破坏，边坡土层裸露，因此，总体地表水对坡面、坡脚冲刷作用较大。边坡塌方风险较高，须采取措施对边坡进行治理。

该场地岩土层均属弱透水地层。雨季来临或较大集中降水时，由于岩土层排泄速度较慢，在短期内岩土层中可能存在地下水，地下水类型主要为孔隙潜水及裂隙潜水。孔隙潜水主要分布于第四系的坡积、残积地层中，常形成丰富的孔隙水，透水性较差，埋藏一般较浅，受大气降水补给，其类型为孔隙性潜水，多以渗流及蒸发方式排泄，部分下渗至下卧基岩，成为基岩裂隙水。

边坡位于山坡地带，工程建设时依山势将场地进行填方整平，东北侧形成高差约为15.5 m人工填方边坡，长150 m；该段边坡高差较大，且边坡坡顶为住宅小区，边坡破坏后果很严重。因此，该段边坡安全等级确定为一级，工程重要性系数取1.1。岩土物理力学参数详见表1。

表1 岩土物理力学参数表

2 边坡支护设计

山坡地形中的建筑设计，需将建筑功能与山坡地形紧密结合，充分考虑地形对建筑物影响，合理组织空间与造型，充分考虑与小区景观的融合，做到安全经济，合理美观。

该场地东北侧B段边坡原状地貌为一条深切冲沟，地形陡峭，坡度约55°，形成支护结构两端高差小，中间高差大的特点，且边坡支护距离小区住宅较近。红线位置原状地面标高约黄海标高49.0 m，场地设计标高为黄海64.5 m，边坡中部垂直高差15.5 m。

常规边坡支护措施一般为桩承衡重式挡土墙支护结构，在红线位置设置衡重式挡土墙，墙底采用人工挖孔灌注桩作为基础，上部挡土墙较笨重，造成“头重脚轻”现象，需在坡脚配合两道预 应力锚索进行支护。因支护高差大，墙后回填土方量较大，墙后回填土层施工质量要求高，增加原状陡坡竖向荷载，对红线外坡体稳定性不利(具体支护形式见图3)。该支护措施，墙后填土层较厚，因施工工期紧，现实中分层碾压施工质量受天气及施工队伍素质影响，回填土方质量难以控制[3]。土方回填后，常遇到坡顶地面沉降量大，导致坡顶产生裂缝、渗水等危及支护结构安全性问题。施工完成后，后期维修压力较大，且因衡重式挡土墙墙背坡率原因，造成坡顶至红线距离2 m，造成场地空间利用率下降。

图3 常规边坡支护剖面

结合该工程东北侧填方边坡地形，设计考虑采用与结构措施相结合的原则进行边坡支护，具体支护剖面如图4所示。在陡坡前端，采用小型毛石混凝土衡重式挡土墙进行挡土，挡墙后部至用地红线位置采用结构进行架空，结构底板与建筑设计地面预留2 m厚覆土层。这样，覆土层用于种植绿化花草和树木以及设置场地排水及设备管道；挡土墙位置垂直高差约6.0 m，结构架空层垂直高差约15.5 m，可防止地下室裸露，避免地下室四周土压力不平衡；结构架空层可保证场地平台利用率，并避免大量土方回填，因坡顶场地下均设置有结构板进行架空，地面工后沉降量较小，后期维修压力较小。

图4 优化后边坡支护剖面

3 对比分析

3.1 安全性分析

常规边坡支挡结构，采用桩承衡重式挡土墙与预应力锚索进行支护，该型支护衡重式挡墙墙较高，墙后回填土方量较大，造成“头重脚轻”现象，墙后回填土层施工质量要求高，土方回填后常遇到坡顶地面沉降量大，导致坡顶产生裂缝、渗水等危及支护结构安全性问题。并且，回填土体与原状土体形成一潜在的滑动面，回填土体产生的水平土压力较大，边坡整体稳定性较差[4]。

通过采用结构措施对冲沟位置进行架空，有效降低了回填土方量，并通过设置小型衡重式挡土墙保证建筑物地下室周边土方回填，可很好地解决建筑物偏压和场地利用率问题；同时，对原状坡体造成尽量小的影响[5]。原状土体稳定性基本不受影响，整个支护结构的稳定性亦得到保证。同等安全条件下支护构件受力参见表2所示。

表2 结构受力表

表2对比分析可见，常规支护形式受力明显大于考虑结构措施优化后支护结构，对支护结构强度要求较高，因施工质量引起的安全事故造成的经济及社会影响较大；优化后的支护结构受力明显变小，对施工水准要求较低。

3.2 经济性分析

常规边坡支护结构较笨重，支护工程量较大，造价较高。优化后边坡支护机构小巧灵活，可随地形变化进行调整。两种施工方案具体每延米工程量及造价对比如表3所示。

表3 每延米工程量及造价对比

由表3对比分析可见，常规支护形式支结构工程量大于优化后支护结构工程量；常规支护结构造价每延米约8.9万元，而优化后支护结构每延米支护造价约4.3万元，优化方案每延米节省造价约4.6万元。

综合对比分析，常规支护形式对支护结构构件受力要求高，技术难度大，工后沉降对场地正常使用影响大，对原状坡体生态破坏严重，并且工程造价较高，经济性差。通过结构措施进行优化处理后，对支护结构强度要求变低，技术难度小，并且工程造价降低明显，工后沉降对场地正常使用影响小，对原状坡体生态破坏较小，并且工程造价较底，经济性较好。

4 结论

(1)常规边坡支护措施挡土墙尺寸大，墙后回填土方量大，工后沉降大，对场地正常使用造成不利影响。采用与结构措施相结合的方式优化设计后，挡墙尺寸变小，墙后回填土方量较小，上部架空结构板覆土层沉降量小、沉降均匀，对场地后期使用影响较小。

(2)常规边坡支护形式对支护结构强度要求高，施工技术难度大。优化后，支护结构受力小，支护结构强度要求低，施工技术难度小。

(3)工程造价上，常规边坡支护形式，工程量大，造价高，工期长，经济性差；优化后，边坡支护工程量小，造价低，经济性较好，施工便捷，工期短。

(4)常规支护结构安全风险大，受地形限制明显，采用与结构措施相结合的边坡支护设计优化后，地形适应性好，对原状地形破坏较少，具有经理合理的特点。

(5)优化后边坡支护形式，结构架空层可通过与幕墙景观专业配合，装饰装修更加方便，后期装修适应性强，与周边环境协调和谐。